RU209200U1

RU209200U1 - Стабилизатор постоянного напряжения

Info

Publication number: RU209200U1
Application number: RU2021132310U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Бондарь
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2022-02-07

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к стабилизаторам постоянного напряжения.Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.Стабилизатор постоянного напряжения содержит: регулирующий транзисторp-n-p– типа; управляющий МДП транзистор с индуцированным каналомn-типа; операционный усилитель сигнала рассогласования; резистор смещения; первый и второй делители напряжения; стабилитрон; блокировочный конденсатор; нагрузку. Первый делитель напряжения содержит два резистора и стабилитрон. Второй делитель напряжения содержит резистор и два стабилитрона. 7 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к стабилизаторам постоянного напряжения.

Уровень техники

Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий: включенный между входным и выходным выводами регулирующий транзистор, эмиттером - к входному выводу, коллектором - к выходному выводу; операционный усилитель сигнала рассогласования, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены соответственно к выходам двух делителей напряжения, одного, состоящего из двух последовательно соединенных резисторов, другого из последовательно соединенных резистора и стабилитрона, блокировочный конденсатор, вместе с указанными делителями напряжения включенный между выходным выводом и общей шиной и управляющий транзистор, база которого соединена с выходом операционного усилителя сигнала рассогласования, а коллектор подключен к базе регулирующего транзистора (Заявка ФРГ N 2427376, кл. G 05F 1/56. 1974).

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким температурным коэффициентом напряжения;

- низким коэффициентом стабилизации.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор постоянного напряжения (патент RU № 2023287, МПК G05F 1/565).

Стабилизатор постоянного напряжения содержит: регулирующий транзистор p-n-p-типа, включенный между входным и выходным выводами, эмиттером - к входному выводу, коллектором - к выходному выводу; операционный усилитель сигнала рассогласования, входы питания которого подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены соответственно к выходам двух делителей напряжения; первого - состоящего из двух последовательно соединенных резисторов; второго - состоящего из последовательно соединенных резистора и стабилитрона, катод которого подключен к выводу делителя напряжения; блокировочный конденсатор, вместе с указанными делителями напряжения и нагрузкой, включенный между выходным выводом и общей шиной; управляющий транзистор p-n-p-типа, база которого соединена с выходом операционного усилителя сигнала рассогласования, а коллектор подключен к базе регулирующего транзистора; резистор смещения, включенный между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора; конденсатор и стабилитрон, параллельно включенные между эмиттером регулирующего транзистора и общей шиной, причем стабилитрон подключен анодом к общей шине.

- низким коэффициентом стабилизации.

Раскрытие полезной модели

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор постоянного напряжения, содержащий: регулирующий транзистор p-n-p-типа; операционный усилитель сигнала рассогласования; блокировочный конденсатор; резистор смещения; нагрузку; два делителя напряжения; причем нижнее плечо первого и верхнее плечо второго образованы резисторами, а в состав верхнего плеча первого и нижнего плеча второго входят соответственно резистор и стабилитрон, включенный в обратном направлении, - анодом к выводу делителя напряжения; резистор смещения включен между базой и эмиттером регулирующего транзистора p-n-p-типа, включенного между входным и выходным выводами стабилизатора, эмиттером - к входному выводу, коллектором - к выходному выводу, к которому подключены выводы верхних плечей делителей напряжения, а также первые выводы нагрузки и блокировочного конденсатора; выводы нижних плечей делителей напряжения, а также вторые выводы нагрузки и блокировочного конденсатора соединены с общей шиной; входы питания операционного усилителя сигнала рассогласования подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены к выходам соответственно первого и второго делителей напряжения, введены управляющий МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, а также второй, третий и четвертый стабилитроны, включенные в прямом направлении соответственно в верхнем плече первого делителя напряжения, в нижним плече второго делителя напряжения, между стоком управляющего МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа и общей шиной; затвор управляющего МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с выходом операционного усилителя сигнала рассогласования, а исток - с базой регулирующего транзистора p-n-p-типа и вторым выводом резистора смещения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора постоянного напряжения.

На фиг.2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре

, напряжении

, сопротивлении нагрузки

.

На фиг.3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре

, напряжении

, сопротивлении нагрузки

.

На фиг.4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре

, напряжении

, сопротивлении нагрузки

.

На фиг.5 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре

, напряжении

, сопротивлении нагрузки

.

На фиг.6 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения входного напряжения

при сопротивлении нагрузки

и температуре

На фиг.7 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства

, при входном напряжении

и сопротивлении нагрузки

.

Осуществление полезной модели

Стабилизатор постоянного напряжения (фиг.1) содержит: регулирующий транзистор 1 p-n-p - типа; управляющий МДП транзистор 2 с индуцированным каналом n-типа; операционный усилитель 3 сигнала рассогласования; резистор 4 смещения; делители напряжения 5 и 6; стабилитрон 7; блокировочный конденсатор 8; нагрузку 9.

Делитель напряжения 5 содержит: резисторы 10, 12 и стабилитрон 11, причем верхнее плечо образовано последовательно соединенными резистором 10 и включенным в прямом направлении стабилитроном 11, а нижнее плечо - резистором 12.

Делитель напряжения 6 содержит: резистор 13 и стабилитроны 14 и 15, причем верхнее плечо образовано резистором 13, а нижнее плечо - последовательно соединенными стабилитронами 14, 15, включенными соответственно в прямом и обратном направлении.

Резистор 4 смещения включен между базой и эмиттером регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа, включенного между входным и выходным выводами стабилизатора, эмиттером - к входному выводу, коллектором - к выходному выводу, к которому подключены выводы верхних плечей делителей напряжения 5 и 6, а также первые выводы нагрузки 9 и блокировочного конденсатора 8; выводы нижних плечей делителей напряжения 5 и 6, а также вторые выводы нагрузки 9 и блокировочного конденсатора 8 соединены с общей шиной; входы питания операционного усилителя 3 сигнала рассогласования подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены к выходам соответственно делителей напряжения 5, 6; затвор управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа соединен с выходом операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, исток - с базой регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и вторым выводом резистора 4 смещения, а сток через включенный в прямом направлении стабилитрон 7- с шиной.

Стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

Так как время установления и восстановления p-n-переходов конечно, в момент подачи напряжения питания U_вх на коллекторе регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа (на выходе стабилизатора) возникает скачек потенциала положительной полярности, не превышающий напряжения пробоя стабилитрона 15, но в силу условия

где

сопротивления резисторов 10, 12, 13,

обеспечивающий превышение напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования относительно инвертирующего входа. Вследствие чего выходное напряжение операционного усилителя 3 сигнала рассогласования ввиду его значительного коэффициента усиления обеспечивает уменьшение сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь обеспечивает увеличение тока базы, а значит и тока коллектора, регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа.

Скачкообразному изменению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, а значит, лавинообразному нарастанию тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и неконтролируемому скачку выходного напряжения в момент подачи напряжения питания препятствует наличие стабилитрона 7, формирующего регулируемое напряжение вольт добавки, выполняющей функции отрицательной обратной связи по току (увеличение тока стока приводит к увеличению напряжения на стоке, что в свою очередь приводит к уменьшению тока стока).

Увеличение протекающего коллекторного тока приводит к увеличению выходного напряжения. А значит, и напряжения, приложенного к делителям напряжения 5, 6. В момент превышения выходным напряжением напряжения пробоя стабилитрона 15 на выходах делителей напряжения 5, 6 формируются напряжения, поступающие на входы операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, и с учетом условия

где

опорное (эталонное) напряжение, формируемое цепочкой стабилитронов 14, 15 (напряжение на нижнем плече делителя напряжения 6);

напряжение падения на резисторе 12 (нижнем плече делителя напряжения 5),

переводящие стабилизатор в установившийся режим работы.

Предположим, что в процессе работы устройства значение входного напряжения U_вх, например, возрастает на некоторую величину. В этом случае возрастает и выходной ток регулирующего транзистора 1 и, соответственно, падение напряжения на резисторе 12, делителя напряжения 5, а следовательно, и на инвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, в то время как на его неинвертирующем входе напряжение остается неизменным и равным опорному напряжению U_оп, снимаемому с цепочки стабилитронов 14, 15. Возникший перепад напряжений на входах операционного усилителя 3 сигнала рассогласования приводит к снижению выходного напряжения операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, увеличению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что, в свою очередь, приводит к уменьшению тока базы, а значит, и тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа. Уменьшение выходного тока приводит к уменьшению и выходного напряжения стабилизатора U_вых, стремящегося таким образом к прежнему, исходному значению.

При уменьшении уровня входного напряжения U_вх уменьшается и выходной ток регулирующего транзистора 1 и соответственно падение напряжения на резисторе 12, делителя напряжения 5, а следовательно, и на инвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, в то время как на его неинвертирующем входе напряжение остается неизменным и равным опорному напряжению U_оп, снимаемому с цепочки стабилитронов 14, 15. Возникший перепад напряжений на входах операционного усилителя 3 сигнала рассогласования приводит к увеличению выходного напряжения операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, уменьшению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь приводит к увеличению тока базы, а значит, и тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа. Увеличение выходного тока приводит к увеличению и выходного напряжения стабилизатора U_вых, стремящегося таким образом к прежнему, исходному значению.

В условиях неизменности температурного режима работы устройства стабилитроны 7, 11, 14 выполняют функцию регулируемой вольт добавки, способствующей повышению стабильности выходного напряжения в условиях нестабильности как U_вх, так и сопротивления нагрузки 9 (R_н), фиг.2÷6.

Согласно условию (1) с учетом значительного входного сопротивления операционного усилителя 3 сигнала рассогласования в установившемся режиме работы устройства имеет место соотношение

где

ток делителей напряжения 5, 6;

падение напряжения (вольт добавка) на стабилитронах 14, 11.

Однако вследствие выбора рабочей точки стабилитрона 14 на линейном участке вольт-амперной характеристики, а стабилитрона 11 на нелинейном (начальном) участке вольт-амперной характеристики (согласно условию (3)), при изменении U_вх, R_н, а значит, и тока делителей 5, 6 от их установившихся значений будет иметь место соотношение

Причем по мере увеличения изменения U_вх, R_н от их установившихся значений степень изменения

будет значительно больше, чем степень изменения

, что в свою очередь будет приводить к изменению величины коэффициента обратной связи - увеличению. А значит, и увеличению нагрузочной способности и коэффициентов стабилизации как по напряжению, так и тока по входному напряжению.

Расширение диапазона изменения коэффициента обратной связи благодаря введению в состав схемы устройства стабилитронов 11, 14 является существенным отличительным признаком разработанного устройства в сравнении с прототипом.

При эксплуатации устройства в диапазоне температур стабилитроны 7, 11, 14 выполняют функцию как вольт добавки, так и термостабилизации. При этом в качестве стабилитронов 7, 11, 14, 15 необходимо использовать стабилитроны с лавинным типом пробоя, характеризуемые положительным температурным коэффициентом напряжения (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351) при обратном включении и отрицательным коэффициентом (см. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 184) при прямом включении.

Тогда цепь стабилитронов 14, 15 обеспечивает частичную компенсацию коэффициентов напряжения стабилизации, способствуя выполнению условия (5)

где

температурные коэффициенты напряжения стабилитрона 14 и цепи соединения стабилитронов 14, 15.

А в силу условия (6)

где

ТКН регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и стабилитрона 11;

ТКН цепи соединения регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и стабилитрона 11,

выходные напряжения делителей напряжения 5

и 6

будут характеризоваться положительным ТКН с выполнением условия (7)

тем самым обеспечивая с увеличением температурного режима работы устройства снижение напряжения на выходе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования. А значит увеличение сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь приводит к уменьшению тока базы регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и приведению выходного напряжения стабилизатора U_вых к исходному значению.

При этом следует учесть, что прямое включение в цепь стока МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа стабилитрона 7, в силу его отрицательного ТКН, наряду с отрицательной обратной связью по току, дополнительно порождает формирование отрицательной обратной связи по напряжению, что в целом способствует увеличению температурной стабильности выходного напряжения устройства.

На фиг.3 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства

, при входном напряжении

и сопротивлении нагрузки

.

Формирование комбинированной отрицательной обратной связи в цепи стока МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа благодаря введению в состав схемы устройства стабилитрона 7, причем с учетом использования в качестве управляющего транзистора - МДП транзистора 2, характеризуемого нормируемым ТКН (в силу наличия термостабильной рабочей точки), является существенным отличительным признаком разработанного устройства в сравнении с прототипом.

В целом, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.

Claims

Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор p-n-p-типа, операционный усилитель сигнала рассогласования, блокировочный конденсатор, резистор смещения, нагрузку, два делителя напряжения, причем нижнее плечо первого и верхнее плечо второго делителей напряжения образованы резисторами, в состав верхнего плеча первого и нижнего плеча второго делителей напряжения входят соответственно резистор и стабилитрон, включенный в обратном направлении, анодом к выводу делителя напряжения, резистор смещения включен между базой и эмиттером регулирующего транзистора p-n-p-типа, включенного между входным и выходным выводами стабилизатора, эмиттером – к входному выводу, коллектором – к выходному выводу, к которому подключены выводы верхних плечей делителей напряжения, а также первые выводы нагрузки и блокировочного конденсатора; выводы нижних плечей делителей напряжения, а также вторые выводы нагрузки и блокировочного конденсатора соединены с общей шиной; входы питания операционного усилителя сигнала рассогласования подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены к выходам соответственно первого и второго делителей напряжения, отличающийся тем, что введены управляющий МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, а также второй стабилитрон, включенный в прямом направлении в верхнем плече первого делителя напряжения, третий стабилитрон, включенный в прямом направлении в нижнем плече второго делителя напряжения, и четвертый стабилитрон, включенный в прямом направлении между стоком управляющего МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа и общей шиной; затвор управляющего МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с выходом операционного усилителя сигнала рассогласования, а исток – с базой регулирующего транзистора p-n-p-типа и вторым выводом резистора смещения.