Стабілізатор постійної напруги

Реферат: Винахід належить до електронної техніки і може бути використаний для живлення електронних пристроїв. Стабілізатор постійної напруги містить регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол керування, диференціальний підсилювач та перший і другий резистори. Вхід регулюючого елемента підключений до першого входу стабілізатора, а вихід підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід якого з'єднаний з першим виводом другого резистора та з першим входом диференціального підсилювача. В стабілізатор додатково введений електронний підсилювальний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого виводу другого резистора, першого виводу резисторного датчика струму та другого входу стабілізатора, другий вихід електронного підсилювального елемента з'єднаний з першим керуючим входом вузла керування. Другий керуючий вхід вузла керування підключений до першого виходу стабілізатора та виходу регулюючого елемента, а його вихід - до керуючого входу регулюючого елемента. Другий вхід диференціального підсилювача підключений до другого виводу резисторного датчика струму та другого виходу стабілізатора. Стабілізатор забезпечує усунення зростання потужності розсіювання на регулюючому елементі, полегшення температурного режиму цього елемента на початковому етапі роботи схеми захисту та зменшення вхідних напруг диференціального підсилювача, що підвищує точність роботи схеми захисту при спрощеному конструктивному виконання стабілізатора та підвищує надійність його роботи. UA 101230 C2 (12) UA 101230 C2 UA 101230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електронної техніки і може бути використаний для живлення електронних пристроїв різного призначення. Стабілізатори постійної напруги із захистом від перевантаження по струму, в тому числі і від короткого замикання, широко розповсюджені, особливо в електронних пристроях, побудованих на напівпровідникових приладах, що забезпечує їх збереження в аварійних ситуаціях. Відомий стабілізатор постійної напруги із захистом від перевантаження по струму (Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока. М.: "Советское радио", 1980, с. 265, рис. 10,а), який містить послідовний регулюючий елемент - транзистор, вхід якого підключений до першого входу пристрою, а вихід є першим виходом пристрою, вузол управління, що являє собою схему порівняння, вихід якої підключений до бази регулюючого транзистора, і елементи захисту: резисторний датчик струму, перший вивід якого є другим входом пристрою, а другий вивід є другим виходом пристрою, перший та другий резистори і транзисторний підсилювач, причому вихід регулюючого елемента підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора, другий вивід другого резистора підключений до другого входу пристрою, перехід база-емітер транзисторного підсилювача підключений між точкою з'єднання між собою першого та другого резисторів і другим виходом пристрою, а колектор транзисторного підсилювача підключений до бази регулюючого транзистора. На рис.10,а "схема порівняння включає в себе подільник вихідної напруги, джерело опорної напруги з подільником цієї напруги, різними компенсуючими елементами, які впливають на порівняння напруг, і транзистор, у ланцюг бази якого надходить різниця напруг" (там же, стор. 103). Спільними для вказаного аналога і пропонованого стабілізатора є такі ознаки: регулюючий елемент, вхід якого підключений до першого входу пристрою, а вихід є першим виходом пристрою, вузол управління та елементи захисту: резисторний датчик струму, перший вивід якого є другим входом пристрою, а другий вивід є другим виходом пристрою, перший та другий резистори і підсилювач, причому вихід регулюючого елемента підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора, другий вивід другого резистора підключений до другого входу пристрою, один вхід підсилювача підключений до точки з'єднання між собою першого та другого резисторів, а другий - до другого виходу пристрою. Недолік аналога полягає в тому, що в процесі спрацьовування захисту при деякому навантаженні потужність розсіювання на регулюючому елементі перевищує величину на початку спрацьовування захисту. Вказана потужність, як функція, що являє собою добуток двох величин, однієї - монотонно зростаючої (напруга на регулюючому елементі), а другої - спочатку зростаючої, а потім спадаючої (струм навантаження), має максимум, і цей максимум спостерігається на початковій стадії перевантаження. Причиною цього є нелінійна вхідна характеристика транзистора - підсилювача захисту, яка не забезпечує необхідної величини коефіцієнта підсилення на початку спрацьовування захисту. Крім того, із-за розкиду параметрів транзистора і температурної нестабільності його вхідної характеристики неможливо точно встановити величину струму спрацьовування захисту. Відомий також стабілізатор напруги, вибраний нами як прототип (А.с. СССР № 1365064, МПК G05 F 1/569), що містить резисторний датчик струму, послідовно з'єднаний з ним регулюючий елемент, резисторний подільник напруги, верхнє плече якого є джерелом зміщення і підключене до місця з'єднання регулюючого елемента і датчика струму, елемент захисту, що являє собою диференціальний підсилювач, підключений одним входом до вихідного виводу і датчика струму, другим - до середньої точки резисторного подільника напруги, з виходом, підключеним до керуючого входу регулюючого елемента і виходу вузла управління через діод, та елемент, що стабілізує струм, увімкнений між нижнім плечем вказаного подільника напруги і загальною шиною стабілізатора. Елемент, що стабілізує струм, виконаний у вигляді двополюсника, що складається з транзистора, колектор якого з'єднаний з нижнім плечем резисторного подільника напруги, резистора, операційного підсилювача і джерела опорної напруги, причому емітер вказаного транзистора через резистор підключений до загальної шини, база - до виходу операційного підсилювача, неінвертуючий вхід якого з'єднаний з емітером транзистора, а інвертуючий вхід з'єднаний з одним виводом джерела опорної напруги, другий вивід якого з'єднаний із загальною шиною. Спільними для прототипу і пропонованого пристрою є такі ознаки: регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол управління, диференціальний підсилювач, перший та другий резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід якого з'єднаний з першим виводом другого резистора та першим входом диференціального підсилювача. 1 UA 101230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Недоліком прототипу є те, що в деякому діапазоні зменшення опору навантаження після початку спрацьовування захисту потужність розсіювання на регулюючому елементі прототипу збільшується. Причиною цього є те, що струм навантаження І н стабілізується, а напруга на регулюючому елементі зростає з-за зменшення вихідної напруги стабілізатора Uст. Лише при подальшому перевантаженні, коли елемент, що стабілізує струм, виходить з режиму стабілізації струму, струм навантаження і потужність розсіювання зменшуються. Крім того, на точність роботи схеми захисту впливає напруга на виводі діода, підключеному до керуючого входу регулюючого елемента: діод відкривається не при балансі вхідних напруг диференціального підсилювача та рівності нулю вихідної напруги підсилювача, а тоді, коли ця напруга стане меншою напруги на керуючому вході регулюючого елемента. З-за наявності елемента, що стабілізує струм, який складається з багатьох елементів, пристрій ускладнюється. Крім того, в стабілізаторах з великою вихідною напругою в деяких випадках напруга, яка подається на входи диференціального підсилювача, може бути неприпустимо високою, а з-за наявності елемента, що стабілізує струм, який складається з багатьох елементів, пристрій ускладнюється. В основу запропонованого винаходу поставлена задача усунення зростання потужності розсіювання на регулюючому елементі і полегшення температурного режиму цього елемента на початковому етапі роботи блока захисту від струмів перевантаження, зменшення вхідних напруг диференціального підсилювача, підвищення точності роботи схеми захисту, спрощення пристрою і, як наслідок, підвищення надійності. Поставлена задача вирішується тим, що в стабілізатор постійної напруги, що містить регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол керування, диференціальний підсилювач, резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу стабілізатора, а вихід підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід якого з'єднаний з першим виводом другого резистора та першим входом диференціального підсилювача, згідно з винаходом, додатково введений електронний підсилювальний елемент, вхід якого зв'язаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого виводу другого резистора, першого вивода резисторного датчика струму та другого входу стабілізатора, другий вихід електронного підсилювального елемента з'єднаний з першим керуючим входом вузла керування, другий керуючий вхід вузла керування підключений до першого виходу стабілізатора та виходу регулюючого елемента, а його вихід - до керуючого входу регулюючого елемента, другий вхід диференціального підсилювача підключений до другого виводу резисторного датчика струму та другого виходу стабілізатора. Увімкнення резисторного датчика струму навантаження між другим входом і другим виходом стабілізатора зменшує напруги на входах диференціального підсилювача і дозволяє будувати цей пристрій на низьковольтних елементах. Підключення другого виводу другого резистора до другого входу стабілізатора створює міст, одною гілкою якого є вказані перший і другий резистори, а другою - послідовно з'єднані навантаження стабілізатора та резисторний датчик струму. При коефіцієнті підсилення петлі зворотного зв'язку, що охоплює диференціальний підсилювач, додатковий підсилювальний елемент, вузол керування і регулюючий елемент, який перевищує певну величину, струм навантаження і напруга на ньому зменшуються настільки швидко, що потужність розсіювання на регулюючому елементі при перевантаженні завжди буде менше, ніж на початку перевантаження. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких зображені: на фіг. 1 - блок-схема пропонованого стабілізатора; на фіг. 2 - вихідні вольт-амперні характеристики запропонованого пристрою (a) та пристроюпрототипу (b). Запропонований стабілізатор постійної напруги (фіг. 1) містить регулюючий елемент 1, резисторний датчик струму 2, вузол керування 3, диференціальний підсилювач 4, резистори 5 та 6, електронний підсилювальний елемент 7, причому вхід регулюючого елемента 1 підключений до першого входу стабілізатора, а вихід підключений до першого виводу першого резистора 5, другий вивід якого з'єднаний з першим виводом другого резистора 6 та першим входом диференціального підсилювача 4, вхід електронного підсилювального елемента 7 зв'язаний з виходом диференціального підсилювача 4, перший вихід підключений до другого виводу другого резистора 6, першого вивода датчика струму 2 та другого входу стабілізатора, другий вихід електронного підсилювального елемента 7 з'єднаний з першим керуючим входом вузла керування 3, другий керуючий вхід вузла керування 3 підключений до першого виходу стабілізатора та виходу регулюючого елемента 1, а його вихід - до керуючого входу 2 UA 101230 C2 5 10 15 20 25 30 35 регулюючого елемента 1, другий вхід диференціального підсилювача 4 підключений до другого виводу датчика струму 2 та другого виходу стабілізатора. Стабілізатор працює наступним чином. На перший та другий вхідні виводи стабілізатора подається напруга Е первинного джерела живлення, а до першого та другого вихідних виводів підключено резистор навантаження Rн з вихідною напругою Uст на ньому. При нормальному навантаженні падіння напруги на опорі датчика струму 2, створюване струмом навантаження не перевищує падіння напруги на резисторі 5, і на вхід електронного підсилювального елемента 7 з виходу диференціального підсилювача 4 подається напруга з полярністю, при якій елемент 7 закритий. Він не впливає на нормальний режим стабілізації. Зі зменшенням опору навантаження Rн до граничної величини міст, утворений резисторами 5 і 6 та резистором навантаженням Rн і датчиком струму 2, приходить у рівновагу, різниця напруг на входах диференціального підсилювача 4 стає рівною нулю, і також стає рівною нулю і напруга на його виході. Електронний підсилювальний елемент 7 закритий, і нормальний режим продовжується. При перевантаженні, тобто коли опір резистора навантаження R н стає меншим гранично припустимої величини, баланс порушується, і з виходу диференціального підсилювача 4 на вхід елемента 7 надходить напруга з полярністю, при якій останній відпирається. В результаті зменшується напруга на першому вході вузла керування 3, що призводить до відповідної зміни напруги на керуючому вході регулюючого елемента 1 і зменшення напруги на його виході. Напруга Uст на навантаженні Rн і струм Ін через нього також зменшуються. При коефіцієнті підсилення петлі зворотного зв'язку, що охоплює диференціальний підсилювач 4, електронний підсилювальний елемент 7, вузол керування 3 і регулюючий елемент 1, який перевищує певну величину, потужність розсіювання на регулюючому елементі зі збільшенням перевантаження завжди буде менша, ніж на початку перевантаження. При короткому замиканні на виході стабілізатора його струм досягає деякої мінімальної величини, але не рівної нулю, що забезпечує повернення стабілізатора в нормальний режим з усуненням перевантаження. В стабілізаторах з регульованою вихідною напругою запропонований винахід з параметрами захисту, розрахованими для верхнього значення вихідної напруги, забезпечує спрацьовування захисту при меншому струмі для нижнього крайнього значення цієї напруги, такому, що потужність розсіювання регулюючого елемента також не перевищує розрахункову величину, незважаючи на більшу напругу на цьому елементі. Запропоноване рішення підвищує надійність захисту і спрощує стабілізатор, який може бути реалізований на відомих електронних елементах - як на напівпровідникових приладах, так і на електронних лампах, а також у вигляді мікросхеми. Як електронний підсилювальний елемент можуть бути використані відомі транзистори або електронні лампи. Першим виходом вказаного елемента є емітер або витік у транзистора і катод у лампи, а другим виходом є колектор або стік у транзистора і анод у лампи. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Стабілізатор постійної напруги, що містить регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол керування, диференціальний підсилювач та перший і другий резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу стабілізатора, а вихід підключений до першого виводу першого резистора, другий вивід якого з'єднаний з першим виводом другого резистора та з першим входом диференціального підсилювача, який відрізняється тим, що в нього додатково введений електронний підсилювальний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого виводу другого резистора, першого виводу резисторного датчика струму та другого входу стабілізатора, другий вихід електронного підсилювального елемента з'єднаний з першим керуючим входом вузла керування, другий керуючий вхід вузла керування підключений до першого виходу стабілізатора та виходу регулюючого елемента, а його вихід - до керуючого входу регулюючого елемента, другий вхід диференціального підсилювача підключений до другого виводу резисторного датчика струму та другого виходу стабілізатора. 3 UA 101230 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4