Высоковольтный стабилизатор Советский патент 1992 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к транзисторным стабилизаторам напряжения постоянного тока последовательного типа и может быть использовано в качестве регулируемого источника постоянного напряжения при измерении параметров высоковольтных электронных приборов, например лавинных фотодиодов.

Известны высоковольтные транзисторные стабилизаторы напряжения постоянного тока, содержащие регулирующий составной транзистор (два биполярных транзистора типа КТ626В, включенных по схеме Дарлингтона), резистор смещения,первый вывод которого подключен к базе регулирующего транзистора, а второй вывод - к коллектору регулирующего транзистора, токоограничивающий резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером регулирующего транзистора, а второй вывод-с вторым выводом для подключения нагрузки, делитель напряжения, вход которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки и вспомогательным источником напряжения, усилитель сигнала рассогласования (операционный усилитель типа К140УД1Б), входы которого подключены к выходу делителя напряжения и первому выводу для подключения нагрузки, управляющий элемент (на основе транзи

GO Ю W О О

стора КТ604АМ), управляющий вход которого подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, а выход - к базе регулирующего составного транзистора, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания и общую шину, включенную между вторыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки.

Недостатками такого устройства являются низкая надежность, обусловленная гальванической связью между находящимся под высоким потенциалом регулирующим транзистором и управляющий элементом стабилизатора, а также отсутс - вием ограничения выходного тока при к.з. выхода на безопасном для ст билизатора уровне; низкий КПД из-за . ьшой рассеиваемой мощности на резисторе смещения и на управляющем элементе; узкий диапазон возможной регулировки выходного напряжения (550-800) В.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, оптрон, светоизлу- чающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к выходам делителя напряжения и источника опорного напряжения, а выход- к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания, общую шину, включенную между первыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки. Фотоприемник оптрона выполнен в виде фототранзистора.

Недостатками известного стабилизатора являются низкая надежность из-за отсутствия ограничения выходного тока при к.з. выхода, а также низкий КПД из-за большой мощности, рассеиваемой на резисторе смещения. При использовании в стабилизаторе высоковольтного биполярного п - р -п-тран- зистора 2Т839А и входном напряжении 1500 В максимальный выходной ток стабилизатора при коротком замыкании выхода не должен превышать 10 мА. Для обеспечения выходного тока 10 мА при максимальном выходном напряжении, например, 1400 В сопротивление резистора регулирующего элемента должно составлять около 100 КОм,

что дает выходной ток при к.з. выхода 150 мА, приводя к выходу из строя высоковольтного транзистора. При этом для предельного режима работы стабилизатора ( В, Гвь, мА) .

Целью изобретения является повышение надежности в работе и КПД.

Указанная цель достигается тем, что в высоковольтный стабилизатор напряжения

постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для

подключения нагрузки, оптрон, светоизлу- чающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к выводам делителя напряжения и источника опорного напряжения, а выход - к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания, общую шину, включенную между первыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки, дополнительно введены токоограничивающий резистор и дополнительные оптроны со светоизлучающими элементами, причем токоограничивающий резистор включен между вторым выводом для подключения первичного источника питания и эмиттером регулирующего транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, светоизлучающие элементы дополнительных оптронов включены в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, фотоприемники всех оптронов выполнены в виде фотодиодов и включены последовательно между базой регулирующего транзистора и вторым выводом для подключения первичного источника питания, соединенным с вторым выводом резистора смещения, при этом общее количество N однотипных оптронов, сопротивление RI токоограничивающего резистора и сопротивление R2 резистора смещения

выбраны с учетом максимального выходного тока стабилизатора мвых в соответствии с выражениями

55

Имвых1 0, имоп|; N lUe9l /(0,7- I Uxx 1)+1 ;

Rr(0,7- N- IUX

ШбэО/Гвых:

,7-N |Uxxl/(0,95- Kr UM0nl -IIMBWxl//3i),

где /3i - коэффициент усиления регулирующего транзистора по току;

Ki - коэффициент передачи оптрона по току;

1моп - максимальный входной ток оптрона;

11бэ - напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора при гм

I вых.

DXX - напряжение холостого хода на фотодиоде оптрона в фотогенераторном режиме.

На фиг. 1 приведен предлагаемый высоковольтный стабилизатор; на фиг. 2 - нагрузочные характеристики цепи из N последовательно соединенных фотодиодов оптронов для ,2,3.

Стабилизатор (фиг. 1) выполнен следующим образом. Регулирующий транзистор 1 типа 2Т839А подключен эмиттером к первому выводу токоограничивающего резистора 2, а коллектором - к второму выводу для подключения нагрузки. Второй вывод резистора 2 подключен к второму выводу для подключения первичного источника питания с напряжением UBx. Между базой транзистора 1 и вторым выводом первичного источника питания включены резистор 3 смещения и цепь из последовательно соединенных фотодиодов оптронов 4-6 типа АОД130А, Первые выводы для подключения первичного источника питания и нагрузки соединены общей шиной.

Светоизлучающие элементы оптронов, выполненные в виде светодиодов, соединены последовательно и включены в выходную цепь вторичного источника питания напряжением +15 В (не показан), снабженную управляющим элементом, который содержит резистор 7 и транзистор 8 типа КТ972Б. Управляющая цепь управляющего элемента (база транзистора 8) подключена к выходу усилителя 9 сигнала рассогласования (операционный усилитель (ОУ) типа 544УД1 А), входы которого подключены к источнику опорного напряжения Uynp и выходу делителя напряжения, состоящего из резисторов 10,11 сопротивлением 3 МОм и 20 КОм соответственно. Вход делителя напряжения соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки.

Высоковольтный стабилизатор работает следующим образом.

На стабилизатор подается постоянное отрицательное напряжение от первичного источника питания UBx -1500 В. При поступлении на инвертирующий вход ОУ управляющего напряжения отрицательной полярности Uynp на втором выводе стабилизатора для подключения нагрузки появляется стэбилизированное напряжение Увых, которое регулируется в диапазоне (-9...-1495) В в соответствии с соотношением:

(-9 В при иупр (О..Х),006) В; (1)

i 150-Uynp при Uynp (-0,006.,.-10) В.

Принцип действия стабилизатора заключается в следующем. При отсутствии напряжения Uynp на втором выводе стабилизатора для подключения нагрузки имеется некоторое начальное напряжение U°Bbix- обусловленное протеканием обратного коллекторного тока Тко регулирующего транзистора через сопротивление внешней нагрузки RH (не показано) и сопротивления

R4 и R5 резисторов 10 и 11 соответственно:

и°Вых 1ко RH I I (R4+R5).(2)

Для - RS и Тко2 3 мкА имеют и°ВЫх 9 В.

На неинвертирующем входе OY при этом появляется потенциал U°+;

30

U°+ м и°вых R5/(R4+Rs) У 0,06 В. (3)

При подаче управляющего напряжения Uynp на инвертирующий вход OY стабилизатор находится в первоначальном состоянии до тех пор, пока U°f-Uynp 0. Ecли U°+-Uynp 0, то OY переходит в активный режим, на его выходе появляется положительное напряжение, открывающее транзистор 8, коллекторный ток Ion которого вызывает свечение светодиодов оптронов

4-6.

Фотодиоды оптронов работают в фотогенераторном режиме, т.е. в режиме преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Работа в таком режиме проиллюстрирована на фиг.2, где показаны расчетные зависимости напряжения ифы на цепи из ,2,3 последовательно соединенных идентичных фотодиодов от фототока Тф в цепи внешней нагрузки (нагрузочные характеристики) при темновом токе фотодиодов - мА и фототоке короткого замыкания JK..3.1 мА.

Эффективная работа такой цепи обеспечивается для Тф 0,95 Гк.з., что соответствует уменьшению ифм от максимального значения NUxx (где Uxx - напряжение холостого хода одного фотодиода) до 0,7-N Uxx- Ток 1ф протекает через резистор 2 и базу транзистора 1, управляя его коллекторным

током Твых, который принимается за выходной ток стабилизатора. Ток1ф определяется по току KI:

11Ф1 КН1оп1 -(4)

Очевидно, что управление транзистором 1 возможно только в том случае, если при максимальном выходном токе стабилизатора 1мвых цепь из N фотодиодов обеспечивает необходимое смещение на базе транзистора 1, т.е. выполняется условие

OJ-N-|Uxxl 11бэ+Гвых- Ril, (5) где RI - сопротивление резистора 2,

Убэ - напряжение между базой и эмиттером транзистора 1 при максимальном выходном токе ,1мвых, величина которого удовлетворяет условию

Гвых 0,951к.з. ,95-KrlMon # (6) - коэффициент усиления транзистора 1 по току базы.

1моп - максимально допустимый входной ток оптрона.

Количество фотодиодов N определяется из (5) при

N U63l/(0,7-lUxxl ).(7)

Целесообразно взять минимально возможное N, поэтому

N Шбэ 1/0,7- lUxxll+1. (8)

После выбора N величина RI однозначно определяется из (5):

Ri(0,7- Uxxl- N-i ибз )/l .(9)

Резистор 3 смещения введен для уменьшения RC-постоянной нагрузки для цепи фотодиодов. Сопротивление Ra резистора 3 выбирается из условия, что максимальный ток .ф, отбираемый от цепи фотодиодов, составляет 0,95 к.з., т.е. Цмвых1 //3i+0,7N- |Uxxl/R2 0,95 1к.3. (Ю)

Из (10) и (6) имеют

,7- N- lUxxi /(0,95- Ki 1Моп- Мвых//51).

(11)

Полагая |Кбэ1 0,6 В; lUxxl 0,4 В; ,01; мА; Гвых 2 мА, имеют в соответствии с (8), (9) и (11) Ом; КОм. .

Такой выбор сопротивлений RI и R2 обеспечивает при 1мВых работу цепи фотодиодов в точке М нагрузочной характеристики (фиг. 2). Ввиду этого выходной ток стабилизатора Гвых не может превысить 1мВых, так как дальнейшее увеличение Ьых приводит к резкому уменьшению напряжения на базе транзистора 1 и закрыванию последнего.

Протекание тока Ьых через внешнюю нагрузку и резисторы 10 и 11 приводит к появлению напряжения 1)Вых, которое через делитель напряжения поступает на неинвертирующий вход OY, т.е. замыкает традиционную цепь отрицательной обратной связи. При этом справедливо

UBblX«Uynp-(R4+R5)/R5«

Uynp R5/R4 150- Uynp. (12) КПД стабилизатора при В и

мА составляет около 7%.

Таким образом, использование предлагаемого высоковольтного стабилизатора повышает надежность устройства за счет ограничения максимального выходного тока на безопасном уровне и позволяет повысить его КПД. Так, например, максимальный выходной ток при любых условиях не может превысить заданного безопасного для ста- билизатора уровня, составляющего 10 мА при lUexl 1500 В, а КПД, например, при Увых 100 В и 1вых 10 мА, повышается в 2,3 раза..

20

Формула изобретения

Высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого

подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, оптрон, светоиз- лучающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к выходам делителя напряжения и источника

опорного напряжения, а выход - к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания и нагрузки, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения

надежности в работе и КПД, в него введены токоограничивающий резистор и дополнительные оптроны со светоизлучающими элементами, причем токоограничивающий резистор включен между вторым выводом

для подключения первичного источника питания и эмиттером регулирующего транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, светоизлучающие элементы дополнительных оптронов включены в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, фотоприемники всех оптронов выполнены в виде фотодиодов и включены последовательно между базой регулирующего транзистора и вторым выводом для подключения первичного источника питания, соединенным с вторым выводом резистора смещения, при этом общее количество N однотипных оптронов, сопротивление Ri токоограничивающего резисто-- 11мвых I ),

pa и сопротивление R2 резистора смещения где - коэффициент усиления регулируювыбраны с учетом максимального выходно- щего транзистора по току;

го тока стабилизатора 1мВых в соответствииKi - коэффициент передачи оптрона по

с выражениями5 току;

И вых 0, Ki HMonl;1моп максимальный входной ток оптрона;

N I Убэ I /(0,7 I Uxx I )}И;1)бэ - напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора при Rl (0,7 N | Uxx I - I ибэ 1)/1Мвых;Ю 1МВЫХ;

Uxx - напряжение холостого хода на фоR2 0,7- N I Uxx I /(0,95- Кг IIM0nl -тодиоде оптрона в фотогенераторном режиме.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель-повышение надежности в работе и КПД. В предложенном устройстве управление регулирующим транзистором производится путем изменения по сигналу обратной вязи суммарной ЭДС, прикладываемой к базовой цепи транзистора и выра- батываемой фотодиодами оптронов, функционирующими в фотогенераторном режиме. Для ограничения тока к.з. в эмит- терную цепь регулирующего транзистора введен токоограничивающий резистор. При этом параметры составных элементов стабилизатора подобраны таким образом, что при сохранении имеющихся диапазонов изменения входного напряжения и нагрузочного тока обеспечиваются минимальные потери мощности. В принятой схеме построения исключен резистор между базой и коллектором регулирующего транзистора. Предпочтительное применение устройства распространяется на аппаратуру, реализующую смещение лавинных фотодиодов. 2 ил. w t

U&X

R1 ПО

Ж Щ130 А W2 Ш72Х

ифн,в

0,2

ОМ 0,6 0,8

Фиг. 2

-10..: IMS В

№

к«

Фм.1

54WM -15В

улр 0..:ЮВ

1±,нА W