Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании источников вторичного электропитания.

Известны стабилизаторы постоянного напряжения, обладающие малой мощностью рассеяния регулирующего элемента и высоким качеством выходного напряжения.

В одном из известных стабилизаторов (см. авт. св. № 832543, кл. G 05 F 1/56, 1978) мощность рассеяния регулирующего элемента уменьшена путем разделения коллекторных и эмиттерных выходных цепей его силового, согласующего и управляющего транзисторов с помощью полупроводникового элемента и ограничительного резистора. Недостатком данного стабилизатора является невысокое качество выходного напряжения.

В другом известном стабилизаторе (см. авт. св. № 593204,, кл. G 05 F 1/56, 1976), включающем регулирующий элемент, усилитель обратной связи, выполненный на входном и выходном транзисторах по дифференциальной схеме, опорный элемент и резистивный делитель выходного напряжения, качество выходного напряжения улучшено путем подключения коллектора входного транзистора к части верхнего плеча делителя выходного напряжения. НедоVI00 О

5

00

статками указанного стабилизатора являются большая мощность рассеяния регулирующего элемента и сложность проектирования и настройки из-за необходимости подбора величины сопротивления резистора верхне- го плеча делителя выходного напряжения.

Наиболее близок к предлагаемому является компенсационный стабилизатор (см. авт. св. № 1711133, кл. G 05 F 1/56, 1989) постоянного напряжения, содержащий регулирующий элемент на силовом и согласующем транзисторах одного типа проводимости и управляющем транзисторе другого типа проводимости, причем коллектор управляющего транзистора через по- следовательно соединенные переходы база-эмиттер согласующего и силового транзисторов подключен ко входному выводу, эмиттер непосредственно Соединен с коллектором согласующего транзистора, через полупроводниковый элемент - с коллектором силового транзистора и выходным выводом, а через ограничительный резистор - с общей шиной, база подключена к выходу узла запуска, к.коллектору транзи- стора токозадающего элемента, включающего в себя также выравнивающий резистор, и коллектору выходного транзистора усилителя постоянного тока, выполненного по дифференциальной схеме и включающего в себя также входной транзистор, эмиттерный резистор, источник опорного напряжения и делитель выходного напряжения,

Данный стабилизатор обладает малой мощностью рассеяния регулирующего элемента за счет разделения коллекторных и эмиттерных выходных цепей силового, согласующего и управляющего транзисторов, а также улучшенным качеством выходного напряжения из-за питания базовой цепи управляющего транзистора через токозадаю- щий элемент выходным стабильным напряжением.

Однако существенными недостатками данного стабилизатора являются: недоста- f о чно| высокое качество выходного напряжения, сложность проектирования и настройки, низкая технологичность производства, особенно при микроэлектронном исполнении, а также повышенное минимальное падение напряжения. Первый недостаток объясняется тем, что требуемое качество выходного напряжения при дестабилизирующих факторах достигается путем соответствующего изменения проводимости регулирующего элемента под воздействием только выходного сигнала усилителя постоянного тока. А по той причине, что из-за разброса параметров транзисторов

регулирующего элемента, широких елов изменения питающего напряжения нагрузки и т.д. значительно меняется величина базового тока управляющего транзистора, возникает большое неравфн- ство эмиттерных токов входного и выходного транзисторов усилителя постоянного тока. Это приводит к затруднению проектирования, т.к. при проектировании необходимо учитывать все перечисленные факторы, влияющие на режим работы входного и 6ы- ходного транзисторов, к сложности настройки и низкой технологичности по той причине, что для получения необходимых стабилизирующих свойств требуется пбд- стройка или технологическая подгонка элементов стабилизаторов, а также к невозможности получения достаточно ма|ю- го значения минимального падения напряжения, т.к. при достижении минимального падения напряжения токозад ю- щий элемент и усилитель постоянного тока выходят из нормального режима работы, Нарушается нормальный режим работы scfero стабилизатора.

Цель изобретения - повышение каче:ст- ва выходного напряжения, упрощение проектирования и настройки, улучшение технологичности производства и снижение минимального падения напряжения без усложнения схемы.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсационном стабилизаторе янного напряжения, содержащем регулирующий элемент, выполненный на силово м и согласующем транзисторах одного типа проводимости и управляющем транзисторе другого типа проводимости, причем коллектор управляющего транзистора через последовательно соединенные переходы база-эмиттер согласующего и силового транзисторов подключен ко входному выводу, эмиттер непосредственно соединф с коллектором согласующего транзистора через полупроводниковый элемент - с колЛек- тором силового транзистора и выходйым выводом, а через ограничительный р4зи- стор - с общей шиной, база подключена к выходу узла запуска, к коллектору трайзи- стора токозадающего элемента, вклкфю- щего в себя также выравнивающий резистор, и к коллектору выходного стора усилителя постоянного тока, вьфол- ненного по дифференциальной схеМе и включающего в себя также входной трайзи- стор, эмиттерный резистор, источник опорного напряжения и делитель выходного напряжения, коллектор входного транзистора усилителя постоянного тока через выравнивающий резистор подключен к

выходному выводу и эмиттеру транзистора окозадающего элемента и непосредственно соединен с базой транзистора токозадающего элемента.

При всех дестабилизирующих факторах на проводимость регулирующего элемента воздействует не только усилитель постоянного тока, но и токозадающий элемент. В этих условиях с помощью выравнивающего резистора уравниваются эмиттерные токи входного и выходного транзисторов усилителя постоянного тока. А в случае снижения питающего напряжения и достижения минимального падения напряжения на регулирующем элементе величение базового тока управляющего транзистора вызывает увеличение коллекорного тока транзистора токозадающего элемента на такую же величину, при этом сохраняется нормальная работа элеменов стабилизатора.

Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил аналогичных технических решений.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого компенсационного стабилизатора постоянного напряжения.

Предлагаемый компенсационный стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий элемент, выполненный на силовом 1, согласующем 2 и управляющем 3 транзисторах, полупроводниковый элемент 4, ограничительный резистор 5, усилитель постоянного тока, включающий входной 6 и выходной 7 транзисторы, эмит- терный резистор 8, источник 9 опорного на- пряжения и делитель 10 выходного напряжения, атакже транзистор 11 и выравнивающий резистор 12 токозадающего элемента, делитель 13 входного напряжения и диод 14 запускающего узла.

Коллектор управляющего транзистора 3 через последовательно включенные переходы база-эмиттер согласующего 2 и силового 1 транзисторов соединен с входным выводом, эмиттер его непосредственно подключен к коллектору согласующего транзистора 2, через ограничительный резистор 5 соединен с общей шиной, а через полупроводниковый элемент 4 соединен с коллектором силового транзистора 1 и с выходным выводом. База управляющего транзистора 3 подключена к выходу узла запуска (13, 14), коллектору выходного транзистора 7 усилителя постоянного тока и коллектору транзистора 11 токозадающего элемента. База выходного транзистора 7 подключена к выходу делителя 10 выходного напряжения, эмиттер через эмиттерный резистор 8

соединен с общей шиной и непосредственно подключен к эмиттеру входного транзистора 6, база которого соединена с выходом источника 9 опорного напряжения. Коллектор входного транзистора 6 через выравнивающий резистор 12 подключен к эмиттеру транзистора 11 токозадающего элемента и выходному выводу и непосредственно соединен с базой транзистора 11 токозадающего элемента.

Предлагаемый компенсационный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом. Включение его

происходит с помощью узла запуска, который может быть выполнен по различным приемлемым схемам, В приведенной схеме в момент включения через диод 14 с выхода делителя 13 входного напряжения протекает запускающий базовый ток управляющего транзистора 3. Далее диод 14 запирается, и узел запуска не влияет на работу стабилизатора. При дестабилизирующих факторах выходное напряжение поддерживается на

заданном уровне за счет соответствующего изменения проводимости регулирующего элемента под воздействием сигналов, поступающих с выходов усилителя постоянного тока и токозадающего элемента.

Происходит это следующим образом. Например, при повышении питающего напряжения несколько увеличивается и выходное напряжение. Это вызывает увеличение проводимости выходного транзистора 7

усилителя постоянного тока, снижение проводимости входного транзистора 6 и, как следствие, снижение проводимости транзистора 11 токозадающего элемента. В результате базовый ток управляющего транзистора 3 уменьшается как за счет увеличения коллекторного тока выгодного транзистора 7 усилителя постоянного тока, так и за счет снижения коллекторного тока транзистора 11 токозадающего элемента.

Т.е. проводимость регулирующего элемента снижается в значительно большей степени, а выходное напряжение увеличивается в значительно меньшей степени. Таким образом качество выходного напряжения повышается. Одновременно с помощью выравнивающего резистора 12 обеспечивается примерное равенство эмиттерных токов входного 6 и выходного 7 транзисторов усилителя постоянного тока. Величина сопротивления выравнивающего резистора 12 выбирается из условия:

Цэбп UQ - Цэбб Ri2 2 R8

где иэбп, U366 - напряжения переходов эмиттер-база транзисторов 11 и 6;

Ug - выходное напряжение источника опорного напряжения 9;

RS - сопротивление эмиттерного резистора 8.

В результате обеспечивается дополнительное улучшение качества выходного напряжения, а также упрощение проектирования, настройки и улучшение технологичности производства. Это объясняется тем, что при выборе величины сопротивления выравнивающего резистора 12 по приведенной формуле улучшается режим работы усилителя постоянного тока, и этот режим не зависит от разброса параметров транзисторов 1, 2, 3 регулирующего элемента, режима работы стабилизатора и т.д. Т.е. изменения базового тока управляющего транзистора 3 даже в больших пределах не приводят к изменению коллекторного тока выходного транзистора 7 (не ухудшается режим работы усилителя постоянного тока), т.к. на такую же величину меняется коллекторный ток транзистора 11 токозадающего элемента. Качество выходного напряжения остается высоким без подбора или подгонки элементов стабилизатора. Из вышеизложенного следует, что в предложенном стабилизаторе снижается также минимальное падение напряжения, поскольку режим пониженного питающего напряжения сопровождается увеличением базового тока управляющего транзистора 3 регулирующего элемента, а это, как было приведено выше, не нарушает режим работы стабилизатора. В вышеуказанном положительную роль играет полупроводниковый элемент 4, который одновременно с выполнением основной функции, заключающейся в разделении коллекторной цепи силового транзистора 1, коллекторной цепи согласующего транзистора 2 и эмиттерной цепи управляющего транзистора 3, что снижает минимальное падение напряжения и мощность рассеяния силового транзистора 1, обеспечивает стабильное напряжение на переходе коллектор-эмиттер транзистора 11, значительно повышая его коэффициент передачи тока.

Таким образом, получен компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, обладающий одновременно малой мощностью рассеяния регулирующего элемента за счет уменьшенной величины минимального падения напряжения, высоким качеством выходного напряжения, простотой проектирования, настройки и улучшенной технологичностью производства.

Экспериментальные исследования подтвердили положительные качества предлй- гаемого компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. По сравнению

прототипом в 50 раз уменьшены нестабильность и пульсация выходного напряжения;в 1,6 раза снижено минимальное падение напряжения, упрощены проектирование и настройка стабилизатора, обеспеченны

0 условия для улучшения, технологичности производства при сохранении высоких выходных характеристик.

В стабилизаторе с выходным напряжением 15 В и током 1 А получены: нестабиль5 ность выходного напряжения при изменении питающего напряжения менее 0,001%, пульсация выходного напряжения менее 10 мкВ (коэффициент сглаживания пульсации более 500000), минимальное па0 дение напряжения 0,12 В.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано для миниатюризации источников вторичного электропитания.

5

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я ; Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий элемент, выполненный на силовом и

0 согласующем транзисторах одного типа проводимости и управляющем транзисторе другого типа проводимости, причем коллектор управляющего транзистора через последовательно соединенные переходы

5 база-эмиттер согласующего и силового

. транзисторов подключены к входному выбоду, эмиттер непосредственно соединен;с

коллектором согласующего транзистора, ч(ерез полупроводниковый элемент - с коллёк0 тором силового транзистора и выходным выводом, а через ограничительный резистор - с общей шиной, база подключена: к выходу узла запуска, к коллектору транзистора токозадающего элемента, включак)5 щего в себя также выравнивающий резистор, и к коллектору выходного транзистора усилителя постоянного тока, выполненного по дифференциальной схеме; и включающего в себя также входной транз|и0 стор, эмиттерный резистор, источник опорного напряжения и делитель выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения, упрощения проектирования

5 и настройки, улучшения технологичности производства и снижения минимального падения напряжения без усложнения схемы, коллектор входного транзистора усилителя постоянного тока через вырдв- нивающий резистор подключен к выходному выводу и эмиттеру транзистора токоза- динен с базой транзистора токозадающего дающего элемента и непосредственно сое- элемента.

Использование: в качестве вторичного источника электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит последовательный регулирующий элемент на силовом, согласующем и управляющем транзисторах, полупроводниковый элемент, включенный между выходным выводом и коллектором согласующего транзистора, соединенного с эмиттером управляющего транзистора, токозадающий элемент на транзисторе и выравнивающем резисторе, усилитель постоянного тока, выполненный по дифференциальной схеме. В устройстве коллектор входного транзистора усилителя через выравнивающий резистор подключен к выходному выводу и эмиттеру транзистора токозадающего элемента и непосредственно соединен с базой транзистора токозадающего элемента. Такое построение схемы позволяет повысить качество выходного напряжения, упростить проектирование и настройку, улучшить технологичность производства и снизить мини- мальное падение напряжения без усложнения схемы. 1 ил.

.этс.