Стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/569 

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

Целью изобретения является упрощение стабилизатора постоянного напряжения, повышение его надежности, а также улучшение эксплуатационных характеристик путем обеспечения самовозврата схемы после срабатывания защиты по току и устранения неисправности.

На чертеже представлена схема стабилизатора постоянного напряжения.

Стабилизатор постоянного напряжения содержит включенный в одну из силовых шин транзисторный регулирующий элемент 1, источник опорного напряжения 2, первым выводом подключенный к выходному выводу 3, дифференциальный усилитель постоянного тока 4, первый вход которого подключен ко второму выводу источника

опорного напряжения 2, а второй вход - к среднему выводу первого резисторного делителя напряжения 5, крайними выводами включенного между выходным выводом 3 и общей шиной, причем выход дифференциального усилителя постоянного тока 4 через первый резистор 6 подключен к управляющему входу регулирующего элемента 1, узел защиты от перегрузок по току и коротких замыканий 7, состоящий из резисторного датчика тока нагрузки 8, включенного между выходом регулирующего элемента 1 и выходным выводом 3, операционного усилителя 9, инвертирующий вход которого подключен к среднему выводу второго резисторного делителя напряжения 10, один крайний вывод которого подключен к точке соединения регулирующего элемента 1 с датчиком тока нагрузки 8, выход операционного усилителя 9 через первый диод 11 подключен к управляющему входу регулирующего элемента 1, а также третий

tb-Ј

ON О

Ы

резисторный делитель напряжения 12, второй 13 и третий 14 резисторы и два стабилитрона 15, 16,при этом третий резисторный делитель напряжения 12 крайними выводами включен между выходным выводом 3 и общей шиной, последовательная цепочка из двух стабилитронов 15, 16 одним крайним выводом соединена с выходным выводом 3, вторым крайним выводом через второй резистор 13 - с инвертирующим входом one- рационного усилителя 9, а точка соединения стабилитронов 15,16 через третий резистор 14 - со вторым выводом источника опорного напряжения 2, кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя 9 под- ключей к среднему выводу или третьего 12, или первого 5 резисторного делителя напряжения.

В стабилизатор может быть введен второй диод 17, включенный последовательно с третьим резистором 14.

В узел защиты от перегрузок по току и коротких замыканий может быть введена цепочка, состоящая из последовательно соединенных четвертого резистора 18 и кон- денсатора 19 и включенная между инвертирующим входом операционного усилителя 9 и вторым крайним выводом последовательной цепочки из двух стабилизаторов 15. 16.

Третий резисторный делитель напряжения 12 состоит из резисторов 20, 21.

В стабилизатор напряжения может быть введен пятый резистор 22, подключенный к инвертирующему входу операционно- го усилителя 9, как показано на чертеже.

Стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

При нормальном режиме работы стабилизатора и токе нагрузки, меньшем тока срабатывания узла защиты 7, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 9 меньше, чем опорное напряжение на его неинвертирующем входе, и операционный усилитель 9 находится в первом устойчивом состоянии, при котором напряжение на его выходе положительно относительно выходного вывода 3 и имеет максимальную величину. Вследствие этого первый диод 11 закрыт и узел защиты 7 не влияет на работу стабилизатора. Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 9 относительно выходного вывода 3 определяется падением напряжения на датчике тока нагрузки 8, напряжени- ем на верхнем плече второго резисторного делителя выходного напряжения 10 и сопротивлением второго резистора 13, а напряжение на неинвертирующем входе - соотношением сопротивлений резисторов

20 и 21 третьего резисторного делителя выходного напряжения 12, Напряжение на верхнем плече третьего резисторного делителя выходного напряжения 12 является опорным напряжением для узла защиты по току 7.

При перегрузке стабилизатора по току или коротком замыкании нагрузки падение напряжения из датчике тока нагрузки 8 и соответственно напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 9 увеличивается, тогда как напряжение на его неиивертирующем входе остается неизменным, вследствие чего напряжение на выходе операционного усилителя 9 понижается и становится отрицательным относи тельно выходного вывода 3 стабилизатора, первый диод 11 открывается и ток с выхода дифференциального усилителя постоянного тока 4 наминает протекать через первый диод 11, При этом напряжение на управляющем входе регулирующего элемента 1 понижается, регулирующий элемент 1 под- запирается, выходное напряжение и ток нагрузки стабилизатора уменьшаются. При уменьшении выходного напряжения одновременно уменьшаются напряжения на верхнем плече второго 10 и третьего 12 резисто рных делителей напряжения, причем эти напряжения оказываются такой ве- личины, что ток нагрузки уменьшается практически линейно и пропорционально выходному напряжению стабилизатора и устанавливается на весьма низком уровне (однако схема не опрокидывается).

При коэффициенте передачи третьего резисторного делителя напряжения .выбранном произвольно, необходимый коэффициент передачи второго резисторного делителя напряжения 10 устанавливается при настройке тока срабатывания защиты, а необходимое соотношение между указанными коэффициентами передачи устанавливается автоматически.

Таким образом при сопротивлении нагрузки, меньшем чем сопротивление срабатывания защиты, регулирующий элемент 1 практически закрыт, выходное напряжение и остаточный ток нагрузки стабилизатора близки к нулю. Наличие остаточного тока, величина которого определяется сопротивлением второго резистора 13, предотвращает опрокидывание схемы и при незначительном увеличении сопротивления нагрузки схема возвращается в исходное состояние.

Прм наличии в схеме четвертого резистора 18 и конденсатора временной задержки 19 узел защиты 7 работает аналогично. Отличие заключается в том, что срабатывание защиты происходит с задержкой по времени.

При введении в стабилизатор пятого резистора 22 (при наличии четвертого резистора 18 и конденсатора 19} функцио- нальные возможности схемы расширяются. В этом случае отличия в работе стабилизатора заключаются в следующем.

При перегрузке по току или коротком замыкании нагрузки и уменьшении выход- ного напряжения стабилизатора напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 9 уменьшается и становится равным нулю, тогда как напря- жение на его инвертирующем входе, обус- ловленное наличием пятого резистора 22, остается положительным относительно выходного вывода 3 и определяется соотношением сопротивлений второго 13 и пятого 22 резисторов. Вследствие этого при возник- новении неисправности операционный усилитель 9 переходит во второе устойчивое состояние, при котором напряжение на его выходе имеет наибольшее по величине отрицательное значение относительно выход- ного вывода 3, регулирующий элемент 1 запирается и схема опрокидывается. В этом режиме регулирующий элемент 1 полностью закрыт, выходное напряжение и ток нагрузки стабилизатора равны нулю.

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

При введении пятого резистора 22 чет- вертый резистор 18 и конденсатор 19 служат для предотвращения опрокидывания схемы при включении стабилизатора или при его кратковременных перегрузках по току. При этом, если время действия пере- грузки по току меньше времени заряда конденсатора 19, схема не опрокидывается и после окончания перегрузки переходит в нормальный режим работы или возвращается в исходное состояние,

Следует отметить некоторые особенности стабилизатора. Третий резистор 14 служит для обеспечения надежного запуска стабилизатора после подачи на него входного и вспомогательного питающих напря- жений. Запуск осуществляется подачей через третий резистор 14 напряжения от стабилитрона 15 на инвертирующий вход дифференциального усилителя постоянного тока 4. Введение второго диода 17 позво- ляет устранить влияние напряжения стабилитрона 15 на источник опорного напряжения 2 при нормальном режиме работы стабилизатора, если напряжение стабилизации стабилитрона 15 выбрано

меньшим, чем напряжение опорного источника 2.

При подключении неинвертирующего входа операционного усилителя 9 к среднему выводу первого резисторного делителя выходного напряжения 5 третий резистор- ный делитель выходного напряжения 12 может быть исключен из схемы стабилизатора. РСН.О,ВНЫМИ особенностями стабилизатора являются введение второго ТО и третьего 12 резиеторных делителей выходного напряжения и подключение к их среднему выводу входов операционного усилителя 9, использование в качестве опорного напряжения в узле защиты 7 части выходного напряжения стабилизатора, а также разделение цепей питания операционного усилителя 9 и источника опорного напряжения 2 цепи обратной связи стабилизатора.

Это позволило расширить функциональные возможности стабилизатора путем обеспечения самовозврата схемы в исходное состояние после устранения перегрузки по току или короткого замыкания, исключить броски тока через регулирующий элемент 1 при включении стабилизатора, а также упростить узел защиты по току 7 и повысить надежность стабилизатора - увеличить время наработки на отказ на 10-15% по сравнению с известными стабилизаторами.

Указанное построение узла защиты по току введением дополнительно второго 13, четвертого 18 и пятого 22 резисторов и конденсатора временной задержки 19 обеспечивает также опрокидывание стабилизатора при возникновении неисправности в цепи нагрузки.

Целесообразность разделения цепей питания операционного усилителя 19 и источника опорного напряжения 2 определяется тем, что при использовании в качестве источника опорного напряжения стабилитрона 15 нестабильность и пульсации выходного напряжения имеют большую величину а при питании операционного усилителя 9 от источника опорного напряжения 2 не обеспечивается запирание регулирующего элемента 1 и остаточный ток короткого замыкания имеет весьма большую величину. В предлагаемом стабилизаторе указанное разделение цепей обеспечивает существенное уменьшение нестабильности и пульсаций выходного напряжения, а также полное запирание регулирующего элемента 1 при неисправностях в цепи нагрузки.

Еще одной особенностью стабилизатора является введение третьего резистора 14, что позволило обеспечить надежный запуск стабилизатора. Необходимость цепи

запуска объясняется тем, что без нее в первый момент времени после подачи на стабилизатор входного напряжения до появления выходного напряжения стабилизатора оба входа дифференциального усилителя постоянного тока 5 оказываются под нулевым потенциалом и стабилизатор может не запуститься.

Формула изобретения 1. Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий включенный в одну из силовых шин транзисторный регулирующий элемент, источник опорного напряжения, первым выводом подключенный к выходному выводу, дифференциальный усилитель постоянного тока, первый вход которого подключен к второму выводу источника опорного напряжения, а второй вход - к среднему выводу первого резисторного делителя напряжения, крайними выводами включенного между выходным выводом и $эбщей шиной, причем выход дифференциального усилителя постоянного тока через первый резистор подключен к управляющему входу регулирующего элемента, узел защиты от перегрузок по току и коротких замыканий, состоящий из резисторного датчика тока нагрузки, включенного между выходом регулирующего элемента и выходным выводом, операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к сред- нему выводу второго резисторного делителя напряжения, один крайний вывод которого подключен к точке соединения регулирующего элемента с датчиком тока нагрузки, выход операционного усилителя через первый диод подключен к управляющему входу регулирующего элемента, о т л- ичающийся тем что, с целью упрощения, повышения надежности и улучшения эксплуатационных характеристик, в него вве5 дены третий резисторный делитель

напряжения, второй и третий резисторы и два стабилизатора, при этом третий резисторный делитель напряжения крайними выводами включен между выходным выво0 дом и общей шиной, последовательная цепочка из двух стабилитронов одним крайним выводом соединена с выходным выводом, вторым крайним выводом через второй резистор с инвертирующим входом

5 операционного усилителя, а точкой соединения стабилитронов через третий резистор - с вторым выводом источника опорного напряжения, кроме того, неинвертирующий i вход операционного усилителя подключен Г

0 среднему выводу третьего или первого резисторного делителя напряжения,

2.Стабилизатор по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в него введен второй диод,

5 включенный последовательно с третьим резистором.

3.Стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения временной задержки при срабатывании за0 щиты, в узел защиты от пеаегрузок по току и коротких замыканий введена цепочка из последовательно соединенных четвертого резистора и конденсатора, включенная между инвертирующим входом операцТюнного

5 усилителя и вторым крайним выводом последовательной цепочки из двух стабилитронов.

Использование: при проектировании источников электропитания различной аппаратуры. Сущность изобретения; устр-во содержит включенный в одну из силовых шин регулирующий элемент, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель постоянного тока, два резисторных делителя напряжения и узел защиты от перегрузок и к.з. В устр-во введены третий резистивный делитель напряжения и последовательная цепочка из двух стабилитронов. Это упрощает схему по сравнению с прототипом. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.