Стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G05F1/56 

(5А) СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного и,сточника элек тропитания различной радиоэлектронной аппаратуры, в первую очередь кон трольно-измерительной, предъявляющей высокие требования к параметрам питающих напряжений. Извйетён стабилизатор напр Я:жения, содер 1{ащий рег лйрующий- тра 1зйст6р, эталонный реЗйстор, транвйсто{ -з&щиты и; Операционный усилитель вь(хрд;. которого подключен к бдзе. регулирующего транзистора, инвертмрУюй йй гвход к средней точке выходИогй; делителя неин8ерт, вход - к каУоДу первого ста6 лизатрра, пьяключ1еннс1го параллельно че1р&з pe3v(CTppi к выходным клеммам. При этом клеммы пита нйя рпер.ациойнрго усилителя соёдинен со втбрым стабилитроном, вклйченным параллельно чфез резистор ко входным клеммам 111г . , Недостатком этого стабилизатора является невысокий коэффициент стабилизации выходного напряжения вследствие питания эталонного (первого) стабилитрона и операционного усилителя от входной цепи, так kaK при таком включении увеличение или уменьшение входного напряжения приводит к .и змеиеЬию Напряжения на эталонном (первойХ;.стабилитроне а, следоаательно ; и °на. выходе стабилизатора. По этой, же причине стабилизатор имеет срав,итёльно.высокий уровень пульсаций вы(содного напряжения. Кроме того, необходимость включения эталонного резистора для защиты стабилизатора от короткого замыкания увеличивает его выходное сопротивление, что также нежелательно ; Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока, вход которого соединен с органом сравнения, включающим

первый источник опорного напряжения, а выходной каскад на транзисторе подключен к управляющему входу регулирующего транзистора с резистивным датчиком тока в эмиттерной цепи, причем коллектор регулирующего транзистора соединен посредством стабилитрона с базой транзистора выходного каскада, база и эмиттер которого через сопро;тивление и второй источник опорного напряжения соответственно подключены к входу стабилизатора f 2 J.

Этот стабилизатор имеет повышенный коэффициент стабилизации, поскольку питание усилителя постоянного тока осуществляется с выхода стабилизатора и первый источник опорного напряжения не связан со входом стабилизатора, однако по уровню пульсаций выходного напряжения он не имеет преимуществ по сравнению с известным стабилизатором, так как и в этом случае пульсации входного напряжения через сопротивление, транзистор выходного каскада и регулирующий транзистор проходят на выход стабилизатора. Наиболее близким по -техническому решению к предлагаемому является ста билизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент на двух транзисторах различного типа проводимости, коллектор одного из которых соединен с делителем выходного напряжения, шунтированным цепью из последовательно соединенных п стабилитронов и генератор тока, а эмиттер - со входной клеммой стабилизатора и через резистор - со своей базой и с коллектором второго транзистора, база которого подключена к выходу операционного усилителя, входы которого соединены соответственно со средней точкой делителя выходного напряжения и с точкой соединения п стабилитронов с генератором тока. Стабилизатор обеспечивает достаточно хорошее подавление пульсации питающего напряжения за счет включения п стабилитронов в цепь отрицательной обратной связи, вследствие их малого дифференциального сопротивления. С другой стороны, сочетание двух транзисторов разной структуры позволяет получить низкое выходное сопротивление регулирующего элемента благодаря отрицательной обратной связи между транзисторами.

Недостатком этого стабилизатора является нерациональное включение

операционного усилителя (ОУ), не позволяющее реализовать потенциальные возможности схемы. Во-первых, питание ОУ от входной цепи приводит к тому, что нестабильность входного напряжения стабилизатора вызывает флуктуации входного смещения ОУ, которые, суммируясь с сигналами в цепи обратной связи, снижают стабильность выходного напряжения стабилизатора. Включение в цепь питания ОУ параметрического стабилизатора, хотя и дает определенный положительный эффект, не приводит к кардинальному улучшению положения, поскольку пульсации-напряжения на клеммах питания ОУ при нормальной нагрузке стабилизатора и в этом случае достаточно велики. Во-вторых, согласование ОУ с регулирующим элементом при помощи резистивного делителя приводит к уменьшению коэффициента стабилизации вследствие ослабления отрицательной обратной связи, так как делитель, включенный в эмиттерную цепь второго транзистора, значительно снижает усиление каскада на этом транзисторе Указанны причины ограничивают коэффициенты стабилизации и подавление пульсаций питающего напряжения на уровне нескольких десятков тысяч, что для прецизионной аппаратуры в ряде случаев оказывается недостаточным .

Целью изобретения является снижение уровня пульсаций и повышение стабильности выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем что в стабилизатор постоянного напряжения введены второй резистор, шунтированный первым конденсатором, диод, второй конденсатор, цепь из последовательно соединенных третьего резистора, второго диода и третьего конденсатора, включенная параллельно делителю и параллельно введенной цепи из последовательно соединенных m стабилитронов и второго генератора тркау при этом второй конденсатор включен между коллектором первого и эмиттером второго транзисторов регулрующего элемента параллельно цепи из m стабилитронов, а клеммы питания операционного усилителя подключены параллельно третьему конденсатору, причем одна из этих клемм питания через последовательно соединенные диод и второй резистор соединена с эмиттером первого транзистора регули рующего элемента, кроме того в. него введен стабилитрон, подключенный параллельно клеммам питания операционного усилителя. На чертеже представлена функциональная электрическая схема стабилизатора постоянного напряжения. Стабилизатор содержит регулирующий элемент 1 на двух транзисторах 2 и 3, делитель выходного напряжения 4, последовательно соединенные п ста билитронов 5, генератор тока 6, операционный усилитель 7 резистор 8, второй резистор 9 конденсатор 10, диод 11, второй конденсатор 12, третий конденсатор 13, второй генератор тока 14, последовательно соединенные m стабилитронов 15, третий резистор 16, второй диод 17, стабилитрон 18. Транзисторы 2 и 3 образуютгрегули рующий элемент 1, делитель Ц обеспеч вает возможность регулировки выходно го напряжения стабилизатора, последо вательно соединенные п стабилитронов 5 и генератор тока 6 образуют опорный источник напряжения. Операционный усилитель 7 является сравнивающи и усилительным элементом цепи обратной связи стабилизатора, питание его осуществляется через последовательно соединенные третий резистор 16 и вто рой диод 17, при этом цепь из второго резистора 9, конденсатора 10 и ди ода 11 служит для запуска стабилизатора при включении. Последовательно соединенные m стабилитронов 15 и вто рой генератор тока 1 необходимы для согласования регулирующего элемента 1и операционного усилителя 7 и обеспечения оптимальных условий работы последнего. Второй конденсатор 12 обеспечивает отрицательную обратную связь в регулирующем элементе 1 на высоких частотах. Третий конденсатор 13 является блокирующим в цепи питания операционного усилителя 7. Стабилитрон 18 стабилизирует напряжение питания операционного усилителя 7. Резистор 8 предохраняет транзисто 2от пробоя при коротком замыкании н выходе. Стабилизатор работает следующим образом. При подаче на вход стабилизатора напряжения ток, проходящий через кон денсатор 10 и диод 11, поступает на клеммы питания операционного усилителя 7 и включает стабилизатор. Уверенное включение/устройства обеспечивает второй диод 17, который в момент включения закрывается и исключает шунтирующее действие нагрузки и вы одн|йх цепей стабилизатора. Питание операционного усилителя 7 после включения осуществляется с выхода стабилизатора через третий резистор 16 и второй диод 17, а цепь запуска отключается: постоянная времени цепи, состоящей из конденсатора 10 и второго резистора 9, выбирается много большей, чем период пульсаций входного напряжения, поэтому в рабочем режиме стабилизатора конденсатор 10 заряжен до напряжения fo-Uexm и - максимальное напряжение на ЮАР/ входе стабилизатора; Un - напряжение питания операционного усилителя 7, и пульсации входного напряжения на клеммы питания операционного усилителя 7 практически не попадают, так как диод 11 при этом оказывается закрытым. Далее работа предлагаемого стабилизатора в основном не отличается от работы известного. При любом отклонении выходного напряжения от номинального изменение напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 7 при малом дифференциальном сопротивлении цепи из п стабилитронов 5 и большом сопротивлении генератора тока 6 превышает изменение напряжения на неинвертирующем входе (средней точке выходного делителя k). Поэтому при увеличении выходного напряжения напряжение на выходе операционного усилителя 7 уменьшается, и наоборот. Выходное напряжение операционного усилителя 7 используется для управления вторым транзистором 3, опеределяющим ток базы первого транзистора 2. В стабилизаторе имеется еще одна дополнительная цепь отрицательной обратной связи с коллектора первого транзистора 2 на эмиттер второго транзистора 3 через параллельно соединенные конденсатор 12 и m стабилитронов 15. Например, при увеличении тока нагрузки повышается падение напряжения на первом транзисторе 2 и снижается потенциал на его коллекторе. Через m стабилитронов 15 и конденсатор 12 это изменение прак- . 7 тически полностью передается на эми тер второго транзистора 3, вызывая увеличение тока коллектора этого транзистора, и следовательно, тока базы первого транзистора 2, что при водит к уменьшению падения напряжен на этом транзисторе. Введение цепи из m стабилитронов 15 вследствие их малого сопротивления увеличивает глубину дополнитель ной отрицательной обратной связи в регулирующем элементе 1, так как пр этом между коллектором первого тран зистора 2 и эмиттером второго транзистора 3 оказывается включенным значительно меньшее сопротивление, чем в известном. Одновременно увели чивается глубина основной обратной связи за счет увеличения коэффициен та усиления каскада на втором транзисторе 3, пocкoлfькy в цепи эмиттер этого транзистора, оказывается включенным малое сопротивление стабилитронов. Конденсатор 12 расширяет полосу отрицательной обратной связи что также способствует пов1ышению стабильности выходного напряжения стабилизатора, особенно при быстроп ременной нагрузке. Выбор соответствующего напряжени стабилизации цепей из m и п стабилитронов также позволяет повысить стабильность выходного напряжения стабилизатора. Известно, что в дифференциальных операционных усилителях (ОУ) максимальный коэффициент усиления и наилучшее подавление син фазной помехи достигается при выполнении условий 8n,i п где и, . напряжения н входах и выходе ОУ. Этот режим обеспечивается при на пряжении стабилизации цепи из п ста билитронов 5 Uf и цепи из m стабили тронов 15 . и. BbKCTгде выходное напряжение стабилизатора. Питание операционного усилителя в рабочем режиме от выходной цепи позволяет практически полностью исключить влияние изменений входного напряжения на цепи обратной связи стабилизатора. В результате предлагаемый стабилизатор без существенного усложнения принципиальной схемы позволяет получить коэффициент стабилизации не менее 5-10 и коэффициент подавления пульсаций входного напряжения не менее 8 «10 (у известного 2.10 и 5«104 соответственно), т. е. улучшить параметры стабилизатора более чем на порядок. Дополнительным преимуществом предлагаемого стабилизатор является то, что он, в отличие от известного, обеспечивает защиту стабилизатора от короткого замыкания по выходу и от перегрузки по току. При увеличении тока нагрузки все большая часть тока второго генератора тока Н ответвляется в эмиттер второго транзистора 3В какой-то момент цепь из m стабилитронов 15 выходит из режима стабилизации и .стабилизатор переходит в режим стабилизатора тока.; При .дальнейшем увеличений тока нагрузки напряг Ление на к6г|лекторе пёрвоготранзистора 2 уменьшается, становится меньше напряжения стабилизации цепи из 41 стабилитронов 5, при этом разрывается основная цепь отрицательной обратной связи и положительная обратная связь через выходной делитель k и операционный усилитель 7 вызывает лавинб : 5браз,ный процесс запирания регулируемого элемента 1. Для повторнорЬ включения стабилизатора необходимо снять напряжение на его входе не гврёмя, достаточное для разряда конденсатора :1Q -через второй резистор 9 а затем снова -включить. Второй генератортока lVпозволяет очень точно .регулировая-ь ток защиты стабилизатора , 6днако;ес ли такой необходимости, нет, в качестве этого генератора тока можно использовать резистор. При изменении величину нагрузки меняется ток, потребляемый операционным усилителем 7, и изменяется его напряжение питания вследствие изменени:и падения напряжения на третьем резисторе 16. Это вызывает небольшое уменьшение коэффициента стабилизациипри увеличении тока нагрузки. Наиболее ярко это явление наблюдается в случае, когда выходное напряжение стабилизатора значительно превышает номинальное напряжение питания оПерационного усилителя 7. С цепью устра