Стабилизатор постоянного тока Советский патент 1980 года по МПК G05F1/56 

(54) СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве высокостабильного биполярного источника тока и преобразователя напряжения в ток.

Известно устройство дан стабилизации тока, использующее свойства транзисторного каскада с общей базой 1 .

Однако известное устройство не обладает достаточной точностью стабилизации тока.

Известен стабилизатор тока, содержащий усилитель постоянного тока, орган сравнения, регулирующий элемент, выполненный на биполярном транзисторе, база которого соединена с выходом.усилителя постоянного тока, эталон- jj ный резистор, один вьюод которого заземлен, а второй через нагрузку стабилизатора соединен ( эмиттером регулирующего транзистора {2.

Однако известный стабилизатор тока имеет тот недостаток, что при больщом диапазоне м изменения напряжения на нагрузке и зтапонном резисторе, напряжение на выходе усилителя постоянного тока также должно меняться в большом диапазоне.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является стабилизатор постоянного тока, содержащий усилитель постоянного тока, орган сравнения, последовательный регулирующий элемент, вьшолненный по двухтактной схеме на двух транзисторах разного типа проводимости, и эталонный резистор, один зажим которого заземлен, а другой через нагрузку подключен к выводу для подключения к среднему полюсу источника входного напряжения, причем коллектор п-р-п транзистора регулирующего элемента соединен с выводом для подключения положительного полюса источника входного напряжения, а коллектор р-п-р транзистора - с вьгаодом для подключения отрицательного полюса источника входного напряжения 3.

Однако известный стабилизатор постоянного тока обладает недостаточной стабильностью тока.

В известном стабилизаторе тока транзисторы регулирующего элемента включены по схеме с общим эмиттером. При таком включении регулирующий элемент инвертирует напряжение на зталоином резисторе, в стабшшзаторе необходим усилитель постоянного тока без инверсии фазы. Поэтому известный стабилизатор тока неустойчив в работе, особенно при применении усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиле1шя по напряжению. Для обеспечения устойвдвой работы стабилизатора требуется подключение к усилителю постоянного тока специальных компенсирующих цепей, которые сильно изменяют форму частотнофазовой характеристики усилителя постоянного тока. В результате, например, при использовании известного стабилизатора тока в качестве биполярного преобразо:вателя напряясения в ток сужается частотный даапазон работы преобразователя, увеличивается погрешность преобразования. Целью изобретения является увеличение точности стабилизации тока. Указанная цель достигается тем, что в известном стабилизаторе тока базы транзисторов регулирующего элемента заземлены, -а эмит теры соединены с выходом усилителя постоянн го тока, причем общая точка эталонного резист ра и йагрузки через резистор органа сравнения подключена к инвертирующему входу усилителя постоянного тока. На чертеже приведена электрическая схема стабилизатора постоянного тока. Коллектор п-р-п транзистора 1 двухтактного регулирующего элемента 2 соединен с положительным полюсом источника входного напряжения 3, отрицательный полюс которого подключен к коллектору р-п-р транзистора 4 регулирующего элемента 2. Средний вывод источника входного напряжения 3 через нагрузку стабилизатора 5 и эталонный резистор 6 соединен с землей. Базы транзисторов 1 и 4 заземлены. Между точкой соединения нагрузки стабилиз тора 5 с эталонным резистором 6 и подвижным контактом резистора установки опорного напря жения 7 включен делитель напряжения на резис торах В и 9, образующий орган сравнения напр жения На эталонном резисторе и источнике опо ного напряжения. Общая точка резисторов 8 и подключена к инвертирующему вх.ору усилител постоянного тока 10, Неинвертирующи.й вход усилителя постоянного тЬка заземлен. Выход усилителя постоянного тока соединен с эмиттерами транзисторов регулирующего элемента. Средний вьтод резистора установки опорного напряжения 7 заземлен, а два крайних соединены с положительным источника положительного опорного напряжения 11 и отрицательным полюсом источника отрицательного опорного напряжения 12 соответственно. Отрицательный полюс источника 11 иположител тельный полюс источника 12 заземлены. Стабилизатор тока представляет собой стайшизированный усилитель напряжет1Я, выход-. libiM напряжением которого является напряжение на эталонном резисторе U , а входным - опорное напряжение стабилизатора и, причем коэффициент передачи усилителя К..,-р стабилизирован отрицательной обратной связью: - W где RQJ, - сопротивление резистора обратной связи 8; R - сопротивление резистора 9 и соответствующей части резистора 7; р, R . К - собственный коэффициент усиления усилителя постоянк гр тока 10. При больщом значении К Нагрузка стабилизатора тока 5 R включена последовательно с эталонным резистором 6 R . При постоянном опорном напряжении UQ цепь обратной связи с определенной ста- , тической ощибкой поддерживает постоянным напряжение Ug.. Так как сопротивление эталенного резистора R постоянно, то остается постоянным и . через R. , который протекает одновременно и через Rц: %п„ . ST-R 3 -л -V3 -JSiMP КПЭР -on н--эт -ос- ft V ROC -эт R,, . ц - гдеЗд - - ток обратной связи через резистор; . условное обозначение сопротивлеЭТ Ov ния параллельного соединения резисторов Я--. и R.. Из последнего выражения видно, что ток через нагрузку стабилизатора пропорционален опорному напряжению стабилизатора, и данный , стабилизатор тока можно использовать в качест не преобразователя напряжения в ток. В этом случае вместо опорного напряжения использует-, ся напряжение управления преобразователем. Точность, стабилизации напряжения на эталонном резисторе и тока в нагрузке определяется собственным коэффициентом усиления усилителя постоянного тока и параметрами транзисторов регулирующего элемента. Стабилизатор работает следующим образом. При положительном направлении тока в нагрузке стабилизатора 5 ток {+3) от положительного полюса источника входного напряжения 3 протекает через цепь коллектор-эмиттер п-р-п транзистора 1, выход усилителя постоянн го тока 10, источник питания усилителя (на чертеже не показан), средний вывод которого заземлен, в зталонный резистор 6 и нагрузку стабилизатора 5. С нагрузки ток поступает .на средний вывод источника входного напряжения 3. При протекании тока через эталонный резистор на нем выделяется отрицательное напряжение . ). С подвижного контакта резистора 7 при положительном, направлении тока в нагрузке снимается положительное опорное напряжение (+UQ) Напряжения {+ и 3j) сравниваются схемой сравнения на резисторах 8 и 9 и их разность положительного знака поступает на инвертирующий вход усилителя постоянного тока 10. Усиленное напряжение на выходе усилителя постоянного тока но обратное по знаку, поступает на эмиттер транзистора 1. Изменение тока эмиттера транзистора 1 приводит к изменению тока коллектора этого транзистора. Изменение величины тока, протекающего через эталонный резистор . и нагрузку компенсируется с заданной точностью за счет соответствующего изменения велич ны тока коллектора транзистора 1.. Например, при увеличении входного напряжения или уменьшении сопротивления нагрузки, увеличение тока положительного направления через нагрузку и эталонный резистор приведет к уве личению Ug, . Разность напряжений U О поступает на инвертирующий вход усилителя постоя ного тока. Приращение напряжения на выходе усилителя постоянного тока положительного знака с заданной точностью уменьшит ток эмиттера транзистора 1, так чтобы с заданной точностью восстановилось равенство: Rg. При положительном направлении тока в нагрузке транзистор 4 закрыт. При отрицательном направлении тока в нагрузке ток - 3 от среднего вывода источника входного напряжения 3 через нагрузку поступа ет в эталонный резистор 6. С эталонного резис тора через источник питания усилителя постоян ного тока, средний вывод которого заземлен, выход усилителя постоянного тока, цепь эмиттер-коллектор р-п-р транзистора 4 ток проходит на отрицательный полюс источника входного напряжения. При протекании тока через эталонный резис тор на нем выделяется положительное напряжение (+Ug.j. ). С подвижного контакта резистора при отрицательном направлении тока в нагрузке снимается отрицательное опорное напряжение (-U ). Напряжения (-U. ) и (+Ua,.) сравнйваются схемой сравнения на резисторах 8 и 9 и их разность отрицательного знака поступает на инвертирующий вход усилителя постоянного тока 10. Усиленное напряжение на выходе усилителя постоянного тока, но обратное по знаку, поступает на эмиттер транзистора 4. Изменение тока эмиттера транзистора 4 приводит к изменению тока коллектора этого транзистора. Изменение величины тока (-3), протекающего через эталонный резистор и нагрузку,компенсируется с заданной точностью за счет соответствующего изменения величины тока коллектора транзистора 4. При отрицательном направлении тока в нагрузке транзистор 1 закрьтт. Регулирующий элемент в стабилизаторе тока не дает усиления по току. Поэтому усилитель постоянного тока должен быть достаточно мощным. Максимальный выходной ток усилителя должен быть не меньше максимального тока в нагрузке стабилизатора. Например, его можно выполнить на операционном усилителе, выход которого умощнен двухтактным эмиттерным повторителем на двз транзисторах различного, типа проводимости. Для улучшения КПД стабилизатора тока выходной каскад усилителя постоянного тока можно эапитать от отдельного низковольтного источника питания напряжением в несколько вольт, так как необходимое выходное напряжение усилителя невелико и равно напряжению между эмиттером и базой одного из транэис- , торов регулирующего элемента. Коэффициент стабилизации тока нагрузки J., стабилизатора при изменении тока коллектора . транзистора регулирующего элемента под воздействием дестабилизирующих факторов определяется следующим выражением: К .Р - -КЭТ//ДОС ) де Д Dj - изменение тока коллектора соответствующего транзистора при разомкнутой цепи обратной связи; -изменение тока нагрузки стабилиза; тора при замкнутой цепи обратной -коэффициент усиления по току и,: схеме с общим эмиттером; - объемное сопротивление базы; . -дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; -параметры открьггого транзистора. Аналогичным выражением описывается Kj,.. ля H3BecTHorofстабилизатора прототипа. Выраения для К{ для данного и известного табилизаторов совпадают по той простой причине. 7 trro для управления регулирующими транзисторами требуется одно и то же напряжение на выходе усилителя постоянного тока, равно напряягенкю между базой и эмиттером. В известном стабилизаторе током управления регулирующим транзистором является ток базы данном стабилизаторе - ток эмиттера Д равный (1 () ДЗ входные сопротивления регулирующих транзисторов fg тоже отличаются в (1+) раз и соответственно равны для известиэго стабилизатора зисторов регулирующего элемента в данном стабилизаторе равна: и . СТ К где А - изменение обратного тока коллектора закрытого транзистора в схеме с общей базой. Ддя известного стабилизатора тока абсолютная нестабильность тока нагрузки стабилизатора записьгаается выражением: