Стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

1

Изобретение относится к области электропитания и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания аппаратуры связи и метрологии. Известны полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения с самозащитой от перегрузок, содержащие регулирующий элемент на составном транзисторе, выходные и согласующие транзисторы которого включены последовательно с нагрузкой, устройство обратной связи(включающее транзисторный усилитель постоянного тока, опорный элемент .на стабилитроне и резисторе, резистивный делитель выходного напряжения), и устройство §апуска l.

Недостатком известных стабилизаторов является значительная величина (2-4 в) минимально допустимого (для нормальной работы стабилизатора) падения напряжения на регулирующем элементе - параметра в значительной степени определяющего КПД и способы практического использования низковольтных стабилизаторов напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор, обеспечивающий минимально возможную величину (1-1,5 в) падения напряжения на регулирующем элементе, который представляет собой полупроводниковый стабилизатор постоянного напряжения линейного типа с самозащитой от перегрузок, содержаний регулирующий элемент, на двух транзисторах одного типа проводимости, один из которых

0 (выходной) подключен последовательно с нагрузкой эмиттером ко входному выводу, а коллектором - к выходному выводу стабилизатора, а другой (согласующий транзистор) подключен

5 параллельно входу стабилизатора

(эмиттером к базе выходного .транзистора, а коллектором через токоогра чичительный .резистор - к общей шнне стабилизатора), устройство обратной .

0 связи, включающее усилительный транзистор с типом проводимости, противоположным типу проводимости согласующего транзистора, опорный .элемент на стабилитроне и резисторе, резис5тивный делитель выходного напря.жения. Выход устройства обратной связи (коллектор усилительного транзистора) связан с управляющим входом регулирующего элемента (базой сог0 яасующего транзистора) L21.

Однако Стабилизатор имее значительные потери мощности в цепи согласующего транзистора, сравнимые с мощностью,. теряемой на вьаходном транзисторе, и как следствие этого недостаточно высокий КПД.

Цель изобретения - повышение КПД стабилизаторов. ,.

Поставленная цель достигается введением в стабилизатор диода, делителя входного напряжения и ключевого элемента, имеющего входной, выходной, опорный и общий выводы, при этом указанный диод включается между коллектором согласующего транзистора и выходньш выводом стабилизатора в проводящем направлении, входной вывод ключевого элемента подключен к средней точке делителя входного напряжения, опорный вывод к выходному выводу стабилизатора, общий вывод - к общей шине стабили;затора, а выходной вывод - к тому концу токоограничивающего резистора, ,который не связан с коллектором согласующего транзистора.

Сущность состоит в обеспечении автоматического подключения коллекторной цепи согласующего транзистора последовательно с нагрузкой при превышении входным напряжением некоторого мин11мального значения, что существенно уменьшает мощность, теряемую в стабилизаторе, а в конечном итоге, повышает КПД, уменьшает габариты стабилизаторов постоянного напряжения с самозащитой от перегрузок,

На чертеже приведена схема предлагаемого стабилиз атора.

Стабилизатор содерекит выходной регулируияций транзистор 1, согласуюВД1Й транзистор 2, токоограничительный резистор 3, устройство 4 обратной связи (включающее транзисторный усилитель постоянного тока, опорный элемент и делитель выходного напряг жения), диод 5, ключевой элемент 6, делитель 7 входного напряжения, нагрузку 8,

Устройство работает следукяцйм образом.

Известно, что КПД линейных стабилизаторов постоянного напряжения (при работе их в условиях изменения входного напряжения Ug, в определенных пределах) определяется отношени м выходной моиуюсти РВЫХ к максимально возможной входной (потребляемой) мощности Pey. соответртвунпцей максимально возможному входному напряжению .макс Для стабилизаторов, в которых выходные транзисторы включены последовательно С нагрузкой, а согласующие (через переход база-эмиттер выходных транзисторов )| - параллельно входу, мощность Рв такс определяется произведением напряжения и вч. иа сумму тока

нагрузки 3ц и тока коллектора D с согласующего транзистора, т.е.

6%. макс . максЛ.н ) КПР- - .BbiitJH бы% ЭИ.ГАОШС. и у аксРй+ с 8.alкc.()

где Ugjj, - выходное напряжение стабилизатора.

Следовательно, КПД таких стабилизаторов (при заданных и

и 3

н

Bbi/

определяется величинами напряжения Ug.,o,v.(, и тока D..

В практических схемах стабилизаторов (с использованием выпускаемых промышленностью.мощных транзисторов) ток Dp может достигать (0,1 - 0,1) Л(, т.е. имеет место уменьшения КПД на 10-15%. Очевидно, что увеличить КПД можно, уменьшая величину Ug макс если исходную схему стабилизатора (схему с согласующим транзистором, включенным параллельно входу) какимлибо способом заставить работать лишь в нижней части диапазона изменения и их (максимально приближенной к Ugiji ), а дри переходе (в процессе изменения) в верхнюю часть указанного диапазона (вплоть до UBX тлакс. ) скачком видоизменить схему регулирующего элемента стабилизатора таким образом, чтобы согласующий транзистор оказался подключенным последовательно с нагрузкой (отключить коллекторную цепь согласующего транзистора от общей шины стабилизатора и подключить ее к выходному рыводу стабилизатора).

В этом случае также обеспечивается повышение КПД за счет исключения потерь мощности в цепи согласующего транзистора (поскольку при включении согласующего транзистора последовательно с нагрузкой коллекторный ток этого транзистора протекает через нагрузку).

Стабилизатор работает следующим образом.

Часть напряжения U g снимается с делителя 7 входного напряжения, поступает на измерительный вывод А ключевого элемента 6, где сравнивается с опорным напряжением (в качестве которого используется выходное напряжение иеычс стабилизатора) , поступающим на опорный вывод Б ключевого элемента. При пониженных значениях (меньших некоторого уровня UflX-n. /минимально допустимого для нормальной работу стабилизатора с последовательным подключением выходного и согласукйцего транзисторов по отношению к нагрузке) величина напряжения на выводе А ключевого элемента ниже напряжения идыи (опорного напряжения) и ключевой элемент б включен. При этом его выходной вывод В замкнут на общий вывод Г (на общую шину стабилизатора), коллектор, согласующего транзистора 2 через токоограничительный резистор 3 и выходную цепь ВГ ключевого элемента подключен к общей шине стабилизатора, а диод 5 заперт напряжением Uouw (приложенным к нему в обратном

направлении через резистор 3 и цепь ВГ .ключевого элемента). Иначе говоря, коллекторная цепь согласующего транзистора 2 подключена параллельно входу стабилиз атора, как в известной схеме, В этом случае стабилйза:тор с одной стороны можвт работать при минимально возможной величине падения напряжения (1-1,5 В) на регулирующем элементе, а с другой стороны имеет существенно меньшие потери мощности и больший КПД (в сравнении с известными стабилизаторами) поскольку работает при минимальных значениях, и gx (ниже U g ) . Когда напряжение Ugx (в процессе своего изменения) повышается до величины бх. п. .напряжение на выводе А ключевого элемента 6 становится равным Uftbiy. (опорному напряжению) , ключевой элемент выключается, отключая выходной вывод В, а следовательно, и коллекторную цепь транзистора 2 от общей шины стабилизатора. При этом коллектор транзистора 2 оказывается подключенным к выходному выводу стабилизатора через кoм :yтиpyющий диод 5 (включенный в проводящем направлении по отношению к току на рузки стабилизатора). Иначе гойоря коллекторная цепь транзистора 2 через диод 5 включается последовательно с нагрузкой 8 стабилизатора, и коллекторный ток этого транзистора протекает уже через нагрузку. При дальнейшем повышении и gy (вплоть до Bx-WOKc.. ) ключевой элемент находится ввыключенном состоянии, а коллекторная цепь транзистора 2 через диод 5 подключена последовательно с нагрузкой 8. В этом случае стабилизатор также имеет существенно меньшие потери мощности (в сравнении с известными), благодаря исключению потерь мощности в цепи согласующего транзистора 2, а следовательно, больший КПД.

Ключевой элемент б наиболее просто реализуется на двух транзисторах разного типа проводимости (или на транзисторе и реле). Поскольку ключевой элемент обладает весьма высоким коэффициентом усиления по току,

ток управления им пренебрежимо мал, и делитель 7 может бить сделан достаточно высокоомным (с пренебрежимо малыми потерями мощности ).

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет:

а)снизить потери мощности в стабилизаторе и, тем самым, существенно (на 10-15%) повысить его КПД

(за счет автоматического изменения схемы регулирующего элемента таким

0 образом, чтобы при увеличении Ugx свыше заданного уровня . п. . кол- . лекторная цепь согласующего транзистора была бы включена последовательно с нагрузкой) ,

5

б)уменьшить габариты теплоотводов регулирующих транзисторов, а следовательно, и стабилизатора в целом (за счет уменьшения потерь мощности в регулирующем элементе);

0

в)облегчить тепловой режим старилизатора (за счет уменьшения потерь мощности в нем).

Формула изобретения

5

Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий выходной регулирующий транзистор, подключенный последовательно с нагрузкой коллектором к выходному выводу стабилизатора,

0 согласующий .транзистор, токоограничительный резистор, соединенный одним концом с коллектором согласующего транзистора, и устройство обратной связи, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения КПД, в него введены диод, делитель входного напряжения и ключевой элемент, имеющий входной, выходной, опорный и общий выводы, при этом диод вклю0чен между коллектором согласующего транзистора и выходным выводом стабилизатора.в пропускном направ.лении, другой конец токоограмичительного резистора подключен к выходному выводу ключевого элемента,

5 входной вывод которого подключен к средней точке делителя входного напряжения, опорный - к выходному выводу стабилизатора, а общий вывод - к общей шине стабилизатора.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 372553, кл. G 05 F 1/58, 1971.

2.Акцептованная заявка ФРГ

5

№ 2428119, кл. G 05 F 1/58, 1978.

WHMX Ш