“low drop” стабілізатор постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача

Стабілізатор постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача, що містить регулюючий елемент, колектор керуючого транзистора якого через послідовно з'єднані переходи база-емітер узгоджувального та силового транзисторів протилежної провідності сполучений з виводом для підключення напруги живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджувального транзистора, через напівпровідниковий елемент - з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною ши ною, база безпосередньо сполучена з виходом підсилювача зворотного зв'язку, що включає джерело опорної напруги та вимірювальний подільник вихідної напруги, а через перший струмостабілізуючий двополюсник, виконаний на польовому транзисторі та першому струмозадавальному резисторі - з виводом для підключення напруги живлення, який відрізняється тим, що в нього введений другий струмозадавальний резистор, а стік польового транзистора з'єднаний з виводом для підключення напруги живлення, витік через перший струмозадавальний резистор сполучений з його затвором та базою керуючого транзистора регулюючого елемента, а через другий струмозадавальний резистор з'єднаний з виводом для підключення споживача, причому перший та другий струмозадавальні резистори утворюють другий струмостабілізуючий двополюсник Винахід відноситься до галузі електротехніки і може бути використаним при проектуванні джерел вторинного електроживлення ВІДОМІ стабілізатори постійної напруги, які володіють малим мінімальним падінням напруги (стабілізатори серії "LOW DROP"), високою якістю вихідної напруги і використовуються для резервування живлення та живлення споживача В одному з відомих стабілізаторів (див Дремов С Т и др Микроэлектронные стабилизаторы в источниках питания газоаналитической аппаратуры - В кн Анализ газов с применением современных средств микроэлектроники и полупроводниковой техники Сб трудов / ВНИИАП Киев, 1982, стр 6), який містить в собі регулюючий елемент, виконаний на транзисторах по схемі Дарлінгтона, та вузол керування, падіння напруги на регулюючому елементі зменшено шляхом розділу ланцюгів живлення його силового, узгоджуючого та керуючого транзисторів Суттєвими недоліками відомого стабілізатора є складність технічного рішення, оскільки необхідне додаткове джерело вхідної напруги, а також низька якість вихідної на пруги В другому відомому стабілізаторі (див авт св СРСР №892426, кл G05F 1/56, 1979), який складається з регулюючого елемента, виконаного на транзисторах з розділеними вихідними ланцюгами, підсилювача зворотнього зв'язку, а також струмостабілізуючого двополюсника, падіння напруги на регулюючому елементі зменшено шляхом розділу вихідних колекторних та еміторних ланцюгів його силового, узгоджуючих та керуючого транзисторів Даний стабілізатор відносно простий в схемному виконанні Його основним недоліком залишається невисока якість вихідної напруги Із відомих стабілізаторів більш близьким за технічною суттю й прийнятим за прототип (див авт св СРСР № 832543, кл G05F 1/56, 1978) є "LOW DROP" стабілізатор постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача, 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 со ю ю 52153 живлення, емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора, через напівпровідниковий елемент - з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною шиною, база безпосередньо сполучена з виходом підсилювача зворотнього зв'язку, включаючого джерело опроної напруги, та вимірювальний подільник вихідної напруги, а через перший струмостабілізуючий двополюсник, виконаний на польовому транзисторі та першому струмозадавальному резисторі - з виводом для підключення напруги живлення Даний стабілізатор відноситься до серії "LOW DROP", оскільки має достатньо мале мінімальне падіння напруги Крім цього стабілізатор одночасно простий у схемотехнічному виконанні, так як мінімальне падіння напруги досягнуто шляхом використання тільки одного ланцюга, що складається з напівпровідникового елементу та обмежувального резистора Однак суттєвим недоліком стабілізатора, який обмежує його застосування є невисока якість вихідної напруги в режимах резервування живлення та живлення споживача Цей недолік пояснюється тим, що в даних режимах роботи підсилювач зворотнього зв'язку, та базовий ланцюг керуючого транзистора через перший струмостабілізуючий двополюсник живляться нестабілізованою вхідною напругою В основу винаходу поставлена задача створення "LOW DROP" стабілізатора постійної напруги, в якому шляхом підвищення якості струму струм о стабілізуючого двополюсника в режимі резервування живлення та живлення споживача значно підвищ єн а якість вихідної напруги Поставлена задача вирішується тим, що в "LOW DROP" стабілізаторі постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача, 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 напівпровідниковий елемент- з колектором силового транзистора та виводом для підключення споживача, а через обмежувальний резистор - з загальною шиною, база безпосередньо сполучена з виходом підсилювача зворотнього зв'язку, включаючого джерело опорної напруги та вимірювальний подільник вихідної напруги, а через перший струмостабілізуючий двополюсник, виконаний на польовому транзисторі та першому струмозадавальному резисторі - з виводом для підключення напруги живлення, введений другий струмозадавальний резистор, а сток польового транзистора з'єднаний з виводом для підключення напруги живлення, істок через перший струмозадавальний резистор сполучений з його затвором та базою керуючого транзистора регулюючого елемента, а через другий струмозадавальний резистор з'єднаний з виводом для підключення споживача, причому перший та другий струмозадавальні резис тори утворюють другий струмостабілізуючий двополюсник На фіг показана електрична схема запропонованого "LOW DROP" стабілізатора постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача Запропонований "LOW DROP" стабілізатор постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача 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, напівпровідниковий елемент 7, обмежувальний резистор 8, підсилювач зворотнього зв'язку, що складається з вхідного 9 та вихідного 10 транзисторів, емітерного резистора 11, джерела опорної напруги, виконаного на стабілітроні 12 та резисторі 13, вимірювального подільника вихідної напруги, виконаного на резисторах 14, 5, перший струмостабілізуючий двополюсник, виконаний на польовому транзисторі 16 та першому струмозадавальному резисторі 17, другий струмозадавальний резистор 18, а також умовно показані джерело 19 напруги живлення і споживач 20 Колектор керуючого транзистора 3 через переходи база - емітер узгоджуючого 2 та силового 1 транзисторів регулюючого елемента сполучений з виводом 4 для підключення джерела 19 напруги живлення, його емітер безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора 2, через напівпровідниковий елемент 7 - з колектором силового транзистора 1 та виводом 5 для підключення споживача 20, а через обмежувальний резистор 8 - з загальною шиною 6 База керуючого транзистора 3 безпосередньо з'єднана з колектором вихідного транзистора 10 підсилювача зворотнього зв'язку та з затвором польового транзистора 16 першого струм о стабілізуючого двополюсника, через послідовно сполучені перший струмозадавальний резистор 17 та перехід істок-сток польового транзистора 16 з'єднана з виводом 4 для підключення джерела 19 напруги живлення, а через послідовно сполучені перший 17 та другий 18 струмозадавальні резистори другого струмостабілізуючого двополюсника з'єднана з виходом 5 для підключення споживача 20 База вихідного транзистора 10 підсилювача зворотнього зв'язку сполучена з точкою з'єднання резисторів 14,15 вимірювального подільника вихідної напруги, емітер через емітерний резистор 11 сполучений з загальною шиною 6 і безпосередньо з'єднаний з емітером вхідного транзистора 9 підсилювача зворотнього зв'язку, база якого через стабілітрон 12 джерела опорної напруги сполучена з загальною шиною 6, а через резистор 13 джерела опорної напруги з'єднана з колектором та виводом 5 для підключення споживача 20 Запропонований "LOW DROP" стабілізатор постійної напруги призначений для роботи як в режимі резервування живлення так і в режимі живлення споживача В режимі резервування живлення споживача стабілізатор працює наступним чином В нормальних умовах роботи споживач 20 живиться стабіль 52153 ною напругою джерела 19 напруги живлення Силовий транзистор 1 стабілізатора, настроєного при цьому на вихідну напругу, яка на (3-ь5)% перевищує вихідну напругу джерела 19 напруги живлення, знаходиться в режимі насичення, оскільки вихідний транзистор 10 підсилювача зворотнього зв'язку закритий, і струм першого стабілізуючого двополюсника повністю втікає в базовий ланцюг керуючого транзистора 3 Стабільність вихідної напруги джерела 19 забезпечує високу якість струму першого струмостабілізуючого двополюсника і, як наслідок, надійний відкритий режим роботи керуючого 3 та узгоджуючого 2 транзисторів і стабільну напругу насичення силового транзистора 1, величина якої достатньо мала (0 1 0,15)В і не впливає на роботу споживача 20 При цьому базовий струм насичення силового транзистора 1 протікає через узгоджуючий транзистор 2 та обмежувальний резистор 8, а струм напівпровідниового елементу 7 відсутній, і він знаходиться в непрацюючому стані Таким чином внаслідок відсутності робочої напруги на напівпровідниковому елементі 7, через ланцюг, що складається з послідовно з'єднаних другого 18 та першого 17 струмозадавальних резисторів другого струмостабілізуючого двополюсника, струм не протікає А величина струму першого струмостабілізуючого двополюсника, який протікає через польовий транзистор 16 (Ііб), та перший струмозадавальний резистор 17 (їй), визначається виразом де ІІзі відс 16 - напругазатвор-істок ВІДСІЧКИ польового транзистора 16, R-I7 - величина опору першого струмозадавального резистора 17 У разі виникнення аварійної ситуації, коли джерело 19 напруги живлення виходить із ладу, і напруга живлення споживача 20 може підвищитись до недопустимої величини, стабілізатор входить в нормальний режим роботи, та обмежує напругу на споживачі 20 на допустимому рівні, який на (3 5)% перевищує номінальну робочу величину Відбувається це наступним чином При підвищенні вихідної напруги стабілізатора до заданої допустимої величини, яка визначається коефіцієнтом поділу вимірювального подільника вихідної напруги, відкривається вихідний транзистор 10 підсилювача зворотнього зв'язку, і через нього починає протікати частина струму першого струмостабілізуючого двополюсника Це призводить до зменшення базового струму керуючого транзистора 3, зменшення провідності узгоджуючого транзистора 2 та зменшення базового струму силового транзистора 1, який з режиму насичення переходить в ЛІНІЙНИЙ режим роботи Падіння напруги на силовому транзисторі 1 при цьому збільшується і компенсує різницю підвищеної напруги джерела 19 та вихідної напруги стабілізатора При коливаннях напруги джерела 19 зміна колекторного струму вихідного транзистора 10 викликає і відповідну зміну базового струму керуючого транзистора З При цьому базовий струм та провідність силового транзистора 1 змінюються таким чином, що вихідна напруга стабілізатора 8 умовах коливань вхідної напруги залишається стабільною Запропонований стабілізатор відноситься до стабілізаторів типу "LOW DROP", так як має достатньо малу величину мінімального падіння напруги (Uekimm) Пояснюється де тим, шо полярність напруг, на напівпровідниковому елементі 7 (U7) протилежна полярності напруги на переходах емітер-колектор узгоджуючого транзистора 2 (ІІекг) та емітер-база силового транзистора 1 (ІІеббі) згідно з формулою Ueo, - U7 (2) Після входження стабілізатора в нормальний режим роботи на напівпровідниковому елементі 7 з'являється робоча напруга ІІ7, і через ланцюг, що складається з першого 17 та другого 18 струмозадавальних резисторів другого струмостабілізуючого двополюсника починає протікати струм \м згідно з формулою U7 R17 + R u де ІІебз - напруга на переході емітер-база керуючого транзистора З, R-I7, Ris - величини опорів першого 17 та другого 18 струмозадавальних резисторів У результаті на першому струмозадавальному резисторі 17 з'являється падіння напруги ( І ^ * R17), яке приводить до закриття польового транзистора 16, та одночасного переходу живлення базового ланцюга керуючого транзистора 3 регулюючого елемента та колекторного ланцюга вихідного транзистора 10 підсилювача зворотнього зв'язку через другий струмо-стабілізуючий двополюсник вихідною напругою стабілізатора Умова надійного закриття польового транзистора при цьому характеризується наступним виразом U? - Ue6;J R-18 (4) Таким чином, після входження стабілізатора в нормальний режим роботи перший 17 та другий 18 струмозадавальні резистори утворюють другий, більш якісний, струмостабілізуючий двополюсник для живлення базового ланцюга вихідного транзистора 3 регулюючого елемента та колекторного ланцюга вихідного транзистора 10 підсилювача зворотнього зв'язку, оскільки він живиться стабільною вихідною напругою А це призводить до суттєвого підвищення якості вихідної напруги стабілізатора вцілому В режимі живлення споживача стабілізатор працює аналогічно як у розглянутому випадку виникнення аварійної ситуації режиму резервування живлення споживача Тобто в момент включення базовий ланцюг керуючого транзистора 3 живиться запускаючим струмом першого струмостабілізуючого двополюсника згідно з формулою (1) Коли вихідна напруга стабілізатора досягає свого 52153 номінального значення, базовий ланцюг керуючого транзистора 3 та колекторний ланцюг вихідного транзистора 10 згідно з формулами (3,4) живляться більш якісним струмом Таким чином одержаний "LOW DROP" стабілізатор постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача, який володіє підвищеною якістю вихідної напруги як в режимі резервування живлення так і в режимі живлення споживача, що суттєво розширює можливість його застосування При цьому поставлена задача вирішена не за рахунок ускладнення схеми , аза рахунок збільшення КІЛЬКОСТІ виконуючих функцій напівпровідникового елементу 7 Так, згідно з формулою (2) напівпровідниковий елемент 7 зменшує мінімальне падіння напруги на силовому транзис 8 торі 1, тобто на стабілізаторі, а згідно з формулами (3 та 4) забезпечує покращення якості струму другого струмозадавального двополюсника і суттєве підвищення якості вихідної напруги Експериментальні дослідження підтвердили працездатність та позитивні якості запропонованого "LOW DROP" стабілізатора постійної напруги для резервування живлення та живлення споживача У порівняні з прототипом в 5 раз зменшені нестабільність і пульсація вихідної напруги стабілізатор а в режимах резервування живлення та живлення споживача Експериментальні дослідження проводились у складі аналізатора безперервного контролю зміни прозорості світлих нафтопродуктів ТОН-420 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