Стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G05F1/569 

|

ю

ел ю с

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может быть использовано в стабилизаторах на интегральных микросхемах. Цель - расширение области использования. В стабилизатор, содержащий трехвыводной элемент стабилизации 1, введены низкоомная цепь 2 с плавким предохранителем 3, мощный транзистор 4 и делитель 5 напряжения. Входной вывод элемента стабилизации 1 зашунтирован на шину общего провода регулирующим транзистором 4, включенным как эмиттерный повторитель и образующим вместе с низкоомной цепью 2 параллельный защитный стабилизатор, который при помощи нелинейного делителя 5 следит за напряжением между входом и выходом элемента стабилизации 1. При превышении этим напряжением в аварийных режимах порогового значения, которое определяется стабилитроном 7, транзистор 4 переходит в активный режим и ограничивает входное напряжение на безопасном для элемента стабилизации 1 уровне и одновременно своим сверхтоком форсирует сгорание входного плавкого предохранителя 3. 3 з. п. ф-лы, 3 ил. (Л

Фиг Л

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания, например в стабилизаторах напряжения на интегральных микросхемах.

Известны стабилизаторы постоянного напряжения, содержащие трехвыводной элемент стабилизации с внутренней токовой защитой.

Однако такие стабилизаторы обладают ограниченным диапазоном входного напряжения, максимальное значение которого определяется предельно допустимым напряжением между входом и выходом элемента стабилизации и не превышает его. Это связано с тем, что в режиме перегрузки по току и короткого замыкания на элементе стабилизации может полностью падать входное напряжение и, если оно больше предельно допустимого, элемент стабилизации выходит из строя из-за пробоя при перегрузке по напряжению. Кроме того, такой стабилизатор обладает ограниченным набором выходных напряжений, который определяется предельными возможностями интегральной технологии.

Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий трехвыводной элемент стабилизации с внутренней токовой защитой, в котором с целью повышения выходного напряжения общий вывод подключен через дополнительный элемент вольтодобавки к шине общего провода.

Однако элемент стабилизации в таком стабилизаторе не сохраняет надежность и защитные свойства при перегрузках по току или коротком замыкании, поскольку выходит из строя при этих аварийных режимах вследствие пробоя от перегрузки по напряжению.

Цель изобретения - расширение области использования путем повышения верхней границы входного напряжения с сохранением надежности, а также путем изменения выходного напряжения в сторону увеличения.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизатор постоянного напряжения, содержащий трехвыводной элемент стабилизации с внутренней токовой защитой, введены входная низкоомная цепь с плавким предохранителем и мощный защитный транзистор, эмиттер которого подключен к входу элемента стабилизации, коллектор - к шине общего провода, а база - к выходу делителя напряжения, который подключен между входом и выходом элемента стабилизации. Кроме того, плечо делителя напряжения, связанного с выходом элемента стабилизации, может содержать нелинейный элемент, например стабилитрон. С целью изменения выходного напряжения в сторону увеличения в стабилизатор введен элемент вольтодобавки, который включен

между общим выводом элемента стабилизации и шиной общего провода.

В известном техническом решении отсутствуют низкоомная цепь, плавкий предо- хранйтель, защитный транзистор и

делитель напряжения, а также связи между этими элементами. За счет этих элементов и их связей в предлагаемом техническом решении повышается максимальное входное напряжение с сохранением надежности

и защитных свойств, что дает расширение области использования стабилизатора.

Известны другие технические решения, в которых стабилизатор постоянного напряжения защищается входным плавким предохранителем и параллельным входу защитным ключевым тиристором. Однако эти технические решения не позволяют повысить входное напряжение для стабилизатора, поскольку не защищают его от

перегрузки по напряжению при перегрузке по току или коротком замыкании. Это связано с тем, что в этих стабилизаторах отсутствует кратковременная защита в течение времени срабатывания защитного параллельного ключа и сгорания плавкого предохранителя.

В предлагаемом техническом решении защитный элемент в виде параллельного входу транзистора не только форсирует сгорание плавкого предохранителя, но и вместе с низкой цепью образует защитный параллельный стабилизатор, который постоянно следит за напряжением между входом и выходом защищаемого элемента

стабилизации и предотвращает его повыше- ние сверх допустимого значения. Кроме того, организация защитного стабилизатора в виде эмиттерного повторителя с нелинейным делителем на входе позволяет достичь

наибольшей скорости реагирования на аварийный режим и обеспечить наиболее малое выходное сопротивление параллельного стабилизатора, что позволяет максимально снизить сопротивление низкоомной цепи, что не отражается на КПД стабилизатора, а также снизить время сгорания плавкого предохранителя.

Наличие в предлагаемом стабилизаторе цепей защиты, сохраняющих надежность стабилизатора в широком диапазоне входных напряжений, позволяет легко увеличить выходное напряжение с помощью элемента вольтодобавки, полностью сохранив надежность стабилизатора.

Известно техническое решение, в котором с целью повышения выходного напряжения в стабилизаторе постоянного напряжения на трехвыводном элементе стабилизации и дополнительном элементе вольтодобавки, содержится защитны и транзистор, подключенный эмиттером к входу элемента стабилизации, коллектором - к источнику входного напряжения, а базой - к выходу нелинейного делителя напряжения. линейное плечо которого подключено к источнику входного напряжения, а нелинейное - к точке соединения общего вывода элемента стабилизации и элемента вольтодобавки. Однако это техническое решение приводит к уменьшению надежности стабилизатора, поскольку защитный транзистор включен последовательно с защитным элементом стабилизации, должен выдерживать полностью входное напряжение между коллектором и эмиттером и образует для элемента стабилизации последовательный защитный стабилизатор. Протекающий через защитный транзистор ток приводит к уменьшению надежности. Кроме того, в ре- жиме перегрузки по току или коротком замыкании на защитном транзисторе падает большая часть входного напряжения при протекании через него аварийного тока, что не обеспечивает защиту стабилизатора при долговременной перегрузке.

В предлагаемом стабилизаторе защитный элемент в виде транзистора включен параллельно входу защищаемого элемента стабилизации и образует с низкоомной цепью параллельный защитный стабилизатор, который следит за напряжением между входом и выходом элемента стабилизации и предохраняет его от повышения выше допустимого значения, а также одновременно выполняет функцию элемента, форсирующего сгорание плавкого предохранителя за счет протекания через него сверхтока, образующегося в цепи регулирования параллельного стабилизатора. Это увеличивает по сравнению с известным решением надежность, так как позволяет избежать постоянного протекания тока через защитный элемент, а также повышает защитные свойства, так как обеспечивает долговременную защиту элемента стабилизации за счет форсирования сгорания предохранителя и обе- сточивания стабилизатора.

Таким образом, в первом известном техническом решении отсутствуют защит- ные элементы, обеспечивающие деклариро- ванный полезный эффект, а в других имеются другие, неэквивалентные признаки, которые не позволяют достичь этого эффекта.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого стабилизатора; на фиг. 2 - структурная схема стабилизатора с повышенным выходным напряжением; на фиг. 3 - структурная схема возможной реализации системы электропитания с использованием стабилизатора. э

Стабилизатор (фиг. 1) содержит трехвы- водной элемент 1 стабилизации, общий вывод которого соединен с шиной общего провода, входную низкоомную цепь 2 с плавким предохранителем 3, мощный транзистор 4, эмиттер которого подключен к входу элемента 1 стабилизации, коллектор - к шине общего провода, а база - к выходу делителя 5 напряжения, который подключен между входом и выходом элемента 1 стабилизации. Делитель 5 напряжения содержит два плеча, первое из которых состоит из резистора 6 и подключено параллельно ба- зоэмиттерному переходу транзистора 4, а второе - из стабилитрона 7.

Стабилизатор работает следующим образом.

В нормальном рабочем режиме, когда напряжение между входом и выходом элемента 1 стабилизации меньше порогового значения Unop, равного сумме напряжения пробоя стабилитрона 7 и напряжения базо- эмиттерного перехода транзистора 4, последний находится в режиме отсечки и не влияет на режим работы элемента 1 стабилизации, который обеспечивает стабилизацию выходного напряжения стабилизатора. При аварийном режиме, когда срабатывает токовая защита элемента 1 стабилизации, напряжение на нем резко возрастает и может превысить предельно допустимое значение идоп.12. Однако, когда оно достигает порогового значения Unop, то транзистор 4 переходит в активный режим и в стабилизаторе начинает работать дополнительный параллельный стабилизатор, который состоит из токоограничивающего резистора 2, регулирующего транзистор 4 и цепи сравнения из делителя 5. Этот дополнительный стабилизатор обеспечивает основному стабилизатору кратковременную защиту от перегрузки по напряжению. При этом однократный кратковременный импульс сверхтока через регулирующий транзистор 4 проходит также и через плавкий предохранитель 3 и форсирует его сгорание. Длительность импульса через защитный транзистор 4 мала и достигает значения не более десятка миллисекунд, что позволяет транзистору 4 при импульсе тока через него в несколько ампер удержаться в области безопасных режимов работы. Амплитуда импульса тока определяется сопротивлением низкоомной

цепи 2. Поскольку защитный транзистор находится под током в аварийном режиме и очень малое время, то стабилизатор практически не теряет своей надежности и сохраняет полностью свойства, определяемые элементом 1 стабилизации.

Можно выделить следующие возможные режимы работы стабилизатора.

Режим 1. Стабилизатор в нормальном режиме эксплуатации. Выходное напряжение Увых равно напряжению стабилизации Ucra6 элемента 1. Входное напряжение UBx удовлетворяет условию UBX Unop + Uciae. Ток нагрузки стабилизатора нагр меньше порогового тока Пор срабатывания токовой защиты элемента 1. Напряжение на стабилитроне 7 меньше напряжения его пробоя, транзистор 4 находится в режиме отсечки, ток через него не течет и защитный параллельный стабилизатор не влияет на работу элемента 1 стабилизации. Напряжение на входе элемента 1 удовлетворяет условию Ui Unop + истаб, что значительно меньше предельно допустимого напряжения иДОп1. Напряжение между входом и выходом элемента 1 Ui2 меньше напряжения Unop и, следовательно, меньше предельно допустимого напряжения идоп.12. Элемент 1 стабилизации находится в области безопасных режимов работы. В этом режиме стабилизатор может работать при малых входных напряжениях, которые практически совпадают с минимальными напряжениями, допускаемыми для работы элемента 1 стабилизации. Нижний предел входного напряжения предлагаемого стабилизатора равен

UBX.MVW Ucra6 + U12 мин + нагр . R2

где Ui2 мин - минимальное падение напряжения на элементе 1;

Ra - сопротивление резистора 2.

Данное выражение получено из условия .что ток обслуживания элемента 1 гораздо меньше тока нагрузки стабилизатора. При напряжениях на входе стабилизатора меньше этого предела элемент 1 стабилизации переходит из активного режима стабилизации в режим насыщения, стабилизатор перестает стабилизировать выходное напряжение. Нижний предел входного напряжения в предлагаемом стабилизаторе отличается от нижнего предела элемента стабилизации на величину падения напряжения на резисторе 2. Сопротивление низ- коомного резистора 2 должно выбираться так, чтобы падение напряжения на нем было гораздо меньше минимального падения напряжения на элементе 1 стабилизации и в

то же время сопротивление должно иметь достаточную величину, чтобы большая величина кратковременного форсирующего тока в аварийных режимах на вывела из строя

транзистор 4.

Режим 2. На входе стабилизатора напряжение становится выше уровня нормального режима эксплуатации, т. е. UBX Unop + Ucra6. Выходное напряжение

ивых Ucra6. Ток нагрузки не превышает .норму нагр Inop. Стабилитрон 7 пробивается и переводит транзистор 4 из режима отсечки в активный режим. Через защитный параллельный стабилизатор резко увеличивается ток, он переходит в режим стабилизации напряжения на входе элемента 1 на уровне Ui Unop + истаб, что меньше предельно допустимого напряжения идопч. Напряжение между входом и выходом равно

U12 Unop, что меньше предельно допустимого напряжения иДОп12. Элемент 1 стабилизации находится в области безопасных режимов работы. Если перегрузка по напряжению продолжается несколько десятков

миллисекунд, то плавкий предохранитель 3 сгорает и полностью обеспечивает стабилизатор.

Режим 3. Входное напряжение удовлетворяет норме UBX Unop + истаб. В цепи

нагрузки имеет место неглубокая перегрузка по току элемента 1 стабилизации. При этом ток перегрузки достигает порогового значения Нагр Inop, а выходное напряжение элемента 1 находится в пределах Uex - Unop UBBIX Ucrae. Падение напряжения на стабилитроне 7 недостаточно для его пробоя, и транзистор 4 находится в режиме отсечки. Параллельный стабилизатор не действует. Напряжение на входе элемента 1

стабилизации находится в пределах U г Unop + ивых, что меньше предельно допустимого напряжения идоп1. Напряжение между входом и выходом не более U12 Unop, что меньше предельно допустимого напряжения идоп12. Элемент 1 стабилизации обеспечивает свою защиту самостоятельно, при этом только один параметр достигает своего предельного значения - ток нагрузки, При наличии в элементе

стабилизации ограничения тока гистерезис- ного характера такой режим невозможен.

Режим 4. Входное напряжение удовлетворяет норме UBX Unop + Ucrae. В цепи нагрузки имеет место глубокая перегрузка

по току или короткое замыкание. Ток нагрузки достигает порогового значения НагР Inop. Напряжение на выходе стабилизатора падает до пределов 0 UBHX UBX - Unop. В этом случае падение напряжения на стабилитроне 7 достаточно для его пробоя и транзистор 4 переходит в активный режим. Через параллельный стабилизатор начинает течь большой уровень тока вследствие малого сопротивления балластного резистора 2. Напряжение на входе элемента 1 стабилизируется на уровне Ui Unop + ивых, что меньше предельно допустимого напряжения иДОп1. Напряжение между входом и выходом элемента 1 устанавливается на уровне Ui2 Unop. что меньше предельно допустимого напряжения идоп12. Если перегрузка по току продолжается несколько десятков миллисекунд, то плавкий предохранитель 3 сгорает, полностью обесточивается стабилизатор. В течение этого малого периода времени только один-параметр для элемента 1 стабилизации достигает своего предельного значения - ток нагрузки.

На основании анализа возможных режимов работы стабилизатора можно сделать вывод, что его максимальное входное напряжение может достигать значений, удовлетворяющих выражению

{:

Uex.Maxc Unop + Ucra6 идоп12 + Ucra6, Uex-макс Uflon.1,(1)

в то время как у известного стабилизатора оно равно

Uex.Maxc U доп. 12.

Максимальный выигрыш в увеличении максимального входного напряжения достижим тогда, когда напряжение идоп 12 больше напряжения идоп12 не менее чем на выходное напряжение элемента 1 стабилизации

Устаб.

Стабилизаторе повышенным выходным напряжением (фиг. 2) дополнительно содержит элемент 8 вольтодобавки, через который подключен общий вывод элемента 1 стабилизации к шине общего провода.

Стабилизатор работает следующим образом.

В нормальном рабочем режиме, когда напряжение между входом и выходом элемента 1 стабилизации меньше порогового напряжения Unop, транзистор 4 находится в режиме отсечки и не влияет на режим работы элемента 1 стабилизации. Ток обслуживания элемента 1 проходит через элемент 8 вольтодобавки и создает на нем падение напряжения Us, которое суммируется с напряжением стабилизации элемента 1.

В качестве элемента вольтодобавки обычно используется стабилитрон, напряжение пробоя которого является напряже

нием вольтодобавки. Выходное напряжение стабилизатора равно ивых Ucrae + Us. При аварийном режиме, когда срабатывает токовая защита элемента 1 ста- 5 билизации, напряжение на нем, т. е. между входом и выходом, резко возрастает и может превысить предельно допустимое значение идоп12. Однако, когда оно достигает порогового значения Unop, транзистор 4 пе10 реходит в активный режим и в стабилизаторе начинает работать дополнительный параллельный стабилизатор, который состоит из токоограничивающего резистора 2, регулирующего транзистора 4 и цепи срав15 нения из делителя 5. Этот дополнительный стабилизатор обеспечивает основному стабилизатору кратковременную защиту от перегрузки по напряжению. При этом однократный кратковременный импульс

20 сверхтока через регулирующий транзистор 4 суммируется с током Inop, ограниченным защитой элемента 1 стабилизации, проходит через плавкий предохранитель 3 и форсирует его сгорание как и в стабилизаторе

25 по фиг. 1.

Поскольку максимальное входное напряжение для этого стабилизатора равно сумме Uex-макс иДОп1 + Us и растет вместе с напряжением вольтодобавки UB, то это

30 позволяет очень значительно увеличить выходное напряжение стабилизатора за счет напряжения вольтодобавки, причем не ухудшая надежность защиты стабилизатора. Предел повышения выходного напря35 жения стабилизатора определяется мощностными характеристиками защитного транзистора и равен

ивых.макс Unop + (Urn + Inop)- R2 - ич2мин 40- AUBX,(3)

в то время как у известного стабилизатора он равен

45ивых.макс идоп12 - U12MHH - A UBK. (4)

что позволяет получить выигрыш в увеличении выходного напряжения, равный

50ДиВых (1км + Inop) R2 - (идоп12 - Unop) -(4UBx- AUBx),(5)

где IKM максимальный импульсный ток коллектора для транзистора: 55 и-12мин - минимальное падение напряжения на элементе 1;

AUex, AUex - нестабильность входного напряжения для предлагаемого и известного стабилизаторов.

На основании выражения (3) можно найти предельное напряжение вольтодобавки:

Увмакс Unflp - Ucra6 + (кт + Inop) R2 - -U12MHH-AUsx.(6)

Поскольку пороговое напряжение должно быть выбрано таким, чтобы напряжение между входным выводом и общим выводом элемента 1 ни в коем случае не превысило предельно допустимое напряжение идоп1, то оно должно удовлетворять условию

Unop Uflonl Ucra6.

(7)

Системы вторичного электропитания, в которых используют стабилизаторы, обычно трудно разделить на отдельные составные части (блоки), поэтому может существовать такая система электропитания (фиг. 3), в которой плавкий предохранитель 3 может быть включен в состав блока 9 питания. Стабилизатор в такой системе работает аналогично стабилизаторам по фиг. 1 и 2.

Имея интегральный стабилизатор с напряжением стабилизации 15 В и предельно допустимым напряжением 30-40 В и выбрав пороговое напряжение равным 24 В, возможно при импульсном токе транзистора в 100 раз больше номинального тока нагрузки, при токе срабатывания внутренней защиты приблизительно в 2 раза выше номинального тока нагрузки, при падении напряжения на резисторе в номинальном режиме не более 0,5 В в одинаковой нестабильности входного напряжения получить выигрыш около 35 В, что позволяет построить стабилизатор на напряжении 50 В. не

снижая его надежности и защитных свойств. Это значительно позволяет расширить возможности использования интегральных стабилизаторов.

Формула изобретения 1. Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий элемент стабилизации с внутренней токовой защитой, включающий

в себя входной, выходной и общий выводы, причем общий вывод связан с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования путем повышения верхней границы входного напряжения с сохранением надежности, в него введены входная низкоомная цепь с плавким предохранителем и мощный защитный транзистор, эмиттер которого подключен к входному выводу элемента

стабилизации,-коллектор - к общей шине, а база - к выходу введенного делителя напряжения, который подключен между входным и выходным выводами элемента стабилизации.

элемента стабилизации и общей шиной.

4, Стабилизатор по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что в качестве нелинейного элемента делителя напряжения использован стабилитрон.

Вход J 2 & CZ3 D

J -BZ

. 2

Выход 0

Фиг.З