Низковольтный стабилизатор напряжения Советский патент 1981 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехни ке и может быть использовано в источниках питания с относительно низким уровнем выходного напряжения. Известен низковольтный стабияизаг Ор напряжения, содержащий регулирующий тра зистор, включенный последовательно с нагрузкой, усилитель обратной связи (УОС и источник опорного напряжения (ИОН), в качестве которого используется низковольтный стабилитрон, имеющий отрицател ный температурный коэффициент напряжения (ТКН). Для обеспечения высокой тем пературной стабильности выходного напряжения в качестве термокомпенсирующего элемента использован транзистор, коллектор которого подключен к базе трбшзистора первого каскада УОС, эмиттер через резистор - к одной из выходных клемм стабилизатора, а база - к среднему выводу резистивного делителя, крайние выводы которого подключены к клеммам для подключения нагрузки ij. Недостатки указанного стабилизатора состоят в том, что он не может обеспечить выходное напряжение меньше величвны, равной сумме на фяжений на опорном стабилитроне и на переходе база-эмиттер первого транзистора УОС; причем при больших токах нагрузки в нем необходимо использовать составной регулирующий транзистор, что приводит к дополнительным потерям в стабилизаторе. Кроме того, он не обеспечивает воеможности плавной регулировки выходного нахфяжения без нарушения условия термокомпенсации. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являетсястабилизатор содержащий основной и дополнительный источники питания, имеющие общую точку, регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, и УОС, СОСТОЯЩЕЙ из неинвертирующего каскада, выполненного на транзисторах с последовательно чередукмцимся типом проводимости, эмиттер первого из котоых подключен к общей шине стабапнзарора, и инвертирующего каскада, выполненного на транзисторе, проводимость которого одинакова с проводимостью регулирующего транзистора. В стабилизатор включено также запускающее устройство, обеспечивающее его выход на режим при подключении первичного источника питания. База транзистора инвертиру(пще1х) каскада подключена к средней точке делителя напряжения, крайние выводы которого подключены к выходу стабилизатора. Для обеспечения температурнойстабильности в нижнее плечо двигателя включен германиевый диод. Такой стабилизатор может обеспечить более низкую величину выходного напряжения, чем стабилизатор 1, которая ограничивается только величинойпадения нагфяжения на переходе база-эмнттер усилительного транзистс а и равно примерно О,7-О,8 В (так как первый транзистсф усилители дол жен быть кремниевым), и, кроме того, он имеет более высокий КПД. так как при любых токах Нагрузки не требует использования составногх) регулирующего транзистора 2, Основной недостаток известного стабилизатора заключается в относительно кой температурной стабильности выходного напряжения. Это объясняется тем, что ТКН термокомпенсирующего диода не раве точно величине ТКН перехода база-эмиттер усилительного транзистора вслед твие различия величин тока через эти элементы ft также из-за технологического разброса величин ТКН этих элементов от образца к образцу. Цель изобретения - повышение темпера турной стабильности выходного напряжени Поставленная цель достигается тем, чт в низковольтный стабилизатор напряжения .содержащий основной и дополнительный , источники питания, имеющие общую точку регулирующий транзистор, ьключенный последовательно с нагрузкой, и У ОС, состоящий из неинвертирующего каскада, вы полненного на транзисторах с последова тельно чередующимся типом проводимости эмиттер первого из которых подключен к общей шине стабилизатора, и инвертиру шего каскада, выполненного на транзисто ре, 1фовоцимость которого одинакова с проводимостью регулирующего транзистора, введен трехзвенный делитель напряжевиш, первое звено которого подключено к разобщенному выводу дополнительного встсчника питания, третье звено - к общей шине стабилизатсфа, первое авено 8 54 выполнено в виде стабилизатора тока, третье звено образовано резистором, при этом отгод от точки соединения второго и третьего звеньев подключен к базе первого транзистора неинвертирующего каскада усилителя, отвод от точки соединения первого и второго звена - к коллектору транзистора инвертирующего каскада, база и эмиттер которого через соответствующие резисторы соединены с клеммами для подключения нагрузки. Это позволяет с высокой степенью точности компенсировать температурный дрейф напряжения база-эмиттер первого транзистора неинвертирующего каскада усилителя, и следовательно, повысть температурную стабильность выходного напряжения. При этом втсфое звено дополнительно введенного делителя образовано нелинейным полупроводниковым злементом. например диодом, что позволяет повысить коэффициент передачи УОС за счет уменьщения величины сопротивления в базе транзистора инвертирующего каскада. На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого стабилизатора. Стабилизатор содержит основной 1 и дополнительный 2 источники питания, отрицательные полюсы Korqpbix соединены между собой. РегулЕруюший транзистс зЗ включен последовательно с клеммами 4 для подключения нагрузки. Неинвертируи щий каскад УОС выполнен на транзисторах 5 и 6, причем транзистсф 6 имеет одинаковую, а транзистсф 5 - противоположную проводимость по отношению к проводимости транзистора 3.,Эмиттер транзистс а 5 подключен к разобщенному выводу источника 2, а эмиттер транзистора 6 - к общей шине стабилизатора. Инвертирующий каскад УОС выполнен на транзисторе 7,. база которого через резистор 8 подключена к одной из клемм для подключения нагрузки, а эмиттер через резистор 9 к другой клемме. Дополнительно введенный трехзвенный делитель напряжения включен между положительным полюсом источника 2 и общей щиной. Первое звено делителя выполнено в виде стабилизатора 1О тока на полевых транзисторах, второе звено образовано диодом 11, а третье резистором 12. Коллектор транзистора 7 подключен к точке соединения стабилизатора 1О уока с диодом 11, а база транзистора 6 - к точке соединения, диода 11 с резистором 12. Источник 2 питания может быть нестабилиаированным. Стабилизатор 10 тока вь:полней по известной схе ме на полевых транзисторах с датчиком 13 тока в цепи источника первого полевого транзистора.. Стабилизатор работает следующим обра зом. При вкггючении питания током стабилиЗатора 10 открывается транзистор 6. Оа,.новременно с ним открываются транзисторы 5 и 3. Напряжение на выходе стабилизатора 3 начинает расти. Когда вход- ное напряжение достигает величины напря жения на переходе база-эмиттер транзистора 7 (примерно 0,25 В для германиевых транзисторов и 0.65 В для кремниевых,) этот транзистор открывается, uiyaтируя диод 11 и резистор 12. При дальнейшем увеличении выходного напряжения ток коллектора транзистора 7, опреде.ляемый величиной резистсфа 9, растет, а напряжение на резисторе 12 и ток базы транзистора 6 уменьшаются. При достижении входным напряжением заданного энвчения вступает в действие отрицатель ная обратная связь с выхода стабилизато ра и выходное напряжение стабилизируется на заданном уровне. Отличительной особенностью щэедлагае мого изобретения является отсутствие ИОН и выходного делителя напряжения, что упрощает стабилизатор. В качестве И(Ж используется переход база-эмиттер .транзистора 6, что позволяет обеспечить минимальную величину выходного напряжения на уровне О,З....О,4 В при использовашш германиевых транаист ч)ов и на уров не 0,7....0,8 В при нспользовании кремни транзисторов(без использования допсмшительного источника с отрицательным напряжением). Транзистор 3 предотвращает попадание на1фяжеш1я источника 2 на базу транакстора 7 при воздействии случайной помехи, например, на транзистор 6, приводящей к Насыщению транзисторов 5 и 6. Если величина резистора 8 в несколько раз меньше входного динамического сопротивления транзистора 7 (практически такое условие в большинстве случаев выполнимо), то он не ухудшает существенно параметры стабилизатора. Нелинейный элемеш- (диоа или стабилитрон) 11 обеспечивает необходимое напряжение на коллекторе транзистора 7. При этом , если вместо него использовав, например резистор, то необходимая величина резистора 8 повышается, что может привести к ухуди. выходных параметров стабилизатора. Рассмотрим как выполняется в стабнлизат ре условие температурной стабильности выходного напряжения. Если, например, температура окружающей среды увеличивается, то напряжения на перходе база-эмиттер транзистора 6 и на диоде 11 уменьшаются, что приводит к открыванию транзистора 5 и увеличению выходного напряжения. Температурный коэффициент (ТК) тока стабилизатора 1О регулируется с помощью резистора 12 и может быть обеспечен близким к нулю, при этом ст абнльность выходного тока достаточна, чтобы не ухудшать параметры ст илизагорэ (при необходимости стабилизатор 10 тока может быть выполнен из трех или более транзисторов, однако в большинстве случаев этого не требуется. При повьш1ении температуры открывается также транзистор 7, ток коллектора его увеличивается, что приводит к уменьшению тока через резистор 12 и к закрыванию транзистора 6, т.е. к уменьшению выходного напряжения (к взаимной компенсации тем- пературной нестабильности параметров транзистсфа 6 и диода 11.). Путем выбора соотношешш сопротивления резистс ов 9 и 12 можно обеспечить такой режим работы стабилизатора, при котором выходное напряжение остается неизменным при изменении температуры. При этом температурные взмешшия параметров транзистора 7 (коэффициент передачи, обратный ток коллектора) не изменяют условия термокомпенсацин, так как трашжстор охвачен глубсжой отрицательной связью по току. Условие температурной компенсации стабилизатс а определяется следующим выраениемли,.дЦ,.б1,,«, 14 . AU6-fr Ufi- Al,nRn R.9ли, де - ТК напряжение диода 11; ли/-или7 ТК напряжения перехода база-эмиттер, соответственно транзисторов 6 и 7; Л I.-- ТК тока стабилизатора Ю С помощью резистора 12 всегда можво беспечить нулевой ТК стабилизатора 1О ока ( О) путем обеспечения рабоы полевых транзисторов в точке ваутре ней термокомпеисании. Тогда условие тер мокомпеисации стабилизатора имеет ввд R дие+ли. В то же время величина выходного напря жения стабилизатора определяется из условия±i . Bfeix- Jgdчто после преобразования дает Bb,x-.(l,o R raeUg lX - выходное напряжение; I - выходной ток стабилизатора Ю тока; (J J - напряжение база-эмиттер тран зисторов 6 и 7. ., f 1 Выражения (а) и 16) показывают, что обеспечив ТК стабилизатора тока близким к нулю, применив в качестве резисторов 9 и 12 переменные резисторы с необходимым (расчетным или определенным практически) соотношением, можно плавн изменять выходное напряжение, iie нарушая условия термокомпенсации, путем одновременного синхронного изменения согфотивлений резисторов 9 и 12. Соо- ношениеК 2.|Й9 определяет также величнну коэффициента передачи по напряжению транзистора 7 при условии ,-ли, 4foпрактически примерно в шолнябтсй, получают K-RirJ g- 2-Выражения (а) и (б) упрощенные и получены , в частности, при условии, что величина входного сопротивления транзис тора 6 намного больше согфотивления ре зистора 12, падение напряжения на рези торе 8 равно нулю, динамическое сопротивление стабилизатора Ю тока равно б конечности. Сцной из особенностей предлагаемого стабилизатора (по сравнению с известны является также отсутствие запускающего устройства. При подсоединении питания включение стабилизатора обеспечивается выходным током стабилизатора тока, при 1чем схема стабилизатора тока обеспечиоет tjU:ju высокую стаГ)ил1Л11.)сть выход1 | о тока и не ухудшает вмхс.аныл ппрнм-тов устройства. Воамож1Гы следующие варианты )ления стабилизатора: 1) источники I и 2 питания могут ыть соединены между собой разнопо ярными полюсами, при этом их общая очка соединена с коллектором регулируюего транзистора; 2) вместо диода 11 может быть испольован стабилитрон или резистор; З) число транзисторов неинвертируюего каскада может быть больше двух. Температурная стабильность предлагамого стабилизатора по сравнению с известным значительно повышается благоаря обеспечению возмсстсности регулировки ТК выходного напряжения и взаимной емпературной компенсации транзисторов ОС. при этом схема стабилизатора практически не усложняется, так как из -за него исключено запускающее устройство. „,,;с Кроме того, стабилизатор может быть рассч1гган на более низкое напряжеНие, так как в УОС могут быть применены германиевые транзисторы (минимальная величина выходного нац)яжения, лимитируемая напряжением база-эмиттер германиевого транзистора, равна в этом случае О,З....О,4 В). Между тем в известном стабилизаторе первый транзистор УОС должен быть кремниевым, так как в нижнем плече выходного делителя стоит германиевый термокомпенсируюший диод, поэтому величина выходного напряжения в нем не может быть мение О,7....О,8 В. По сравнению со стабилизатором 1 при одинаково высокой температурной стабильности предлагаемый стабилизатор обеспечивает возможность плавной регулировки вьЬсодного напряжения без нару шения термокомпенсации. Кроме того он может быть выполнен на более низкие выходные напряжения, так как не содер. жит опорного стабилитрона, имеет более высокий КПД, так как в. нем нет необходимости использовать регулирующий транзистор составного типа. Предлагаемый стабилизатор напряжения может быть использован в источниках питания с относительно низким выходным налряже1шем, например в диапазоне О,3 .... 2 В, когда применение схем стабилизаторов с использованием опорных стаби штронов усложняет его устройство и требует применения еще одного до поннительно1Ч) иптошшка питания с поляр