Стабилизирующий источник напряжения постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G05F1/563 

Изобретение относится к источникам напряжения, обеспечивающим питание стабилизированным напряжением постоянного тока различных электронных устройств (таймеров, цифровых часов и автоматов, регуляторов электродвигателей, осветительных и нагревательных приборов, устройств сигнализации и контроля физических параметров), предназначенных для работы без надзора в непрерывном круглосуточном пожаробезопасном режиме в бытовой и контрольно-измерительной технике.

Известен трансформаторный стабилизированный источник напряжения, состоящий из трансформатора, выпрямителя.

сглаживающего фильтра, регулирующего элемента, усилителя постоянного тока и измерительного элемента. Для снижения напряжения сети до уровня, необходимого для работы электронной части стабилизатора, в источнике используется трансформатор. Трансформатор, который имеет повышенную пожароопасность. низкую надежность, высокую стоимость, значительные габариты, трудоемок в изготовлении и является источником электромагнитных помех, снижает технико-экономические и эксплуатаци- онные характеристики стабилизатора напряжения.

J

N

ю

00

о ел

Известен источник напряжения параллельного типа, состоящий из трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра, гасящего резистора, регулирующего элемента, усилителя постоянного тока и измерительного элемента. Стабилизирующий источник параллельного типа обладает высокой надежностью при токовых перегрузках и коротких замыканиях на выходе и не требует применения специальных схем защиты. При этом регулирующий элемент (транзистор) переходит даже в облегченный режим и перегрузке подвергается лишь гасящий резистор.

Недостатком источника является изменение в широких пределах тока через регулирующий элемент, что увеличивает потребляемую мощность и нагрев элемента, а также снижает коэффициент стабилизации и надежность устройства. Кроме того, гасящий резистор стабилизатора рассеивает большую мощность.

Известен стабилизирующий источник напряжения с двойным регулированием. В источнике (за счет использования дополнительной цепи регулирования) осуществляет- ся стабилизация напряжения на коллекторном резисторе регулирующего транзистора независимо от установленного значения выходного напряжения. Следовательно, ток через регулирующий элемент стабилизируется с высокой точностью, что уменьшает потребляемую мощность и повышает коэффициенты полезного действия и стабилизации. Недостатком источника является его сложность и наличие трансформатора.

Известны термочувствительные конденсаторы, выполненные на основе диэлектрика с большим температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости. Материалом таких конденсаторов чаще всего служат твердые растворы тита- ната бария с другими титанэтами или оксидами.

Емкость сегнетоэлектрических конденсаторов при нагреве увеличивается и достигает максимального значения в точке Кюри, затем при дальнейшем нагреве емкость уменьшается. Точка Кюри имеет различные значения для разных типов диэлектриков, а также зависит от их состава. Крутизна характеристики С f (t°C) может составлять 1-50%°С. Слева от точки Кюри представленные сегнетоэлектрические конденсаторы имеют положительный температурный коэффициент емкости (ТКЕ), справа - отрицательный ТКЕ. В зависимости от предъявляемых требований в устройствах используется рабочий участок характеристики С f (t°C) с отрицательным или положительным ТКЕ.

Наиболее близким к предлагаемому является бестрансформаторный стабилизирующий источник напряжения, содержащий гасящий конденсатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения параллельного типа с регулирующим элементом.

0 Бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором в ряде случаев предпочтительнее трансформаторных, так как обладают высоким выходным сопротивлением выпрямителя и, следовательно.

5 не боятся коротких замыканий низковольтных цепей. При коротких замыканиях ток в нагрузке ограничивается за счет конденсатора относительно небольшим значением, практически не могущим привести к загора0 нию. Требование же пожарной безопасности для круглосуточно работающего без надзора устройства является основным. Кроме того, сам по себе конденсатор надежнее трансформатора в отношении пожар5 нойбезопа-сности,особенно

трансформатора несерийного или самодельного.

Недостатком известного устройства является большая потребляемая мощность и,

0 следовательно, низкий коэффициент полезного действия (КПД). Эт.о связано с тем, что для обеспечения стабилизированного напряжения на выходе устройства включается регулирующий элемент (транзистор или ста5 билитрон). потребляющий значительный ток. Значение тока через регулирующий элемент определяется как разность суммарного тока (тока вытекающего из фильтра) и тока нагрузки. Для обеспечения работы ре0 гулирующего элемента в диапазоне его нормальных рабочих токов суммарный ток в устройстве задается постоянным и зависит в основном от реактивного сопротивления емкости гасящего конденсатора. При изме5 нении тока нагрузки ток через регулирующий элемент изменяется в очень широких пределах (от единиц миллиампер до сотен миллиампер). В частности, при отсутствии тока нагрузки (на холостом ходу) весь сум0 марный ток перераспределяется и протекает через регулирующий элемент, что приводит к резкому увеличению рассеиваемой им мощности, значительному повышению температуры, снижению надежности и

5 КПД источника.

Кроме того, из-за изменения в широких пределах тока через регулирующий элемент напряжение его стабилизации существенно изменяется, что приводит к снижению коэффициента стабилизации известного источника напряжения. Уменьшению качества стабилизации способствует также изменение температуры регулирующего элемента при изменении тока.

Целью изобретения является повышение как качества стабилизации, так и КПД стабилизирующего источника напряжения за счет снижения нагрева регулирующего элемента и уменьшения рассеиваемой на нем мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизирующем источнике напряжения постоянного тока, содержащем выпрямитель, вход которого через гасящий конденсатор соединен с выводами для подключения сети переменного тока, сглаживающий фильтр, вход которого подключен к выходу выпрямителя, и стабилизатор напряжения параллельного типа с регулирующим элементом, включенным в выходную цепь сглаживающего фильтра между выводами для подключения нагрузки, гасящий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости и установлен в тепловом контакте с регулирующим элементом.

На фиг.1 приведены характерные зависимости емкости С f (t°) сегнетоэлектриче- ских конденсаторов на основе ВаТЮз и ВаТЮ2 - ВаЗпОз. на фиг.2 и 3 - структурная схема предлагаемого стабилизирующего источника напряжения; на фиг.4 и 5 - гасящий конденсатор с регулирующим элементом; на фиг.6-9 - графики основных сравнительных характеристик стабилизирующего источника напряжения с транзисторным регулирующим элементом.

Стабилизирующий источник напряжения постоянного тока (фиг.2) содержит выпрямитель 1, вход которого через гасящий конденсатор 2 соединен с выводами для подключения сети переменного тока, сглаживающий фильтр 3, еход которого подключен к выходу выпрямителя, регулирующий элемент 4, имеющий тепловой контакт с гасящим конденсатором 2 и выполненный в виде транзистора, являющегося составной частью стабилизатора 5 напряжения параллельного типа, в состав которого входят также балластный резистор 6. усилитель 7 постоянного тока и измерительный элемент 8.

Второй вариант стабилизирующего источника напряжения (фиг.З) состоит из выпрямителя 1, гасящего термочувствительного конденсатора 2, сглаживающего элемента 4, выполненного в виде стабилитрона и имеющего тепловой контакт с конденсатором 2. Нагрузкой стабилизирующего источника напряжения и его второй ступенью стабилизации является стабилизатор последовательного типа 5. состоящий из второго регулирующего элемента 6. усилителя постоянного тока 7 и измерительного элемента 8. 5Тепловой контакт между конденсатором 2 и управляющим элементом 4 (фиг.4 и 5) обеспечивается за счет установки конденсатора на корпусе регулирующего элемента, тугой посадки элементов конструкции и нали0 чия теплопроводящей пасты между контактирующими поверхностями конденсатора 2 и управляющего элемента 4.

Для достижения цели изобретения материал диэлектрика конденсатора 2 выбира5 ется таким, чтобы обеспечивать в рабочем диапазоне температур управляющего элемента отрицательный температурный коэффициент емкости (фиг.6). В качестве материала диэлектрика конденсатора 1 ис0 пользуют сегнетоэлектрик (.ооз Ва о.997)ТЮзс различными примесями. Начальную емкость конделсатора задают равной 32 мкф при 20°С, а температурный коэффициент емкости определяют количеством

5 примесей карбонатов калия и натрия в сег- нетоэлектрике.

Стабилизирующий источник напряжения (фиг.2) работает следующим образом. При включении источника переменное

0 входное напряжение передается через конденсатор 2 на выпрямитель 1, преобразуется им в пульсирующее однополярное напряжение, которое сглаживается фильтром 3. Сглаженное напряжение с фильтра 3

5 через балластный резистор 6 передается на управляющий элемент (транзистор) 4. При протекании тока через управляющий элемент 4 он нагревается, что за счет тепловой связи с конденсатором 2 уменьшает ем0 кость конденсатора и, следовательно, увеличивает его реактивное сопротивление. Поэтому ток через управляющий элемент 4 и ток, потребляемый от входной цепи, уменьшаются. Следовательно, мощность,

5 потребляемая от входного цепи, и мощность, потребляемая транзистором 4, также уменьшаются В результате нагрев регулирующего элемента 4 снижается, а коэффициент полезного действия и коэффициент

0 стабилизации устройства повышаются В остальном работа предлагаемого источника напряжения аналогична работе стабилизаторов параллельного типа.

Напряжение с регулирующего элемента

5 4, являющееся выходным напряжением источника, передается на вход измерительного элемента 8. Измерительный элемент 8, в состав которого входят сравнивающий делитель и источник опорного напряжения, сравнивает выходное напряжение источника с задаваемым опорным напряжением и через усилитель 7 постоянного тока изменяет сопротивление регулирующего элемента 4 до тех пор. пока выходное напряжение не установится равным заданному. При изме- нении входного напряжения (например, при его увеличении) первоначально изменяются ток через регулирующий элемент 4 и выходное напряжение источника. Увеличение тока регулирующего элемента 4 влечет увеличение его температуры и. следовательно, уменьшение (фиг.6) емкости С конденсатора 2. Причем уменьшение емкости (увеличение реактивного сопротивления) конденсатора таково, что с определенной степенью точности поддерживает постоянство тока управляющего элемента и выходное напряжение источника. Изменение выходного напряжения передается на вход измерительного элемента 8. В измеритель- ном элементе 8 выделяется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока 7 и подается на вход регулирующего элемента 4. изменяя его сопротивление таким образом, что вы- ходное напряжение источника сохраняется с определенной степенью точности.

Стабилизирующий источник напряжения (фиг.З) работает аналогично источнику (фиг.2).

При этом регулирующий элемент 4, выполненный на стабилитроне, можно рас- сматривать как вырожденный стабилизатор напряжения параллельного типа. Нагрузкой стабилизатора является вторая ступень стабилизации напряжения, представляющая собой стабилизатор 5 последовательного типа, состоящий из второго регулирующего элемента 6, усилителя 7 постоянного тока и измерительного элемента 8.

На фиг.7 представлены зависимости мощности Р, потребляемой регулирующим элементом, и нагрева этого элемента от тока нагрузки 1 при различных температурных коэффициентах емкости (ТКЕ) конденсатора. Кривые 1-3 соответствуют предлагаемому устройству, кривая 4 - прототипу.

Из фиг.7 видно, что в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом мощ- ность, потребляемая регулирующим элементом, и его температура существенно снижаются. Причем это уменьшение тем значительнее, чем больше ТКЕ. У прототипа потребляемая мощность в 2-8 раз выше, а температурный нагрев на 50-80°С больше, чем у предлаемого устройства.

На фиг.8 представлены зависимости коэффициента стабилизации Кет предлагаемого устройства и прототипа. Кривые 1-3 получены для предлагаемого устройства, кривая 4 - для прототипа. Из фиг.8 видно, что коэффициент стабилизации предлагаемого устройства в 2-20 раз выше, чем коэффициент стабилизации прототипа.

На фиг.9 представлены зависимости коэффициента полезного действия (КПД) предлагаемого устройства и прототипа. Из фиг.9 видно, что КПД предлагаемого устройства в 2-5 раз выше, чем КПД прототипа.

Таким образом, предлагаемый источник напряжения позволяет в 2-5 раз уменьшить мощность, потребляемую регулирующим элементом, и на 50-80°С снизить его нагрев, что уменьшает габариты радиатора охлаждения управляющего элемента; в 2-20 раз увеличить качество стабилизации устройства по сравнению с прототипом, что улучшает метрологические характеристики устройства и/или упрощает его электронную часть; в 2-5 раз повысить коэффициент полезного действия устройства, что позволяет снизить мощность, потребляемую от сети и уменьшить габаритно-весовые характеристики источника.

На базе предлагаемого устройства можно создавать экономичные и дешевые микросхемы стабилизаторов напряжения по гибридно-пленочной технологии. Испытания показали надежность и пожаробезопас- ность источника напряжения в непрерывном круглосуточном режиме.

Формула изобретения

1.Стабилизирующий источник напряжения постоянного тока, содержащий выпрямитель, вход которого через гасящий конденсатор соединен с выводами для подключения сети переменного тока, сглаживающий фильтр, вход которого подключен к выходу выпрямителя, стабилизатор напряжения параллельного типа с регулирующим элементом, включенным в выходную цепь сглаживающего фильтра между выводами для подключения нагрузки, отличающий- с я тем, что, с- целью повышения -КПД и качества стабилизации путем снижения нагрева регулирующего элемента и рассеиваемой на нем мощности, гасящий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости и установлен в тепловом контакте с регулирующим элементом.

2.Источник напряжения по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем. что регулирующий элемент выполнен в виде стабилитрона.

3.Источник напряжения по п.1,отличающий с я тем. что регулирующий элемент выполнен в виде транзистора.

SO

С.мкФ

Использование: в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД и качества стабилизации. Сущность изобретения: устройство состоит из последовательно включенных гасящего конденсатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения параллельного типа. Гасящий конденсатор выполнен из диэлектрика с отрицательным температурным коэффициентом емкости, установлен на корпусе регулирующего элемента и имеет с ним тепловой контакт. При протекании повышенного тока через регулирующий элемент последний нагревается и увеличивает реактивное сопротивление гасящего конденсатора. В результате уменьшаются потребляемый ток, мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе, и его нагрев. В предлагаемом устройстве реализован принцип двухступенчатой стабилизации напряжения. 2 с.п. ф-лы, 9 ил. ё

30

P.Rm

200

100

0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

. g

К/7Л,%

/О

0,0 0,05 0,12 0,16 0,2

VV.Q

Составитель В.Володарский

Техред М.МоргенталКорректор М.Пожо

Редактор А.Мотыль

Заказ 2285ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5