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 два резистори. Вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора та першого виводу резисторного датчика струму, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача та першим виходом пристрою. Другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора та другим входом диференціального підсилювача, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом пристрою. Згідно з винаходом в нього додатково введений електронний підсилювальний елемент. Його вхід з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого входу-виходу пристрою, до якого приєднаний другий вивід другого резистора, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента. Вхід вузла керування підключений до першого виходу пристрою, а вихід - до другого керуючого входу регулюючого елемента. За рахунок усунення зростання потужності розсіювання на регулюючому елементі і полегшення температурного режиму цього елемента на початковому етапі роботи, підвищується точність роботи стабілізатора, що підвищує його надійність при спрощенні пристрою. UA 101697 C2 (12) UA 101697 C2 UA 101697 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, б), який містить послідовний регулюючий елемент - транзистор, вхід якого підключений до першого входу пристрою, вузол управління, що являє собою схему порівняння, вихід якої підключений до бази регулюючого транзистора, і елементи захисту: резисторний датчик струму навантаження, перший вивід якого підключений до виходу регулюючого елемента, другий вивід є першим виходом пристрою, перший та другий резистори, 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 з'єднаного з другим входом другого виходу пристрою, і транзисторний підсилювач захисту, перехід база-емітер якого підключений між точкою з'єднання між собою першого та другого резисторів і першим виходом пристрою, а колектор підключений до бази регулюючого транзистора. На рис. 10, б "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, резисторний датчик струму, вузол управління, диференціальний підсилювач, резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора та першого виводу резисторного датчика струму, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача та першим виходом пристрою, а другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора та другим входом диференціального підсилювача, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом 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 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 стабілізатора є такі ознаки: регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол управління, диференціальний підсилювач, резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора та першого виводу резисторного датчика струму, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача та першим виходом пристрою, а другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора та 1 UA 101697 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 другим входом диференціального підсилювача, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом пристрою. 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 із-за зменшення вихідної напруги стабілізатора Uст. Лише при подальшому перевантаженні, коли елемент, що стабілізує струм, виходить з режиму стабілізації, струм навантаження і потужність розсіювання зменшуються. Крім того, на точність початку спрацьовування 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 і складається з багатьох елементів, пристрій ускладнюється. В основу пропонованого винаходу поставлена задача усунення зростання потужності розсіювання на регулюючому елементі і полегшення температурного режиму цього елемента на початковому етапі роботи схеми захисту від струмів перевантаження, підвищення точності роботи стабілізатора, спрощення пристрою і, як наслідок, підвищення його надійності. Поставлена задача вирішується тим, що в стабілізатор постійної напруги, що містить регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол керування, диференціальний підсилювач та два резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора та першого виводу резисторного датчика струму, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача та першим виходом пристрою, а другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора та другим входом диференціального підсилювача, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом пристрою, згідно з винаходом, в нього додатково введений електронний підсилювальний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого входу-виходу пристрою, до якого приєднаний другий вивід другого резистора, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента, вхід вузла керування підключений до першого виходу пристрою, а вихід - до другого керуючого входу регулюючого елемента. Відмінними ознаками пропонованого пристрою є електронний підсилювальний елемент, вхід якого зв'язаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого входу-виходу пристрою, до якого приєднано другий вивід другого резистора, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента, вхід вузла керування підключений до першого виходу пристрою, а вихід - до другого керуючого входу регулюючого елемента. Підключення другого виводу другого резистора до другого виходу пристрою створює міст, однією гілкою якого є вказані перший і другий резистори, а другою - послідовно з'єднані резисторний датчик струму та навантаження пристрою. Введення додаткового електронного підсилювального елемента, перший вихід якого підключений до другого виходу пристрою, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента, наближає рівень напруги на виході диференціального підсилювача при балансі моста на початку роботи захисту до рівня відпирання по входу цього підсилювального елемента (в ідеальному випадку рівного нулю) і усуває залежність відпирання від напруги ланцюга, до якого підключається його другий вихід. Це підвищує точність спрацьовування схеми захисту. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких зображені: на фіг. 1 - блок-схема пропонованого пристрою; на фіг.2 - вихідні вольт-амперні характеристики пропонованого пристрою (а) та пристроюпрототипу (b). Пропонований стабілізатор (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 пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора 5 та першого виводу резисторного датчика струму 2, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача 4 та першим виходом пристрою, а другий вивід першого резистора 5 з'єднаний з першим виводом другого резистора 6 та другим входом диференціального підсилювача 4, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом пристрою, вхід електронного підсилювального елемента 7 зв'язаний з виходом диференціального підсилювача 4, перший вихід підключений до другого входу-виходу пристрою, до якого 2 UA 101697 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 приєднано другий вивід другого резистора 6, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента 1, вхід вузла керування 3 підключений до першого виходу пристрою, а вихід - до другого керуючого входу регулюючого елемента 1. Пристрій працює наступним чином. На перший та другий входи пристрою подається напруга Е первинного джерела живлення, а до першого та другого виходів підключено резистор навантаження Rн, на якому є вихідна напруга Uст пристрою. При нормальному навантаженні падіння напруги на опорі резисторного 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 цей елемент закритий і не впливає на нормальний режим стабілізації. Зі зменшенням опору резистора навантаження Rн до граничної величини міст, утворений резисторами 5 і 6 та датчиком струму 2 і резистором навантаження Rн, 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 стабілізації продовжується. При перевантаженні, тобто коли опір резистора навантаження Rн стає меншим гранично припустимої величини, баланс порушується, і з виходу диференціального підсилювача 4 на вхід електронного підсилювального елемента 7 надходить напруга з полярністю, при якій останній відпирається. В результаті зменшується напруга на першому керуючому вході регулюючого елемента 1, що призводить до 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 і регулюючий елемент 1, який перевищує певну величину, потужність розсіювання на регулюючому елементі зі збільшенням перевантаження завжди буде менше, ніж на початку перевантаження. При короткому замиканні на виході стабілізатора його струм досягає деякої мінімальної величини, але не рівної нулю, що забезпечує повернення пристрою 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 схеми 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 пристрій, який може бути реалізований на відомих електронних елементах - як на напівпровідникових приладах, так і на електронних лампах, а також на мікросхемах. 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. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Стабілізатор постійної напруги, що містить регулюючий елемент, резисторний датчик струму, вузол керування, диференціальний підсилювач та два резистори, причому вхід регулюючого елемента підключений до першого входу пристрою, а вихід - до першого виводу першого резистора та першого виводу резисторного датчика струму, другий вивід якого з'єднаний з першим входом диференціального підсилювача та першим виходом пристрою, а другий вивід першого резистора з'єднаний з першим виводом другого резистора та другим входом диференціального підсилювача, другий вхід пристрою з'єднаний з другим виходом пристрою, який відрізняється тим, що в нього додатково введений електронний підсилювальний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, перший вихід підключений до другого входу-виходу пристрою, до якого приєднаний другий вивід другого резистора, а другий вихід з'єднаний з першим керуючим входом регулюючого елемента, вхід вузла керування підключений до першого виходу пристрою, а вихід - до другого керуючого входу регулюючого елемента. 3 UA 101697 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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