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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании источников электропитания электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры различного назначения.

Известен транзисторный стабилизатор постоянного тока, содержащий последовательно соединенные регулирующий элемент и датчик тока нагрузки, включенные в одну из силовых шин, усилитель постоянного тока и источник опорного напряжения, входы усилителя постоянного тока связаны с датчиком тока нагрузки и источником опорного напряжения, а выход подключен к управляющему входу регулирующего элемента.

Недостатком этого стабилизатора являются большие объем и масса вследствие больших размеров теплоотводящего радиатора для регулирующего элемента, так как из-за отсутствия устройства защиты от короткого замыкания нагрузки регулирующий элемент должен быть рассчитан на рассеивание всей входной мощности, выделяющейся в нем при коротком замыкании нагрузки, а также низкая надежность из-за отсутствия защиты от обрыва нагрузки в связи с тем, что при обрыве нагрузки выходное напряжение стабилизатора тока резко повышается, что может привести к пробою конденсатора, установленного на выходе стабилизатора.

XI

Сл)

ю

со VI

Наиболее близким является стабилизатор постоянного тока, содержащий включенные в потенциальную силовую шину последовательно соединенные транзисторный регулирующий элемент и датчик тока нагрузки, дифференциальный усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к датчику тока нагрузки, другой вход связан с источником опорного напряжения, а выход подключен к управляюще- му входу регулирующего элемента, транзистор защиты, коллектор которого подключен к управляющему входу регулирующего элемента, эмиттер соединен с выходом регулирующего элемента, а базовая цепь транзистора защиты через первый диод подключена к среднему выводу первого резисторного делителя напряжения, включенного между положительным выводом вспомогательного источника опорного на- пряжения и общей шиной, а через второй диод- к среднему выводу второго резисторного делителя напряжения, подключенного к выводам основного источника опорного напряжения, и конденсатор временной за- держки, подключенный к базовой цепи транзистора защиты.

Недостатком известного стабилизатора является низкая стабильность пределов срабатывания защиты от повышения и по- нижения выходного напряжения вследствие изменения напряжения база-эмиттер транзистора защиты при изменении температуры окружающей среды и при воздействии других дестабилизирующих факторов.

Целью изобретения является повышение надежности стабилизатора постоянного тока путем уменьшения нестабильности пределов срабатывания узла защиты.

На чертеже представлена схема стабилизатора постоянного тока.

Стабилизатор постоянного тока содержит транзисторный регулирующий элемент 1, силовой коллекторно-эмиттерный пере- ход которого включен последовательно с датчиком 2 тока в потенциальную шину, расположенную между первыми выводами 3 и 4 для подключения соответственно первичного источника питания и нагрузки, общую шину, расположенную между вторыми выводами 5 и 6 для подключения соответствен- но первичного источника питания и нагрузки, дифференциальный усилитель 7 постоянного тока, выход которого через первый резистор 8 соединен с управляющим входом транзисторного регулирующего элемента 1, неинвертирующий вход дифференциального усилителя 7 постоянного тока подключен к выходной цепи источника 9 опорного напряжения, соединенного первым полюсом с первым выводом 4 для подключения нагрузки, инвертирующий вход - к выходной цепи датчика 2 тока, а питающие входы - к соответствующим выходам вспомогательного двухполярного источника 10 питания, соединенного общим полюсом с первым выводом 4 для подключения нагрузки, узел защиты от понижения выходного напряжения и короткого замыкания нагрузки, от повышения выходного напряжения и обрыва цепи нагрузки, выполненный с задержкой на срабатывание и снабженный резисторным делителем 11 напряжения, включенным между соответствующим потенциальным полюсом вспомогательного двухполярного источника 10 питания и вторым выводом 6 для подключения нагрузки, вторым 12, третьим 13, четвертым 14 и пятым 15 резисторами, первым 16 и вторым 17 диодами, а также операционный усилитель 18, причем неинвертирующий вход операционного усилителя 18 соединен с выходной цепью датчика 2 тока, а потенциальный вывод инвертирующего входа - с первыми выводами второго 12, третьего 13 и четвертого 14 резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к выходному выводу источника 9 опорного напряжения, первому выводу 4 для подключения нагрузки и одному из выводов первого диода 16, другой вывод первого диода 16 соединен с промежуточным выводом резисторного делителя 11 напряжения, а выход операционного усилителя 18 подключен к управляющему входу транзисторного регулирующего элемента 1 через последовательно включенные пятый резистор 15 и второй диод 17.

Источник 9 опорного напряжения может быть выполнен на стабилитроне 19, анод которого подключен к первому выводу 4 для подключения нагрузки, катод через балластный резистор 20 - к положительному выходу вспомогательного двухполярного источника 10 питания, а к выводам стабилитрона 19 подключен второй резисторный делитель 21 напряжения, к среднему выводу которого подключены неинвертирующий вход дифференциального усилителя 7 постоянного тока и инвертирующий вход операционного усилителя 18.

Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 7 постоянного тока и неинвертирующий вход операционного усилителя 18 могут быть подключены к выходной цепи датчика 2 через резисторы 22-24 соответственно.

Задержка в срабатывании узла защиты обеспечивается конденсатором 25, включенным между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 18.

Конденсатор 25 временной задержки может быть также включен между неинвертирующим входом операционного уси- лителя 18 и положительным выводом вспомогательного двухполярного источника 10 питания или между инвертирующим входом операционного усилителя 18 и отрицательным выводом вспомогательного двухполярного источника 10 питания (вторым выводам 6 для подключения нагрузки), как показано пунктиром. В схеме могут быть использованы два или три конденсатора 25 временной задержки при любом сочетании мест их включения.

Между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя 7 постоянного тока могут быть включены конденсатор 26 и резистор 27, которые слу- жат для повышения устойчивости стабилизатора.

Предлагаемый стабилизатор постоянного тока работает следующим образом.

При нормальном режиме работы стаби- лизатора и выходном напряжении, находящемся в заданным пределах, потенциал неинвертирующего входа операционного усилителя 18 относительно первого вывода 4 для подключения нагрузки, равный паде- нию напряжения на датчике 2 тока, выше, чем потенциал его инвертирующего входа, определяемый напряжением опорного источника 9 и соотношением сопротивлений второго 12 и третьего 13 резисторов. Пер- вый диод 16 в этом режиме заперт и не влияет на потенциал инвертирующего входа, так как коэффициент передачи рези- сторного делителя 11 напряжения выбирается таким, что напряжение на ка- тоде первого диода 16 выше, чем напряжение на его аноде, в нормальном режиме работы этот диод заперт. Вследствие этого операционный усилитель 18 находится в первом устойчивом состоянии, при котором напряжение на его выходе максимально и имеет положительное значение относительно первого вывода 4 для подключения нагрузки, вследствие чего второй диод 17 закрыт, а конденсатор 25 временной задер- жки заряжен до определенного напряжения.

При понижении выходного напряжения стабилизатора ниже установленного предела или при коротком замыкании нагрузки потенциал промежуточного вывода рези- сторного делителя 11 напряжения относительно первого вывода 4 для подключения нагрузки повышается. В результате этого первый диод 16 открывается, конденсатор

25 временной задержки начинает перезаряжаться, потенциал инвертирующего входа операционного усилителя 18 относительно первого вы вода 4 для подключения нагрузки повышается, тогда как потенциал его неинвертирующего входа остается неизменным. Когда потенциал инвертирующего входа станет выше, чем потенциал неинвертирующего входа, напряжение на выходе операционного усилителя 18 понижается и становится отрицательным, второй диод 17 открывается. Вследствие этого через второй диод 17 и пятый резистор 15 начинает протекать ток с выхода дифференциального усилителя 7 постоянного тока, регулирующий элемент 1 начинает подзапираться, выходное напряжение стабилизатора уменьшается, потенциал инвертирующего входа операционного усилителя 18 еще больше повышается и он через время, определяемое конденсатором 25 временной задержки, переходит во второе устойчивое состояние, при котором напряжение на его выходе имеет минимальное отрицательное значение, регулирующий элемент 1 запирается и схема опрокидывается. В этом режиме напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 18 выше, чем напряжение на его неинвертирующем входе, операционный усилитель 18 находится во втором устойчивом состоянии, при котором напряжение на его выходе минимально и имеет отрицательное значение относительно первого вывода 4 для подключения нагрузки, регулирующий элемент 1 полностью закрыт, выходное напряжение и ток нагрузки стабилизатора равны нулю.

При повышении выходного напряжения стабилизатора выше установленного предела или при обрыве нагрузки (холостом ходе) и выходе стабилизатора тока из режима стабилизации его ток нагрузки и, следовательно, падение напряжения на датчике 2 тока уменьшаются, потенциал неинвертирующего входа операционного усилителя 18 относительно первого вывода 4 для подключения нагрузки понижается, тогда как потенциал его инвертирующего входа остается постоянным, так как первый диод 16 в этом режиме по-прежнему закрыт. При дальнейшем уменьшении тока нагрузки, когда потенциал инвертирующего входа операционного усилителя 18 станет ниже, чем потенциал его инвертирующего входа, определяемый напряжением опорного источника 9 и соотношением солротив- лений второго 12 и третьего 13 резисторов, напряжение на выходе операционного усилителя 18 понижается, конденсатор 25 временной задержки начинает

перезаряжаться. Когда напряжение на выходе операционного усилителя 18 становится отрицательным, второй диод 17 открывается. Вследствие этого через второй диод 17 и пятый резистор 15 начинает протекать ток с выхода дифференциального усилителя 7 постоянного тока, регулирующий элемент 1 начинает подзапираться, ток нагрузки стабилизатора уменьшается, падение напряжения на датчике 2 тока и потенциал неинвертирующего входа операционного усилителя 18 еще больше уменьшается и он через время, определяемое конденсатором 25 временной задержки, переходит во второе устойчивое состояние, при котором напряжение на его выходе имеет минимальное отрицательное значение, регулирующий элемент 1 запирается и схема опрокидывается, как и в первом случае. В этом режиме напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 18 выше, чем напряжение на его неинвертирующем входе (практически это напряжение равно нулю), операционный усилитель 18 находится во втором устойчивом состоянии, регулирующий элемент 1 полностью закрыт, выходное напряжение и ток нагрузки стабилизатора равны нулю.

Для возврата схемы в исходное состояние необходимо устранить неисправность и на короткое время выключить, а затем повторно включить стабилизатор.

Конденсатор 25 временной задержки служит для предотвращения опрокидывания схемы при включении стабилизатора, а также осуществляет задержку в выключении стабилизатора при кратковременных неисправностях в цепи нагрузки.

Наличие конденсатора 25 временной задержки в схеме предлагаемого стабилизатора тока является обязательным. Однако при различных вариантах включения указанного конденсатора стабилизатор имеет некоторые особенности. При включении конденсатора 25 между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 18 обеспечивается задержка при срабатывании защиты во всех случаях: при включении стабилизатора, при понижении и повышении его выходного напряжения, при коротком замыкании и обрыве нагрузки. При включении конденсатора 25 между неинвертирующим входом операционного усилителя 18 и катодом первого стабилизатора обеспечивается задержка в срабатывании защиты при включении стабилизатора и при повышении его выходного напряжения и обрыве нагрузки, а при включении конденсатора 25 между неинвертирующим

входом операционного усилителя 18 и отрицательным выводом вспомогательного двухполярного источника 10 питания - при включении стабилизатора, при понижении

5 его выходного напряжения и коротком замыкании нагрузки.

Основной особенностью предлагаемого стабилизатора тока является использование в устройстве защиты от неисправности

0 в цепи нагрузки операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к датчику тока нагрузки, а по его инвертирующему входу производится суммирование различных сигналов: сигна15 ла, пропорционального напряжению опорного источника, и сигнала, зависящего от выходного напряжения стабилизатора, который подается с выхода резисторного делителя напряжения через резистор и

0 развязывающий диод.

В стабилизаторе тока обеспечивается защита его элементов от всех возможных неисправностей в цепи нагрузки, причем указанное включение введенных дополни5 тельных элементов позволяет упростить схему устройства защиты и существенно уменьшить нестабильность пределов его срабатывания. Нестабильность пределов срабатывания защиты от понижения и повы0 шения выходного напряжения уменьшается в 15-20 раз по сравнению с известными стабилизаторами тока, устройство защиты которых выполнено на транзисторе.

5 Формула изобретения

Стабилизатор постоянного тока, содержащий транзисторный регулирующий элемент, силовой коллектор-эмиттерный переход которого включен последовательно

0 сдатчиком тока в потенциальную шину, расположенную между первыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки, общую шину, расположенную между вторыми выводами для

5 подключения первичного источника питания и нагрузки, дифференциальный усилитель постоянного тока, выход которого через первый резистор соединен с управляющим входом транзисторного регулирую0 щего элемента, неинвертирующий вход подключен к выходной цепи источника опорного напряжения, соединенного первым полюсом с первым выводом для подключения нагрузки, инвертирующий вход 5 к выходной цепи датчика тока, а питающие входы - к соответствующим выходам вспомогательного двухполярного источника питания, соединенного общим полюсом с первым выводом для подключения нагрузки, узел защиты от понижения выходного

напряжения и короткого замыкания, от повышения выходного напряжения и обрыва цепи нагрузки, выполненный с задержкой на срабатывание и снабженный резистор- ным делителем напряжения, включенным между соответствующим потенциальным полюсом вспомогательного двухполярного источника питания и вторым выводом для подключения нагрузки, вторым-пятым резисторами, первым и вторым диодами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе путем уменьшения нестабильности пределов срабатывания узла защиты, в последний введен операционный усилитель, причем его неинверти0

5

рующий вход соединен с выходной цепью датчика тока, а потенциальный вывод инвертирующего входа -с первыми выводами второго-четвертого резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к второму полюсу источника опорного напряжения, первому выводу для подключения нагрузки и одному из выводов первого диода, другой вывод первого диода соединен с промежуточным выводом резисторного делителя напряжения, а выход операционного усилителя подключен к управляющему входу транзисторного регулирующего элемента через последовательно включенные пятый резистор и второй диод.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры. Цель - повышение надежности работы путем уменьшения нестабильности пределов срабатывания узла защиты. Устройство построено по компенсационному принципу стабилизации тока с помощью транзисторного регулирующего элемента, управляемого по сигналам от датчика тока дифференциальным усилителем тока. Особенностью стабилизатора является использование в узле защиты от понижения выходного напряжения и короткого замыкания, от повышения выходного напряжения и обрыва цепи нагрузки операционного усилителя, на неинвертирующий вход которого подается сигнал от датчика тока, и по инвертирующему входу производится сложение сигнала, пропорционального опорному напряжению, и сигнала, зависящего от выходного напряжения. В результате обеспечивается защита от всех возможных повреждений весьма простыми средствами. Упрощенная конструкция устройства предопределяет малую нестабильность уставок срабатывания. 1 ил. сл