Компенсаційний стабілізатор постійної напруги

Компенсаційний стабілізатор постійної напруги, що містить в собі регулюючий елемент, колектор керуючого транзистора якого через послідовно з'єднані переходи база-емітер узгоджуючого та силового транзисторів протилежної провідності сполучений з виводом для підключення напруги живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора, через перший напівпровідниковий елемент - з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною шиною, база через перехід колектор-емітер струмозадавального транзистора зв'язана з виводом для підключення споживача, вузол запуску, що містить в собі вхідний подільник та комутуючий елемент, а також підсилювач зворотного зв'язку, виконаний по диференціальній схемі, колектор вхідного транзисто ра якого безпосередньо з'єднаний з базою струмозадавального транзистора, а через вирівнюючий резистор підключений до його емггера, база з'єднана з виходом джерела опорної напруги, емітер через резистор сполучений з загальною шиною і безпосередньо з'єднаний з емггером вихідного транзистора, база якого підключена до виходу вимірювального подільника вихідної напруги, який відрізняється тим, що верхнє плече вхідного подільника виконане у вигляді струмостабілізуючого двополюсника на транзисторі, емітер якого через струмозадавальний резистор з'єднаний з виводом для підключення напруги живлення, база з'єднана з другим напівпровідниковим елементом, а колектор безпосередньо підключений до бази керуючого транзистора, а через комутуючий елемент, ввімкнутий в провідному напрямку, сполучений з колектором вихідного транзистора підсилювача зворотного зв'язку, причому комутуючий елемент виконаний на СВІТЛОДІОДІ оптоелектронного приладу, фототранзистор якого виконує функцію нижнього плеча вхідного подільника шляхом створення ланцюга зв'язку емітера транзистора верхнього плеча вхідного подільника з загальною шиною 00 Запропонований винахід відноситься до галузі електротехніки і може бути використаним при проектуванні джерел вторинного електроживлення ВІДОМІ компенсаційні стабілізатори постійної напруги, які володіють високою якістю вихідної напруги, малим мінімальним падінням напруги та хорошими захисними характеристиками В одному з відомих стабілізаторів (див авт св СРСР №593204, кп G05 F1/56, 1976), який містить в собі регулюючий складений транзистор, ввімкнений в силовому колі, підсилювач зворотнього зв'язку, виконаний по диференціальній схемі, джерело опорної напруги та вимірювальний подільник вихідної напруги, верхнє плече якого виконано у вигляді двох послідовно з'єднаних резисторів, висока якість вихідної напруги забезпечується шляхом підключення колектора одного із транзисторів підсилювача зворотнього зв'язку до точки з'єднання резисторів верхнього плеча вимірювального подільника вихідної напруги Недоліками відомого стабілізатора є складність на строювання, оскільки в деяких випадках потребується підбір опору одного із резисторів верхнього плеча вимірювального подільника вихідної напруги, а також велика потужність розсіяння регулюючого транзистора В другому відомому стабілізаторі (див авт св СРСР №714379, кл G05F 1/58, 1977), який складається з регулюючого елементу, виконаного на транзисторах, підсилювача зворотнього зв'язку, джерела опорної напруги, а також вузла захисту, включаючого захисний транзистор і датчик струму в силовому колі, якість вихідної напруги покращена шляхом виконання датчика струму на двох послідовно сполучених резисторах та підключення до їх точки з'єднання джерела опорної напруги Недоліками другого відомого стабілізатора є недостатньо висока якість вихідної напруги та велика потужність розсіяння регулюючого елемента В відомому стабілізаторі (див авт св СРСР №832543, кп G05 F1/56, 1978), який включає регу о> 00 ю 51898 люючии елемент, виконаний на силовому, узгоджуючому та керуючому транзисторах з розділеними вихідними колекторними та емітерними ланцюгами, підсилювач зворотнього зв'язку з джерелом опорної напруги, вимірювальним подільником вихідної напруги та стабілізатором струму в якості вихідного навантаження, суттєво зменшені мінімальне падіння напруги і потужність розсіяння шляхом розділення вихідних колекторних та емітерних ланцюгів транзисторів регулюючого елемента Недоліками стабілізатора є невисока якість вихідної напруги оскільки підсилювач зворотнього зв'язку живиться через стабілізатор струму вхідною нестабілізованоюнапругою, а також низький коефіцієнт використання його елементів Із відомих стабілізаторів більш близьким за технічною суттю і прийнятим за прототип (див авт св СРСР №1786478, кл G05 F1/56, 1991) є компенсаційний стабілізатор постоійної напруги, що містить в собі регулюючий елемент, колектор керуючого транзистора якого через послідовно з'єднані переходи база-емітер узгоджуючого та силового транзисторів протилежної провідності сполучений з виводом для підключення напруги живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора, через перший напівпровідниковий елемент - з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною шиною, база через перехід колектор-емітер струм озад а вального транзистора зв'язана з виводом для підключення споживача, вузол запуску, що містить у собі вхідний подільник та комутуючий елемент, а також підсилювач зворотнього зв'язку, виконаний по диференціальній схемі, колектор вхідного транзистора якого безпосередньо з'єднаний з базоюструмозада вального транзистора, а через вирівнюючий резистор підключений до його емітера, база з'єднана з виходом джерела опорної напруги, емітер через резистор сполучений з загальною шиною і безпосередньо з'єднаний з емітером вихідного транзистора, база якого підключена до виходу вимірювального подільника вихідної напруги Даний стабілізатор володіє одночасно малим мінімальним падінням напруги оскільки роз'єднані колекторні та емітерні ВИХІДНІ ланцюги силового, узгоджуючого та керуючого транзисторів, підвищеною якістю вихідної напруги внаслідок живлення базового ланцюга керуючого транзистора стабільною вихідною напругою через струмозад звальний транзистор, а також самообмеженням струму короткого замикання Однак суттєвими недоліками стабілізатора, обмежуючими його застосування, є недостатньо мала величина мінімального падіння напруги, недостатньо висока якість вихідної напруги, великий струм короткого замикання, складність проектування та настроювання, складність схемного виконання, а також низька технологічність виробництва, особливо в мікроелектронному виконанні БІЛЬШІСТЬ недоліків пояснюються низькою точністю спрацьовування комутуючого елемента, яка залежить від коливань напруги живлення, температури навколишнього середовища, розкиду параметрів вхідного подільника вузла запуску та самого комутуючого елемента Комутуючий елемент може спрацювати в той момент, коли вихідна напруга не досяг ла своєї номінальної величини, або в момент, коли падіння напруги на регулюючому елементі стане декілька більшим в порівняні з заданим мінімальним падінням напруги Великий струм короткого замикання пояснюється підвищеним падінням напруги на обмежувальному резисторі при короткому замиканні та суттєвим його коливанням при ЗМІНІ напруги живлення В основу винаходу поставлена задача створення компенсаційного стабілізатора постійної напруги, в якому шляхом значного підвищення точності спрацьовування комутуючого елемента в умовах коливань напруги живлення, зміни температури навколишнього середовища та розкиду параметрів вузла запуску, а також зменшенням падіння напруги на обмежувальному резисторі в режимі короткого замикання та одночасним підвищенням ефективності використання елементів та вузлів зменшена величина мінімального падіння напруги, підвищена якість вихідної напруги, зменшений струм короткого замикання, спрощені процеси проектування та настроювання, спрощене схемне виконання, а також підвищена технологічність виробництва Поставлена задача вирішується тим, що в компенсаційному стабілізаторі постійної напруги, що містить в собі регулюючий елемент, колектор керуючого транзистора якого через послідовно з'єднані переходи база-емітер узгоджуючого та силового транзисторів протилежної провідності сполучений з виводом для підключення напруги живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора, через перший напівпровідниковий елемент - з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною шиною, база через перехід колектор-емітер струм озад а вального транзистора зв'язана з виводом для підключення споживача, вузол запуску, що містить в собі вхідний подільник та комутуючий елемент, а також підсилювач зворотнього зв'язку, виконаний по диференціальній схемі, колектор вхідного транзистора якого безпосередньо з'єднаний з базою струмозад а вального транзистора, а через вирівнюючий резистор підключений до його емітера, база з'єднана з виходом джерела опорної напруги, емітер через резистор сполучений з загальною шиною і безпосередньо з'єднаний з емітером вихідного транзистора, база якого підключена до виходу вимірювального подільника вихідної напруги, верхнє плече вхідного подільника виконане у виглядіструмостабілізуючогодвополюсника на транзисторі, емітер якого через струмозадавальний резистор з'єднаний з виводом для підключення напруги живлення, база з'єднана з другим напівпровідниковим елементом, а колектор безпосередньо підключений до бази керуючого транзистора, а через комутуючий елемент, ввімкнений в провідному напрямку, сполучений з колектором вихідного транзистора підсилювача зворотнього зв'язку, причому комутуючий елемент виконаний на СВІТЛО-ДІОДІ огтгоелектронного приладу, фототранзистор якого виконує функцію нижнього плеча вхідного подільника шляхом створення ланцюга зв'язку емггера транзистора верхнього плеча вхідного подільника з загальною шиною Спрацювання комутуючого елемента виникає в момент появи колекторного струму вихідного транзистора диференціального підсилювача зворотнього 51898 зв'язку, тобто точно в той момент, коли стабілізатор входить в нормальний режим роботи В режимі короткого замикання падіння напруги на обмежувальному резисторі та, ВІДПОВІДНО, струм короткого замикання визначаються параметрами ланцюга струмостабілізуючого двополюсника, знижуються до необхідної величини і практично не залежать від коливань напруги живлення При цьому частина елементів та вузлів стабілізатора виконують дві, або декілька функцій Аналіз науково-технічної та патентної лггератури не виявив аналогічних технічних рішень На Фіг показана електрична схема запропонованого компенсаційного стабілізатора постійної напруги Запропонований компенсаційний стабілізатор постійної напруги містить в собі регулюючий елемент, виконаний на силовому 1, узгоджуючому 2 та керуючому 3 транзисторах, вивід 4 для підключення напруги живлення, вивід 5 для підключення споживача, загальну шину 6, перший напівпровідниковий елемент 7, обмежувальний резистор 8, струмозадавальний транзистор 9, вирівнюючий резистор 10, вузол запуску, включаючий оптоелектронний прилад 11, світлодюд 12якого виконує функцію комутуючого елемента, фототранзистор 13 - функцію нижнього плеча вхідного подільника, і транзистор 14, струмозадавальний резистор 15, другий напівпровідниковий елемент 16, які утворюють струмостабілізуючий двополюсник та виконують функцію верхнього плеча вхідного подільника, а також підсилювач зворотнього зв'язку, що складається з вхідного 17 та вихідного 18 транзисторів, емітерного резистора 19, джерела опорної напруги 20, вимірювального подільника вихідної напруги 21 і виконаний по диференційній схемі Колектор керуючого транзистора 3 через послідовно з'єднані переходи база-емітер узгоджуючого 2 та силового 1 транзисторів сполучений з виводом 4 для підключення напруги живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора 2, через перший напівпровідниковий елемент 7 сполучений з колектором силового транзистора 1 та виводом 5 для підключення споживача, а через обмежувальний резистор 8 з'єднаний з загальною шиною 6 База керуючого транзистора З через перехід колектор-емітер струм озад а вального транзистора 9 зв'язана з колектором силового транзистора 1, через свгглодюд 12 огтгоелектронного приладу 11 підключена до колектора вихідного транзистора 18 підсилювача зворотнього зв'язку та безпосередньо з'єднана з колектором транзистора 14 верхнього плеча вхідного подільника, база якого підключена до другого напівпровідникового елемента 16, емітер через струмозадзвальний резистор 15 з'єднаний з виводом 4 для підключення напруги живлення, а через фототранзистор 13 огттоелектроиного приладу 1 1 - з загальною шиною 6 База вхідного транзистора 17 підсилювача зворотнього зв'язку з'єднана з виходом джерела опорної напруги 20, його колектор безпосередньо підключений до бази струмозадавального транзистора 9, а через вирівнюючий резистор 10 сполучений з виводом 5 для підключення споживача, емітер через емітерний резистор 19 з'єднаний з загальною шиною 6 і безпосередньо сполучений з емітером вихідного транзистора 18, база якого з'єднана з виходом вимірювального поді льника вихідної напруги 21 Запропонований компенсаційний стабілізатор постійної напруги працює таким чином При вмиканні напруги живлення транзистор 14 верхнього плеча вхідного подільника знаходиться у відкритому стані під впливом напруги другого напівпровідникового елемента 16 і забезпечує проходження запускаючого базового струму керуючого транзистора 3, фототранзистор 13 нижнього плеча вхідного подільника знаходиться при цьому в закритому стані В цей період відбувається включення стабілізатора і підвищення його вихідної напруги до номінальної величини В той момент, коли вихідна напруга стабілізатора досягає своєї номінальної величини, а падіння напруги на ньому має достатньо малу величину, відкривається вихідний транзистор 18 підсилювача зворотнього зв'язку, і з'являється його колекторний струм, що приводить до включення світлодюда 12 та, ВІДПОВІДНО, фототранзистора 13 оптоелектронного приладу 11 В подальшому транзистор 14 верхнього плеча вхідного подільника закривається струмом фототранзистора 13, а базове коло керуючого транзистора 3 та колекторне коло вихідного транзистора 18 підсилювача зворотнього зв'язку живляться струмом струм озад а вального транзистора 9, що забезпечує достатньо високу якість вихідної напруги оскільки при дестабілізуючих факторах вихідна напруга підтримується на заданому рівні за рахунок відповідної зміни провідності регулюючого елемента під впливом сигналів, надходжуючих як з виходу підсилювача зворотнього зв'язку, так і з виходу струмозадавального транзистора 9 3 ви ще в и кладеного витікає, що точність спрацьовування світлодюда 12 не залежить від коливань напруги живлення, температури навколишнього середовища, розкиду параметрів вхідного подільника вузла запуску, тобто суттєво підвищується В результаті зменшується мінімальне падіння напруги, підвищується якість вихідної напруги, спростовуються процеси проектування та настроювання, підвищується технологічність виробництва В режимі короткого замикання у колі струмозадзвальний резистор 15, перехід емітерколектор транзисторз 14, перехід колектор-бззз струмозздзвзльного трзнзисторз 9, вирівнюючий резистор 10 протікзє струм, що ззбезпечує можливість знзчного зменшення падіння напруги на обмежувальному резисторі 8, Us, та ВІДПОВІДНОГО зниження струму короткого замикання Струм короткого замикання І ю при цьому визначається виразом і [ 15 R 10 " 10 + U K 6 9 K69 R ~ U e63 1 де І15 - струм струм озад а вального резистора 15, Rio-опір вирівнюючого резистора 10, UK69, иЄбз - напруги на переходах колектор-база і емітер-база ВІДПОВІДНО струмозад а вального 9 та керуючого 3 транзисторів, Rs - опір обмежувального резистора 8, Ві - коефіцієнт підсилення струму силового транзистора 1 Оскільки струм 1і5, напруги UK69, Ue69, коефіцієнт підсилення В-і, а також опір Rs мають визначене постійне значення, величина струму І ю залежить в основному від опору R-іо та суттєво зменшується, а стабільність струму hs забезпечує значне зменшення залежності струму короткого замикання І ю від коли 51898 вань напруги живлення Величина опору вирівнюючого резистора 10 вибирається одночасно також із умови забезпечення рівності емітерних струмів вхідного 17 та вихідного 18 транзисторів підсилювача зворотнього зв'язку еб9 _ R10 20 еб17 2R19 де иЄб9, Ue6i7 - напруги на переходах емітербаза струмозада вально го 9 та вхідного 17 транзисторів, ІЬо - вихідна напруга джерела опорної напруги 20, U-I9 - опір емггерного резистора 19 Запропонований стабілізатор володіє підвищеною ефективність використання елементів та вузлів Це пояснюється тим, що у нормальному режимі роботи струмозада вальний транзистор 9 забезпечує живлення базового кола керуючого транзистора 3 та колекторного кола вихідного транзистора 18 високоякісним струмом, що позитивно впливає на якість вихідної напруги і падіння напруги, вирівнюючий резистор 10 забезпечує рівність емітерних струмів вхідного 17 та вихідного 18 транзисторів підсилювача зворотнього зв'язку, а падіння напруги на ньому створює необхідне значення провідності струмозадавального транзистора 9 В режимі короткого замикання перехід колектор-база струмозада вального транзистора 9 та вирівнюючий резистор 10 утворюють коло позитивного зміщення переходу базаемітер керуючого транзистора 3, яке забезпечує зниження струму короткого замикання Живлення цього кола здійснюється стабільним колекторним струмом транзистора 14, який разом з струмозадавальним резистором 15 та другим напівпровіднико 8 вим елементом 16 представляє верхнє плече вхідного подільника, який забезпечує запуск стабілізатора при включенні Таким чином запропонований компенсаційний стабілізатор постійної напруги володіє одночасно малою величиною мінімального падіння напруги, високою якістю вихідної напруги, малим струмом короткого замикання та незначною залежністю його від коливань напруги живлення, спрощеними процесами проектування та настроювання, покрашеною технологічністю виробництва, а також простотою схемного виконання, оскільки частина його елементів та вузлів виконують дві або декілька функцій Експериментальні дослідження підтвердили позитивні якості запропонованого компенсаційного стабілізатора постійної напруги В порівнянні з прототипом в 2 рази зменшені нестабільність та пульсація вихідної напруги, в 1,2-1,4 рази знижене мінімальне падіння напруги, в 10 раз зменшені струм короткого замикання та його коливання при ЗМІНІ напруги живлення, підвищена ефективність використання елементів та вузлів стабілізатора, спрощені процеси проектування і настроювання, а також покращена технологічність виробництва В стабілізаторі з вихідною напругою 15 В і струмом 1 А одержані нестабільність вихідної напруги при ЗМІНІ напруги живлення - < 0,0005%, пульсація вихідної напруги при пульсації напруги живлення (15) В - 1000000), мінімальне падіння напруги < 0,08 В, струм короткого замикання < 0,05 А Запропоноване технічне рішення може бути використаним при розробці високоефективних мікроелектронних стабілізаторів постійної напруги ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71