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

(54) СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для стабилизации величины постоянного тока в источниках электропитания, для преобразования постоянного напряжения в ток в различных радиоэлектронных устройствах.

Известны стабилизаторы постоянного тока и управляемые генератором, тока с регулирующим транзистором и цепью отрицательной обратной связи, состоящей из усилителя, на вход которого поступает разностный сигнал с эталонного резистора и задающего опорного источника, а выход подключен к управляющему входу регулирующего транзистора 1, .2.

К недостаткам известных стабилизаторов постоянного тока 1 следует отнести возможность поддержания в нагрузке тока только одного определенного направления, вызванную наличием одного последовательного регулирующего транзистора. Недостатком управляемого генератора тока 2 является низкий КПД и низкий коэффициент использования источника по напряжению, обусловленный наличием двух источников питания, следовательно, использованием

для создания определенного направления тока в нагрузке только одного из них. Это приводит, особенно в случае автономного питания от внутренних источников, к больщому весу аппаратуры и требованию излишней энергоемкости.

Известен также стабилизатор постоянного Тока 3, который по технической сущности наиболее близок к предлагаемому стабилизатору, который содержит усилитель постоянного тока, эталонный резистор, орган сравнения и последовательный регулирующий элемент, выполненный по двухтактной схеме на двух транзисторах различного типа проводимости, базы которых соединены с выходом усилителя постоянного тока, коллектор тг-р-пгтранзистора - с положитель15ным полюсом источника входного напряжения, а коллектор р-лр-транзистора - с отрицательным полюсом источника входного напряжения, эмиттеры транзисторов регулирующего элемента заземлены, а нагрузка 20 стабилизатора включена между эталонным резистором и средним выводом источника входного напряжения. Стабилизатор представляет собой систему автоматического регулирования компенсационного типа, в которой на эталонном резисторе, включенном, последовательно с нагрузкой, поддерживается постоянное напряжение. Это -обеспечивается наличием цепи отрицательной обратной связи, состоящей из усилителя постоянного тока, вь1ход которого соединен с базами транзисторов регулирующего элемента, а вход - с органом сравнения, на который поступает разность напряжений на эталонном резисторе и на делителе, подключенном к задающему опорному источнику. Постоянное напряжение на эталонном резисторе соответствует постоянной величине тока в нагрузке стабилизатора. Подключение выхода усилителя непосредственно к управляющим переходам регулирующих транзисторов, имеющих величину напряжения 0,2 - 0,7 В, позволяет получить малый разностный сигнал на входе усилителя. Применение транзисторов различного типа проводимости позволяет стабилизировать ток, протекающий через нагрузку, в лю.бом направлении. Недостатками известного стабилизатора постоянного тока являются низкий коэффициент полезного действия и низкий коэффициент использования источника питания по напряжению. Это вызвано подключением одного из зажимов нагрузки к средней точке источника напряжения. Поэтому при стабилизации тока в нагрузке, например положительного направления, используется лишь половина источника напряжения от средней точки до положительного полюса, а через вторую половину источника ток нагрузки не протекает. При этом половина источника напряжения от средней точки до отрицательного полюса не используется. Использование в схеме только одной половины источника обуславливает низкий коэффициент использования источника по напряжению (не более 50%), Низкий коэффициент полезного действия стабилизатора обусловлен балластной работой выпрямителя и схемы сглаживания, а также схемы предварительной стабилизации напряжения неиспользуемой половины источника напряжения стабилизатора. Таким образом, недостатками известного стабилизатора постоянного тока являются невысокий КПД и низкий коэффициент использования источника по напряжению. Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия, увеличение коэффициента использования источника по напряжению и повышение точности стабилизации тока. Это достигается тем, что стабилизатор постоянного тока, содержащий усилитель постоянного тока, эталонный резистор, орган сравнения и последовательный регулирующий элемент, выполненный по двухтактной схеме на двух транзисторах различного типа проводимости, базы которых соединены с выходом усилителя постоянного тока, коллекторы подключены к соответствующим полюсам источника входного напряжения, а эмиттеры заземлены и соединены с одним выводом эталонного резистора, к второму выводу которого подключен один из зажимов нагрузки, снабжен инвертирующим усилителем, подключенным к источнику входного напряжения, и дополнительным последовательным регулирующим элементом, выполненным по двухтактной схеме на двух транзисторах различного типа проводимости. при этом вход инвертирующего усилителя заземлен, а к его выходу подсоединены базы транзисторов дополнительного регулирующего элемента, коллекторы, которых подключены к соответствующим полюсам источника входного напряжения, а к точке соединения эмиттеров подключен второй зажим нагрузки стабилизатора. Это позволяет осуществлять синхронное и противоположное по фазе изменение потенциала на втором зажиме нагрузки, использовать один и тот же источник эталонного напряжения для стабилизации в нагрузке тока любого направления уменьшить напряжение на управляющих электродах транзисторов регулирующего элемента и снизить величину разностного сигнала на входе усилителя. На чертеже представлена схема данного стабилизатора, где 1 - источник входного питающего напряжения, 2 - последовательный регулирующий элемент, выполненный по двухтактной схеме на двух транзисторах 3 и 4 различного типа проводимости, базы которых соединены с выходом усилителя 5 постоянного тока, вход которого через орган сравнения 6, состоящий из делителя на резисторах 7 и 8, подключен с одной стороны к источнику 9 задающего напряжения, а с другой - к эталонному резистору 10. Нагрузкаа 11 стабилизатора подключена одним зажимом последовательно с эталонным резистором 10 к заземленным эмиттерам транзисторов 3 и 4 регулирующего элемента 2. выполненного по двухтактной схеме на двух транзисторах 13 и 14 различного типа проводимости. Эмиттеры транзисторов 13 и 14 соединены между собой и с выходом регулируюшего элемента 12, базы соединены с выходом инвертирующего усилителя 15 с заземленным входом и подключенным по питанию к источнику 1, а коллекторы, так же как и коллекторы транзисторов 3 и 4 регулирующего элемента 2, подключены к соответствующим полюсам источнйГка входного напряжения 1. Предлагаемый стабилизатор постоянного тока работает следующим образом. На управляюише иереходы транзисторов 3 и 4 регулирующего элемента 2 с выхода усилителя 5 поступает постоянное напряжение, пропорциональное величине разКОСТНОГО сигнала, возникающего на резистивном делителе органа сравнения 6, онределяемого в соответствии с величинами резисторов 7 и 8 нанряжением задающего источника 9 и напряжением на эталонном резисторе 10. На управляющие переходы транзисторов 13 и 14 второго регулирующего элемента 12 с выхода инвертирующего усилителя 15 поступает напряжение, противоположное по знаку напряжению на управляющих переходах транзисторов 3 и 4. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя 15 н его начальное выходное напряжение выбраны так, чтобы при этом изменение потенциала в точке соединения эмиттеров транзисторов 13 и 14 было равно и противоположно по знаку изменению потенциала заземленных эмиттеров транзисторов 3 и 4 относительно среднего уровня источника входного напряжения 1. Через последовательно соединенные регулирующие элементы 2 и 12, нагрузку И и эталонный резистор 10 протекает ток источника напряжения 1, создающий на эталонном резисторе 10 падение напряжения, поступающее на орган сравнения 6 и уравновещивающее величину разностного сигнала на входе усилителя 5. Это обеспечивает автоматическое поддержание постоянства величины тока в цепи эталонного резистора 10 и нагрузки 11 при постоянном напряжении задающего источника 9. Изменение величины напряжения задающего источника 9 вызывает изменение как разностного сигнала, поступающего через орган сравнения 6 на вход усилителя 5, так и изменение уравновещивающего падения напряжения на эталонном резисторе 10 и приводит к изменению величины тока в нагрузке 11, что позволяет управлять выходным током стабилизатора. Синхронное, равное, но противоположное изменение потенциалов на выходах регулирующих элементов 2 и 12 позволяет использовать один и тот же источник входного напряжения 1 для создания тока в нагрузке 11 любого направления. Величина максимального напряжения на нагрузке 11 при любом направлении тока через нее близка к величине напряжения источника 1 (за вычетом падения напряжения .на эталонном резистор ре 10 и на силовых переходах транзисторов, например транзисторов 3 и 14, регулирующих элементов 2 и 12). Поэтому коэффициент использования источника входного напряжения 1 бЛизок к единице. При питании стабилизатора от автономных источников в работе участвуют все питающие элементы, которых потребуется примерно в два раза меньше, чем в известном устройстве 3, а при питании от внешнего источника отсутствуют балластные выпрямители и схемы сглаживания (или предварительной стабилизации). Ток через нагрузку И от источника 1 протекает через два последовательно соединенных регулирующих элемента 2 и 12. Причем при одном определенном направлении тока через нагрузку II используются, например, транзисторы 3 и 14, а при противоположном - транзисторы 4 и 13 регулирующих элементов 2 и 12. Так как изменение потенциала на выходе регулирующего элемента 2 равно половине результирующего изменения напряжения на нагрузке II иэталонном резисторе 10 (вторая половина результирующего изменения напряжения обеспечивается инвертирующим усилителем 15 и регулирующим элементо.м 12), то на управляющем переходе транзистора 3 (или 4), соединенном с выходом усилителя 5, напряжение, требуемое для поддержания на нагрузке I 1 такого же по величине тока, как при применении известного стабилизатора 3, окажется меньше. Это потребует меньшего разностного сигнала на входе усилителя 5 и уменьшит погрешность стабилизации тока. Введение инвертирующего усилителя 15, подключенного к источнику входного напряжения, и дополнительного последовательного регулирующего элемента 12, выполненного по двухтактной схеме на двух транзисторах 13, 14 различного типа проводимости, обеспечивает синхронное и противоположное изменение потенциала на втором зажиме нагрузки 11 относительно среднего уровня источника 1, повышая КПД стабилизатора, увеличивая примерно в два раза коэффициент использования источника 1 по напряжению и уменьшая погрешность стабилизации ток. Таким образом, предлагаемый стабилизатор постоянного тока позволяет повысить коэффициент полезного действия, увеличить коэффициент использования источника по напряжению и повысить точность стабилизации тока. При использовании в регулирующих элементах транзисторов различных типов проводимости ГТ 806А и КТ 805А и источника входного напряжения, величина которого составляет 30 В, максимальное напряжение на нагрузке равняется 24 В при любом направлении тока, величиной I А, КПД стабилизатора с учето.м источника составляет . Для инвертирующего усилителя используют микросхему серии KI53 (К153УД1А) с согласующим транзистором КТ602А. Нагрузкой служит реостат с рассеиваемой мощностью 100 Вт. Для сравнения собирают макет по схеме известного стабилизатора 3 на этих же элементах. Для получения на нагрузке напряжения 24 В в известном стабилизаторе при любом направлнии тока требуется два последовательно соединенных источника общим напряжением 58 В, т. е. почти в два раза больше, КПД с учетом источников составляет 60%. Точность стабилизации тока у