Стабілізатор постійної напруги з компенсаційним зв’язком по струму навантаження

Стабілізатор постійної напруги з компенсаційним зв'язком по струму навантаження, що складається з регулюючого елемента, включеного послідовно з наванта женням, вимірювального елемента вихі дної напруги стабілізатора, з виходу якого напруга зворотного зв'язку, пропорційна вихідній напрузі, подається на прямий вхід першого елемента порівняння, а на вхід, що інвертує, подається опорна напруга з вихо ду джерела опорної напруги, першого суматора, на один вхід якого подається напруга неузгодженості з вихо ду першого елемента порівняння, а на другий –напруга установлення, за допомогою якої встановлюється номінальний опір регулюючого елемента, першого підсилювача (13) (21) 2000126972 напруги, на вхід якого подається напруга з ви ходу першого суматора, а його ви хідна напруга подається на регулюючий елемент, що відрізняється тим, що вве дений розімкнути компенсаційний зв'язок по збуренню-відхиленню струму навантаження від номінального значення, що складається з вимірювального елемента стр уму навантаження, включеного послідовно з опором навантаження, другого елемента порівняння, на вхід, що інвертує, подається напруга з виходу вимірювального елемента, пропорційна струму навантаження, а на прямий вхід – напруга з джерела опорної напруги, другого підсилювача напруги, на вхід якого подається напруга з ви ходу др угого елемента порівняння, другого суматора, на один вхід якого подається напруга з вихо ду першо го підсилювача замкнутої частини стабілізатора, на другий вхід – напруга з вихо ду др угого підсилювача компенсаційного зв'язку, а вихідна напруга другого сумато ра, що є керуючим напругою, подається на регулюючий елемент. А ПОСТІЙНОЇ ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД 41635 (54) СТАБІЛІЗАТОР НАВАНТАЖЕННЯ ОПИС G05F1/56 (11) ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ А UA МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ (13) (19) УКРАЇНА 3 41635 4 ною напругою елемента порівняння і вхі дною наптим, що в ста білізатор напруги, що складається з ругою підсилювача, зібраного на транзисто рі VTП. регулюючого елемента, включеного послідовно з У колекторний ланцюг транзистора VTП включений навантаженням, вимірювального елемента ви хідстабілізатор струму, що складається з транзистора ної напруги ста білізатора, з вихо ду якого напруга VT2, резисторів RЕ, RГ2 і ста білітрона VD2. зворотного зв'язку, що пропорційна вихідній напруНапруга UБЕП містить напругу си гналу неузгодзі, подасться на прямий вхід елемента порівняння, на вхід, що інвертує, подається опорна напруга з женості DU і напругу уставлення UУСТ, за допомогою якої встановлюється номінальний опір регулювихо ду джерела опорної напруги, суматора, на один вхід якого подається напруга неузгодженості ючого елемента при номінальних значеннях вхідз виходу еле мента порівняння, а на другий вхід ної напруги і наванта ження. У випадку зміни струнапруга уставлення, за допомогою якої вста новму навантаження, наприклад, збільшенні, вихі дна люється номінальний опір регулюючого елемента, напруга в перший момент зменшується за рахунок збільшення падіння напруги між колектором і еміпершого підсилювача напруги, на вхід якого подається напруга з виходу суматора, а його вихідна кетером VT1. Це ви кликає зменшення напруги UR11 руюча напруга подається на регулюючий елемент, на нижньому плечі дільника. Зменшується позитивключений розімкнутий компенсаційний ланцюг, вний потенціал бази транзисто ра VTП зменшуютьщо складається з другого вимірювального елеменся його базові і колекторні струми. Завдяки тому, що стр ум колекто ра транзистора VT2, що до рівта, включеного послідовно з навантаженням, другого елемента порівняння, на вхід, що інвертує, нанює сумі струмів ІБ1 + ІКП, величина постійна, то дхо дить напруга з вихо ду ви мірювального елемензменшення струму ІКП приводить до збільшення та, що пропорційна струму навантаження, а на струму бази регулюючого транзистора ІБ1. Збільпрямий вхід - опорна напруга з джерела опорної шення струму ІБ1 приводить до зменшення напруги колектор - емітер регулюючого транзистора, і вихінапруги, друго го підсилювача напруги, вхід якого з'єднаний з вихо дом друго го елемента порівняння, дна напруга збільшується , прагнучи до свого пердругого суматора, включеного між підсилювачем і вісного значення. регулюючим елементом, на перший вхід якого поВідповідно до принципової схе ми стабілізатодається напруга з вихо ду першого підсилювача, а ра (мал.8.18 [1]) її функціональну схему (мал.8.2 [1]) можна деталізува ти більш докладно, і вважати, на другий вхід - напруга з вихо ду другого підсилювача компенсаційного ланцюга. що ста білізатор напруги постійного струму складаЗіставлення з прототи пом показує, що пристється з регулюючого елемента, включеного послірій, що заявляється, відрізняється наявністю комдовно з наванта женням, вимірювального елеменпенсаційного розімкнутого ланцюга, що складаєтьта вихі дної напруги стабілізатора, з виходу якого напруга зворотного зв'язку, пропорційна вихідній ся з вимірювального елемента, напруга на якому пропорційна струму навантаження, елемента порінапрузі, подається на прямий вхід елемента поріввняння, вихі дна напруга якого пропорційна відхиняння, а на вхід, що інвертує, подається опорна ленню струму навантаження від номінального знанапруга з вихо ду джерела опорної напруги, сумачення, підсилювача компенсаційного ланцюга і сутора, на один вхід якого подасться напруга неузгодженості з ви ходу елемента порівняння, а на друматора. Таким чином, пристрій, що заявляється, відповідає критерію винахо ду «новизна». гий вхід - напруга уста влення, за допомогою якої Порівняння винаходу з іншими технічними рівста новлюється номінальний опір регулюючого шеннями, відомими в науці і техніці, показує, що елемента, підсилювача напруги, на вхід якого повідомі стабілізатори напруги безупинної дії, у яких дасться напруга з вихо ду суматора, а його вихі дна (керуюча) напруга подасться на регулюючий елеза рахунок уведення негативного зворотного зв'язку зменшується вплив відхи лення струму нава нтамент. Зазначений стабілізатор прийнятий за проження стабілізато ра на його ви хі дну напругу, однак тотип. керуючий вплив у цих стабілізато рах формується з Недолік стабілізато ра - прототипу полягає в напруги неузгодженості, і тому напруга неузгоджетому, що він не дозволяє цілком усунути відхи ленності принципово не може бути зменше не до нуля. ня вихі дної напруги (напруги неузгодженості DU), У пропонованому ста білізаторі керуюча напруга, викликане зміною (відхиленням) опору нава нтащо надхо дить на регулюючий елемент, фо рмуєтьження (теж же саме - зміною струму навантаження ся із суми напруги неузгодженості замкнутої частиDІН) на вихо ді стабілізатора. Це пояснюється тим, ни стабілізатора - прототи пу і відхи лення ΔUі, що що необхідна зміна опору ре гулюючого елемента пропорційне відхи ленню струму навантаження від при зміні струму нава нтаження ІН (наприклад, при номінального значення, що знімається з вихо ду козбільшенні струму навантаження ІН, ва рто зменшимпенсаційного ланцюга. При відповідному виборі ти опір регулюючого елемента) здійснюється за параметрів цього ланцюга необхідна зміна опору рахунок зміни керуючої напруги, що у прототипі регулюючого елемента буде здійснювати ся тільки фо рмується з напруги неузгодженості ΔU і напруги за допомогою напруги ΔUі. При цьому напруга неууставлення. Таким чином, відповідна зміна опору згодженості, викликувана зміною струму нава нтарегулюючого елемента і підтримка зміненого знаження, стає рівним нулю. Це дозволяє зробити вичення цього опору в стабілізаторі - прототипі здійссновок про відповідність технічного рішення критенюється за рахунок виникнення напруги неузгодрію «істотні відмінності» женості ΔU і постійної напруги уставлення. На фіг.1 зображено функціональну схему стаВинахід дозволяє підвищити то чність стабілібілізато ра постійної напруги з компенсаційним зації напруги за рахунок зменшення напруги неуззв'язком по струму нава нтаження, а на фіг. 2 – годженості, ви кликуваного зміною струму нава нтаприклад принципової схе ми стабілізато ра постійження ІН на виході стабілізатора. Це досягається 2 5 41635 6 ної напруги з компенсаційним зв'язком по струму виникає різницева напруга навантаження. Стабілізатор постійної напруги з компенсаційЗначення опорної напруги і номінальної ним зв'язком по струму навантаження (фіг. 1) скланапруги зворотного зв'язку вибираються рівними: дається з регулюючого елемента 1, включеного послідовно з наванта женням 2, вимірювального Підставивши в (4) значення UЗЗ з (3) і з огляду елемента 3 вихі дної напруги UВИХ стабілізатора, з на (5), одержуємо вихо ду якого напруга зворотного зв'язку UЗЗ, пропорційна напрузі UВИХ, подається на прямий вхід тобто на ви ході елемента порівняння 4 виділяєтьелемента порівняння 4, а на вхід, що інвертує, пося напруга неузгодженості ΔU. У суматорі 6 здійсдається опорна напруга з вихо ду джерела опорної нюється додавання напруги уставлення UУСТ і напнапруги 5, першого суматора 6, на один із входів руги неузгодженості ΔU. На вихо ді суматора 6 напякого надхо дить напруга неузгодженості ΔU з вируга U6 дорівнює: хо ду першого елемента порівняння 4, а на другий вхід - на пруга уставлення UУСТ, підсилювача напруги 7, на вхід якого подається напруга U6 з ви ходу Вихідна напруга U6 суматора 6 підсилюється суматора 6, а його вихі дна напруга подається на підсилювачем 7. регулюючий елемент 1, і введеного компенсуючоУ стабілізаторі без компенсаційного ланцюга го ланцюга по впливу збурення – відхи ленню DІН (відсутні елементи 8, 9, 10, 11) напруга U7 з ви ходу струму навантаження від номінального значення, підсилювача 7 безпосередньо надхо дить на регущо складається з вимірювального елемента 8, налюючий елемент 1. Ця напруга є керуючою - її зміпруга на вихо ді якого пропорційна струму нава нтана викликає відповідну зміну опору регулюючого ження, другого елемента порівняння 9, на вхід, що елемента. При номінальному значенні UВХ і опору інвертує , надхо дить напруга, пропорційна струму навантаження за допомогою напруги уста влення навантаження Uін, а на прямий вхід – опорна напUУСТ уста новлюють номінальний опір регулюючого руга з джерела опорної напруги 5, др угого підсиелемента 1, при якому ви хідна напруга ста білізалювача напруги 10, на вхід якого з ви ходу другого тора дорівнює номінальному значенню UВИХН, при елемента порівняння 9 подається напруга ΔUі, цьому напруга неузгодженості ΔU=0. При зміні, напропорційна відхи ленню DІН струму навантаження приклад, збільшенні струму наванта ження ІН, що від номінального значення, другого суматора 11, прохо дить через навантаження 2, у початковий на один вхід якого подається напруга з виходу підмомент збільшується спадання напруги на регулюсилювача 7 замкнутої ча стини стабілізатора, на ючому елементі, а ви хідна напруга стабілізатора другий вхід - напруга з виходу др угого підсилюваUВИХ і напруга зворотного зв'язку UЗЗ зменшуються ча 10 компенсаційного ланцюга, а ви хідна напруга і відповідно до формули (6) на виході елемента суматора 11, що є керуючою напругою, подається порівняння 4 виникає напруга неузгодженості ΔU на регулюючий елемент 1. негати вної полярності. Напруга ΔU, складаючись з Стабілізатор працює таким чином. Напруга поUУСТ, приводить до зменшення напруги U6, а отже, стійного стр уму UВХ подається на вхід ста білізатодо зменшення керуючого напруги U7. Зменшення ра і через регулюючий елемент 1 надходить на викеруючої напруги U7 (за рахунок появи неузгоджехід – на навантаження 2. На вихідну напругу UВИХ ності ΔU) приводить до зменшення опору регулювпливають різні дестабілізуючі фактори (впливи ючого елемента 1 (що до його номінального зназбурення), одним з основних серед них є зміна чення), а отже до зниження спадання напруги на опору наванта ження (те ж саме – зміна струму нарегулюючому елементі 1. У результаті цього UВИХ вантаження) Під впливом дестабілізуючих фа ктозбільшується, прагнучи до свого номінального знарів виникає відхилення DUВИХ вихідної напруги чення, а ΔU зменшується до деякого значення, UВИХ від свого номінального значення UВИХН. Тому але не стає рівним нулю. Це пояснюється тим, що вихі дну напругу можна представити у ви гляді суми тільки завдяки наявності напруги неузгодженості номінальної напруги UВИХН і ві дхи лення DUВИХ: ΔU досягається відповідна зміна (у розглянутому випадку - зменшення) опору регулюючого елеменВихідна напруга UВИХ ста білізатора напруги та що до свого номінального значення при зміні вимірюється за допомогою вимірювального елеместруму навантаження ІН. нта 3. Виміряна напруга, що е напругою зворотноУ стабілізаторі, що заявляється, за допомогою го зв'язку UЗЗ, пропорційна UВИХ: вимірювального елемента 8 ви міряється напруга, пропорційна струму наванта ження ІН або після підстановки в (2) значення UВИХ з (1) де UЗЗН = β1UВИХН - номінальне значення напруги зворотного зв'язку, пропорційне номінальному значенню вихі дної напруги; ΔU = β1UВИХ - відхи лення напруги зворотного зв'язку від його номінального значення (напруга неузгодженості). ΔU пропорційне відхиленню ΔUВИХ ви хідної напруги від номінального значення. Напруга зворотного зв'язку UЗЗ подається на елемент порівняння 4, де порівнюється з опорною напругою UОП. На ви ході елемента порівняння 4 Струм навантаження можна представити як суму номінального значення Інн і збільшення ΔІн: Підставивши одержимо у формулу (8) значення ІН, де Uін= b 2 Інн - номінальна складова напруги на виході вимірювального елемента; 3 7 41635 ΔUі= b 2 ΔІн – ві дхи лення напруги на вихо ді вимірювального елемента від Uін, пропорційне відхиленню струму навантаження від номінального значення. Вимірена напруга UВЕ8 з ви хо ду вимірювального елемента 8 надходить на елемент порівняння 9, де здійснюється операція вирахування. На вихо ді елемента порівняння 9 виникає напруга, рівна 8 Джерелом опорної напруги 5 є параметричний стабілізатор напруги, зібраний на стабілітроні VD2 і резисторі, що гасить, R3. Опорна напруга UОП знімається зі стабілітрона VD2 і подається на емітер, а напруга UЗЗ подається на базу тра нзисто ра VT3, що реалізує елемент порівняння 4, суматор 6 і підсилювач напруги 7. Дійсно, завдяки такій схемі подавання напруги UЗЗ і UОП на VT3 , між базою і емітером прикладається різницева напруга Шляхом вибору коефіцієнта b 2 забезпечується рівність номінальної складовий Uін напруги на вихо ді вимірювального елемента 8 і опорної напруги і тим самим реалізується функція елемента порівняння 4. Підставивши у фо рмулу (15) значення UЗЗ з (14), одержуємо При розгляді функціональної схе ми стабілізатора (фіг. 1) приймалося UЗЗ.Н=UОП і вводилася напруга уставлення UУСТ. Напруга на вході підсилювача 7 дорівнює Підставивши в (10) значення UВЕ8 з (9), і з огляду на (11), одержимо тобто на вихо ді елемента порівняння 9 виникає напруга ΔUі, пропорційна відхи ленню струму навантаження від номінального значення. Напруга ΔUі підсилюється підсилювачем 10. Посилена напруга U10 з вихо ду підсилювача 10, тобто з виходу компенсаційного ланцюга, подається на суматор 11, де складається з напругою керування U7 замкнутої частини стабілізатора. Напруга на виході сумато ра 11 Щоб значення напруги UБЕ3 на вхо ді підсилювального транзистора VT3 дорівнювало напрузі U6, необхі дне виконування рівності (див. формулу (16)) тоді З (18) знаходимо тобто керуюча напруга U11 у пропонованому ста білізаторі формується як з напруги неузгодженості ΔU замкнутої частини стабілізатора (напруги U7), так і безпосередньо з напруги ΔUі (напруга U10), пропорційної відхи ленню ΔІ н струму навантаження, тобто пропорційної самому впливу, що збурює. Збільшуючи шляхом підвищення коефі цієнта підсилення підсилювача 10 значення напруги U10 на вихо ді компенсаційного ланцюга, можна одержати необхі дну напругу керування U11 на вході регулюючого елемента при меншому значенні напруги U7, а отже, при меншій напрузі неузгодженості ΔU. При деякім значенні цього коефі цієнта можна домогти ся такого положення, що необхі дна напруга керування U11 буде формуватися тільки з вихі дної напруги U10 компенсаційного ланцюга. При цьому ΔU=0. У даному стабілізаторі можна домогтися не тільки повного усунення неузгодженості, але і при подальшому підвищен ні коефіцієнта підсилення підсилювача 10 можна одержувати ефект перекомпенсації. Наприклад, при збільшенні струму навантаження ІН, вихідна напруга буде не зменшуватися (як звичайно), а збільшуватися. Однак, перекомпенсація також небажана, як і недокомпенсація. На фіг.2 зображений приклад принципової схеми стабілізатора. Регулюючим елементом 1 є потужний транзистор VT2, включений послідовно з навантаженням RН. Вимірювальний елемент 3 вихі дної напруги являє собою дільник напруги, що складається з резисторів R4, R5, R6. Виміряна напруга UЗЗ знімається з резистора R6 і частини резистора R5. Напруга UЗЗ, пропорційна UВИХ або, підставивши замість UЗЗ.Н його значення b1 ·UВИХ.Н, одержимо відкіля можна визначити значення коефіцієнта b1 : При виконанні умови (7), а також вимоги буде забезпечуватися працездатність підсилювального транзисто ра VT3, то му що при цьому потенціал бази буде позитивним відносно емітера (UБЕ3>0) при можливому зменшенні вихі дної напруги і виникненні - ΔU. Таким чином, завдяки подачі на базу транзистора VT3 з вимірювального елемента напруги UЗЗ=UУСТ+UОП±ΔU, а на вхід підсилювального транзистора VT3 напруги що містить напругу уставлення UУСТ як доданок, виконується функція сумато ра 6. Напруга Uі=UВЕ8 знімається з резистора R7 і подається на емітер транзисто ра VT4. На базу цього транзистора подається опорна напруга UОП зі стабілітрона VD2. Таким чином, між базою і емітером транзистора VT4 прикладається різницева напруга або після підстановки UВЕ8 з (9) тобто ви конується функція елемента порівняння 9. Для забезпечення функціонування зв'язку по збуренню (працездатності транзистора VT4) не об або згідно (3) 4 9 41635 10 хі дно, щоб позити вний поте нціал на базі VT4 був типом. У стабілізато рі-прототипі виникає кінцева більше потенціалу на його емітері, тобто напруга неузгодженості при зміні опору нава нтаження (або зміні струму навантаження). Введення в стабілізатор розімкнуто го компенПри цьому напруга між базою і емітером VT4 саційного зв'язку дозволяє істотно зменшити і навіть домогти ся повного усунення напруги неузгодде UУСТ1=UОП - UІн, тобто непрямим наслідком розженості, ви кликуваного збільшенням струму наваглянутої умови є введення напруги 2-го уста вленнтаження. Завдяки цьому підвищується точність стабілізації, тому що компенсується вплив основня. У результаті спільної дії напруги уставлень ного дестабілізуючого фа ктора (впливу збурення) UУСТ і UУСТ1 вста новлюється номінальне значення опору регулюючого елемента. При зміні, наприкзміни опору наванта ження - на вихі дний опір стабілад, збільшенні струму навантаження на ΔІН, збілізатора. Завдяки цьому ста білізатор, що заявляється, може бути ви користаний у тих ви падках, коли b 2 ΔІН напруга Uі, яка льшується на величину ΔUі= опір навантаження змінний і потрібна висока точподається на емітер VT4, напруга між базою і еміність стабілізації, наприклад, при живленні сучастером зменшується, а опір між колектором і емітених радіоелектронних пристроїв. ром VT4 збільшується, колекто рний струм ІК4 зменЧасто для одержання необхі дної точності сташується. Оскільки за допомогою стабілізатора білізації застосовується двоступінчаста ста білізаструму (VD1, R1, VT1, R2) виконується рівність ція - застосовуються попередній і кінцевий стабіліІК1= ІБ2+ІК3+ІК4=const, то при зменшенні ІК4 збільшуєзатори напруги. ться струм бази ІБ2 регулюючого транзисто ра VT2, Стабілізатор, що заявляється, що володіє виа опір між його колекто ром і емітером RКЕ2 і спасокою точністю стабілізації, у багатьох випадках дання напруги на ньому UКЕ2=ІНRКЕ2 зменшується, може замінити зазначені вище ста білізатори напа вихідна напруга, що зменшилася в початковий руги, що буде сприяти підвищенню надійності, момент підвищення ІН, підвищується. Та ким чизменшенню вартості джерела електроживлення і ном, транзистор VT4 ви конує функції елемента пойого масогабаритних показників. рівняння 9 і підсилювача 10. Як приклад стабілізато ра напруги, що заявляєЯк відзначалося, у ста білізаторі без зв'язку по ться, приве дений стабілізатор, у якому регулююΔІН при збільшенні ІН (зменшенні UВИХ) струм бази чий елемент включений послідовно з на-вантаженІБ2 регулюючого транзистора зростає за рахунок ням. Однак, шляхом уведення розімк-нутого компояви напруги неузгодженості ΔU негативної поляпенсаційного зв'язку по відхиленню ΔІН струму нарності і зменшення ІК3. У комбінова ному ж стабілівантаження від номінального значення може бути заторі зростання ІБ2 досягається не тільки за рахутакож підвищена точність стабілізації у випадку панок зміни струму ІК3 (ви никнення ΔU), але також за ралельного включення регулюючого елемента і рахунок зменшення струму ІК4 транзистора VT4 навантаження. Уведення компенсаційного зв'язку зв'язку по збуренню. Завдяки цьому необхі дне збіпо відхи ленню ΔІН для підвищення точності стабільшення ІБ2 до сягається при меншому значенні налізації напруги може бути ви користа но не тільки в пруги неузгодженості ΔU. Якщо зменшувати стр ум стабілізаторах безупинної дії, але також і в імпульІК4 при даному значенні ΔІН, що може бути досягнусних ста білізаторах напруги. то зміною (збільшенням) коефі цієнта підсилення підсилювача постійного струму на VT4, то можна Джерела інформації домогтися необхі дної зміни опору регулюючого 1. Электропитание устройств связи (Учебник транзистора VT2 тільки за рахунок зменшення для высши х уче бных заведений, под ред. пр. струму ІК4 зв'я зку по збуренню. При цьому напруга В.В. Катаева.-М.:Радио и связь, 1988.-280 с. неузгодженості ΔU, викликувана зміною ІН, змен2. Источники электропитания радиоэлектроншується до нуля. ной аппаратуры. Справочник. Под ред. Стабілізатор напруги, що заявляється, постійГ.С. Нейвельта.- М.: Ра дио и связь, 1985.-576 с. ного струму безупинної дії володіє важливою техніко-економічною перевагою в порівнянні з прото 5 11 41635 12 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул. Сім’і Хохлови х, 15, м. Київ, 04119, Україна Тел.: (+38044) 456-2090 6