Стабилизатор напряжения постоянного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) Э(51) 6 05 F 1/ 6

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ. - 3

i !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ. (21) 3418584/24-07 (22) 06.04.82 (46) 23.08.83 Бюл. N 31 (72) ф. И. ГаРцман и Б.З. Курчик (71) Ленинградское научно-производст. венное обьединение "Буревестник" и Ленинградский электротехнический .институт связи им..проф. И.А.. БончБруевича

» (53) 621.316.722. 1{088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 763870, кл. С 05 F 1/58, 1980.

2. Узберг Н.П. Источник питания с бестрансформаторным входом. Сб.

Полупроводниковая электроника в тех" нике связи . Под ред. И.ф. Николаевского, И., "Связь", вып.,19, 1978, с. 204-209, рис. 1. (54)(57) 1. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий датчик тока, включенный в силовую шину по" следовательно с регулирующим элементом, подключенным выводом управляющей цепи к выходу схем управления, вхо.ды которой соединены с выводом источ. ника опорного напряжения и выходом резистивного делителя выходного напряжения, входом подключенного к выходным клеммам, выходной фильтр и узел стабилизации напряжения по току нагрузки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения нестабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки, а также повышения устойчивости стабилизатора и его КПД, в узел стабилизации по току нагрузки введены две пары после» довательно включенных резисторов, первая из которых включена между общей шиной и стоком первого транзистора упомянутого узла стабилизации по току нагрузки, а вторая - между выходной клеммой силовой шины и стоком второго транзистора, исток которого соединен с общей шиной и одной из обкладок конденсатора, а затворс другой обкладкой конденсатора и точкой соединения резисторов первой пары, при этом точка соединения резисторов второй пары подключена к затвору третьего транзистора.

2. Стабилизатор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что:входная цепь узла стабилизации по току нагрузки состоит из соединенных последовательно диода и двух резисторов, параллельно одному из которых, не соединенному с диодом, подключены конденсатор и затвор-исток первого транзистора, при этом к выводу датчика тока и входной клемме силовой шины подключен анод диода,а к другому выводу датчика тока, обкладке фильтрующего конденсатора и регулирующему элементу подключены обьединенные выводы резистора и конденсатора, а также исток fl6pBo(0 транзистора.

3. Стабилизатор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что третий транзистор подключен истоком к выходной клемме силовой шины, а стоком - к резистору делителя выходного напряжения.

1 103722 изобретение относится к электро--технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания устройств автоматики и вычислительной техники.

Известен стабилизированный источ- ник питания, в котором элемент продольной ветви входного сглаживающего фильтра является одновременно датчиком этого блока защиты стабилизатора 10 от перегрузок по току и коротких за. мыканий. Параллельно датчику тока в блоке защиты подключена последовательная цепь диода, резистора и параЛлельно соединенные резисторы, кон- 15 денсатора и цепи затвор-исток униполярного транзистора с изолированным затвором, причем катод диода упомя нутой цепи подключен к выводу датчика тока, обьединенному с обкладкой фильт-2р рующего конденсатора, и силовым вы- . водом регулирующего элемента, а обьединенные исток униполярного транзис-,. тора, вывод резистора и обкладку па" раллельно подключенного с ним конден- 25

"сатора - к выводу датчика тока, обьединенному с входным выводом стабилизатора (1 ).

Недостаток известного устройства заключается в том, что в них нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки существенно . больше нестабильности при изменении напряжения питания.

Наиболее близким к изобретению по» технической сущности является стаби35 лизатор постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий входные и выходные клеммы силовой и общей шин, включенные последовательно в силовую шину полупроводниковый регулирующий элемент и дроссель сглаживающего: LC-фильтра, схему управления длительностью включенного состояния регулирующего элемента, выходом подсоединенную.к управляющему входу регулирующего элемента, а входами - к источнику огюрного напряже" ния и резистивному делителю выходного напряжения, включенному параллель. но конденсатору упомянутого сглаживающего бС-фильтра, резистивный дат- 1 чик тока, включенный в общую шину между выходной клеммой и минусовой обкладкой конденсатора сглаживающего фильтра. Стабилизатор содержит 55 также узел стабилизации напряжения по току нагрузки, представляющий собой усилительный каскад на биполяр, 7 . 2 ном транзисторе, выходная цепь которого, содержащая цепь коллекторэмиттер биполярного транзистора и два последовательно соединенных резистора в его эмиттерной цепи, одним из которых является датчик тока, включена параллельно резистору .делителя выходного напряжения, соединенному с общей шиной. 8 рассматриваемом стабилизаторе резистивный датчик тока включен в силовую цепь выпрямленного и отфильтрованного тока f2 ).

Последнее обстоятельство увеличивает энергопотребление и снижает

КПД устройства. Уменьшение нестабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки в известном устройстве связано с увеличением сопротивления резистивного датчика— тока, а, следовательно, с дополнительным снижением КПД. Кроме того, при включении датчика тока в общую шину снижается устойчивоСть стабили- ° затора, что усложняет его настройку и приводит к сбоям. в работе.

Целью чзобретения является умень" шение нестабильности выходного напряжения при изменении .тока нагрузки, а. также повышение устойчивости стабилизатора и его КРД.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизаторе напряжения постоянного тока, содержащем датчик тока, включенный в силовую шину последовательно с регулирующим элементом, подключенным выводом управляющей цепи к выходу схемы управления, входы ко" торой соединены с выводом источника опорного напряжения и выходом резис" тивного делителя выходного напряжения, входом подключенного к выходным клеммам, выходной фильтр и узел стабилизации напряжения по току нагрузки, в узел стабилизации по току нагрузки дополнительно введены две пары последовательно включенных резисторов, пер. вая из которых включена между общей шиной и-стоком первого транзистора упомянутого узла стабилизации по току нагрузки, а вторая - между выходной клеммой сЮловой шины и стоком второго транзистора,. исток которого соединен с общей шиной и одной из обкладок конденсатора, а затворс другой обкладной конденсатора и точкой соединения резисторов первой ларй, при этом точка соединения резисторов второй пары подключена к

3 . 1037227 4 затвору третьего транзистора, кроме соединенного истоком с общей шиной, того, входная цепь узла стабилизации а стоком через вторую пару последопо .току нагрузки содержит соединен- вательно соединенных резисторов 25 ные последовательнд диод и два ре- и 26 - с. выходной клеммой 3 сийовой зистора, яараллельно одному из кото- 1 шины, при этом точка соединения рерых, не соединенному с диодом, под- зисторов 25 и 26 подключена к заключены конденсатор и затвор-исток твору униполярного транзистора 27, первого транзистора, при этом к вы- цепь сток- исток которого подсоедине" воду датчика тока и входной клемме на параллельно резистору 11 делисиловой шины подключен анод -диода, 10 теля 10, а исток соединен с выходной а к другому выводу датчика тока, клеммой 3 силовой шины. обкладке фильтрующего конденсатора и регулирующему элементу подключены Стабилизатор. при изменении тока объединенные выводы резистора и кон- нагрузки работает следующим образом. денсатора, а также исток первого 1 Так как в качесгве датчика 5 тока транзистора, третий транзистор под- используется элемент продольной ветви ключен истоком к выходной клемме си- - (дроссель или резистор} входного сгла" ловой шины, а стоком - к резистору живающего.фильтра, то через него проделителя выходного напряжения. текает пульсирующий ток, переменная

На чертеже приведена схема стаби- 20 составляющая которого .при номинальлизатора напряжения постоянного тока. .ном токе нагрузки стабилизатора суСтабилизатор содержит входные .1, . щественно превышает постоянную со2 и выходные 3, 4 клеммы силовой и. ставляющую. Падение напряжения на общей шин, датчика 5 тока, включен- датчике 5, пропорциональное току наный между клеммой 1 и обкладкой фильт 15 грузки, также пульсирующее. рующего конденсатора 6 в силовую ши- Характерному для транзисторов с ну последовательно с регулирующим управляющим р- и переходом режиму элементом 7, подсоединенным выводом обедйения канала свойственно протиуправляющей цепи к выходу схемы 8 уп" :. вофазное изменение напряжения зв" равления, к входам которой подключе- твор-иэток (V>-U) и тока стока (3 ), ны вывод 9 источника опорного напря- следовательно, наибольшая величина жения, другим выводом подключенного- тока стока транзистора 20 имеет меск общей шине, и выход резистивного то в режиме холостого хода стабилиделителя 10 выходного напряжения, со- . затора и обусловливает наибольший стоящего из резисторов 11-13 (причем, ток стока транзисторов 24 и 27, макрезистор 12 может быть переменным) З5 симальную мощность, потребляемую и входом соединенного с выходными . узлом 15. клеммами 3 и 4 стабилизатора, выходной фильтр 14 и. узел 15 стабилизации Пусть в процессе эксплуатации напряжения;по току нагрузки, вклю- стабилизатора ток его. нагрузки измечающий в себя входную цепь из соеди- нился, например увеяичился (умень40 ненных последовательно диода 16, гюд- вился). При этом напряжение на выключенного.анодом к клемме 1 силовой ходных.клеммах 3 и 4 уменьшается шины и выводу датчика 5 тока и ре- (увеличивается),. а также пропорцио" зисторов 17 и 18, параллельно послед- . нально току нагрузки увеличивается нему из которых гюдключены конденса- (уменьшается) падение напряжения на

45 тор 19 и цепь затвор-исток транзис- датчике 5 тока. Выпрямленное диодом тора 20, являющегося униполярным с 16 и отфильтрованное интегрирующей управляющим р-и переходом, причем его цепью 17, 19 напряжение на резисисток, объединенный с выводами резис- . торе 18 увеличивается (уменьшается) тора 18 и конденсатора 19, подклю- 0 запирая (отпирая) уыиполярный транчен к другому выводу датчика 5, об- зистор 20. При этом коэффициент кладке конденсатора 6 и регулирующему фильтрации пульсации К« входной элементу 7, а сток - к общей шине че" цепью узла 15- (диод 16, резистор 17 рез первую пару последовательно сое- . и параллельно включенные резистор 18, диненных резисторов 2 1 и 22, парал- >5 конденсатор 19 и цепь затвор-исток лельно последнему из которых подклю- - транзистора 20), подсоединенной пачены конденсатор 23 и цепь затвор- раллельно датчику 5 тока, определяисток униполярного транзистора 24, ется выражением

1037227

К И С В11В1в вх х20 ф1 и 19 R111R iR

Rgq R ("ПС19т В (-г )

18 где M =2Я„- круговая частота пуль.сации напряжения питания стабилизатора

R х о - входное сопротивление транзистора 20.

Выражение (1) справедливо при выполнении условий ,К„» 25 Сс RÄZ (2) . где Z - полное сопротивление датчи5 ка 5 тока на частоте пульсации напряжения питания стабилизатора, — (- — " (((3)

R1i + R18 кг Ввх2о> и а (4) выполнение условия 4 исключает влия ние шунтирующей датчик 5 цепи на коэффициент фильтрации входного сглаживающего фильтра стабилизатора.

Уменьшившийся (увеличившийся) ток стока транзистора 20 обусловливает. запирание (отпирание) униполярных транзисторов с изолированным затвором

24 и 27. Вследствие запирания (отпи. рания) транзистора 27 увеличивается (уменьшается) результирующее сопротивление цепи между движком перемен-, ного резистора 12 делителя 10 и выходной клеммой 3 силовой шины, а как следствие, дополнительно уменьша ется (увеличивается) напряжение на входе схемы 8 управления, обеспечивая независимо от способа регулирования (непрерывное или импульсное), компенсацию отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного значения при изменении тока нагрузки.

В случае непрерывного регулирования выходной фильтр 14 емкостной, а" при импульсном регулировании напряжения в стабилизаторе понижающего типа LCD-фильтр.

Дополнительно введенные в узел 15 цепи, одна из которых, содержащая па-. ру резисторов 2! и 22, "конденсатор 23 и цепь затвор-исток транзистора 24, включена между стоком транзистора

20 и общей шиной, а другая - содержащая пару резисторов 25 и 26 и цепь затвор-исток транзистора 27, - между стоком транзистора 24 и клеммой 3 силовой шины обеспечивают компенсацию отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного значения при изменении тока его нагрузки от максимального до минимального значения (или до нуля) и обратно с коэффициентом передачи, определяемым

5 выражением 1 вх 8 (5)

: i Un 17,18 где hU bx 8 - изменение напряжения между инвертирующим входом схемы 8 управления и общей шиной в диапазоне изменения тока нагрузки стабилизатора, необходимое для компенсации отклонения выходного напряжения; д0„„1т18- изменение максимального

15 мгновенного значения пульсирующего напряжения на последовательно соеди. ненных резисторах 17 и 18 в диапазоне изменения тока нагрузки стабилизатора.

Для U qq 18 справедливо приближен20 ное выражение м 11,.щ — — 3„ 52 5 н Й5, (6) гДе ЭН - ток нагРУзки стабил1эатора;

Э„ - размах переменной состав25 ляющей тока через датчик 5;

Z5(Р5 - соответственно, реактивное и активное сопротивление датчика 5 тока.

З0 При импульсной стабилизации напряжения и.индуктивном датчике 5 тока (Z5. >> R5), например, в случае мощ- ного стабилизатора, соотношение для определения Uù 1 18 запишется (l и 5 вх сР пи6 Y$ -Г(1 ++ 1 (-т) .5

40 27( где Ч„==- частота пульсации тока, и 7 потребляемого стабилизатором;

Т - период переключения регулирующего элемента 7;

45 . L< - индуктивность датчика

5 тока; (%

)" - коэффициент заполнения с учетом динамики переключения. эле" ментов стабилизатора (регулирующего

50 элемента 7, диода выходного фильтра

14 и усилителя схемы 8 управления;

r 6 - импульсная составляющая сопротивления потерь конденсатора 6; Воср - средний входной ток по55 требляемйй стабилизатором (0 д гч н вь!х вх ср

/ 6cp

1037227 где ггг- - КПД стабилизатора;

0 - сред«атее значение напряжебcp ния на конденсаторе 6.

Подставляя (8) в (7) получаем окончательный вид выражения для 5

От„17 „ при импульсной стабилизации . т

2ЛЭ 0 и вых пиь Fy

iTl1l<18 д. Ц

В диапазоне изменений тока нагрузки для импульсного стабилизатора вели" чина д0 „ 1т 18 определяется по приближенной формуле

40 =U Э

Пт17,18 Пт 17,18 Í m X ттт17,16 grnin

8ЬН пи Ь н ттгстх

+» н min

«(g-т ) (9) 25

%+ где Эм ттк,х 06 срттгт т соответствующих параметров при максимальном токе нагрузки стабилизатора;

U6cp ХЕ соответствующих параметров при мини" мальном токе нагрузки стабилизатора.

При непрерывной стабилизации напряжения и резистивном датчике 5 тока, например, в случае маломощного стабилизатора, для О „,„„ „В и 55

Ф

ДО, 1 18 справедливы приближенные выражения

О =З К +О1и т„1718 н 5, в „С а, (1о>, 40

ФМ е ЦЩ 5 (i1max dmin)-0,1%пСв В к гг (/ .

6 cp max ср6 rain) т . (1) где 0,1 - доля пульсаций от ОЬ при максимальном. токе на- 45 грузки.

Формулы (9 ) и (11 т характеризу ют компенсацию узлом 15. отклонения выходного нат1ряжения как от изменения тока нагрузки стабилизатора, так и от изменения напряжения на входе стабилизатора, обусловленного изменением тока нагрузки.

Для ьОВхв справедливо равенство дОвхв = д с»(R1э+ R1) . (12) где д3с2> - иэмейение тока стока транзистора 27 в диапазоне изменения тока нагрузки стабилизатора;

R1>,R - соответственно,. сопротивлеййе резистора 13 и резистора 12 между его движком и выводом соединенным с резистором 13.\

Величина дЗс 2 определяется по формуле д с 2r дОЪ 0020 20Я ДВЯ2 R2& (13) где d 0 -Мд 2о - изменение постоянной составляющей напряжения затвор-исток транзистора 20 в диапазоне изменения тока нагрузки стабилизатора, определяется следующим приближенным соотношением аМ

". 18

Э О20 пт 17,18 Р ..«В

17 .fS где Qo,g<,5<1 - средняя кРУтизна сток затворнои характеристики транзисторов 20, 24 и 27 в диапазоне изменения токов их стоков

RgZ,R2g сопротивление резис торов, 22 и 26, знак минус характе ризует противофазное изменение Зс27 и 0>-о2о.

Подставляя в (5) значения AU8ii 8 из (12) с учетом (13) и (14) получаем окончательно выражение для коэффициента передачи узла 15

Ê1%P + R

1т

Для обеспечения компенсации отклонения выходного напряжения стабилизатора при изменении тока его нагрузки в заданном диапаэо.ie величин Ч „8 находит я в пределах динамического диапазона входных сигналов схемы 8

-УпРавлениЯ. Величина д08хя, необходимая для компенсации отклонения выходного напряжения стабилизатора при изменении тока er о нагрузки от 3„ до Эн 1п;и и обратно, определится равенством д Овх 8 = K <5 д" т 1l 18 учетом выражений (9) или(11) в зависимости от способа регулирования и (1S)

Сопротивления резисторов 21 и 25 выбираются из условий

Uu . =8 =О .-Э

М . с 20тътп Отс 20 06 min с 20 тткхх

* tR + i, (%) с,-24rnin ОТС24 вых с24 àõ (ге гь) где Оотс йоОотс гг«напряжение от сечки тока стока транзисторов ?0 и 24 (справочный параметр);

1037227

"ьх 2 > к22< 1,. С «9). и 2Э

40 где R 2 .СОпрОтивление затвор ис ток униполярного транзистора 24.

Необходимая величина коэффициента фильтрации определяется из соотноше45 ния () где 1,57 - коэффициент пульсации одногюлупериодного однофазного выпрямителя по первой гармонике;

U /go ПОстОЯннаЯ сОставлЯю щая напряжения 0 -фр, пропорциональная току нагрузки.

Значение сопротивлений резисторов

17, 18 и емкости конденсатора 19 определяются по формуле (1) с учетом (2), (3) и (8) при выбранном значении

ClU>- o и известных частоте пульсаций, величине д0(;.гт < и коэффициен(9

3 3 с 2Ü пах (cZy „— максимальные значение тока стока транзисторов 20 и 24, соответствующее холостому- ходу стабилизатора;

Ор,„;и — минимальное значение постоянной составляющей напряжения на конденсаторе 6 при холостом ходе (минимальном токе нагрузки) стабилизатора;

U z<, - выходное напряже- 10 ние стабилизатора.

Так как для униполярных транзисторов. характерно уменьшение крутизны сток-затворной характеристики с увеличением температуры, то выбором со- 15 противлений резисторов 22 и 26, а также границ изменения тока. стока транзисторов 20 и 24 в диапазоне.из.менения тока нагрузки стабилизатора снижается температурная нестабиль- 2р ность выходного напряжения, обусловленной температурной нестабильностью ь0 11,18 à следовательно 05-"о2о

Следует отметить, что потребляемая узлом 15 мощность уменьшается с 25 увеличением тока нагрузки стабилизатора, т.е. уменьшение нестабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки осуществляется в стабилизаторе при повышении его КПД с 50 увеличением номинального тока нагрузки.

Подключение входной цепи узла 15 анодомдиода 16 к выводу датчика 5, соединенному с входной клеммой 1 а

35 объединенными выводами резистора 18 и конденсатора 19 и истоком. транзистора 20 - к Объединенным другому выводу датчика 5, обкладке конден сатора 6 и регулирующему элементу обусловливает уменьшение в Кф вх раз пульсаций тока, протекающего по по следовательной цепи, содержащей цепь сток-исток:транзистора 20, и включенную между стоком гюследнего и общей шиной дополнительно введенную первую пару последовательно соединенных резисторов 21 и 22, по сравнению с пульсациями тока в известных случаях подключения истока первого унигюлярного транзистора к входной клемме 1 стабилизатора и соединенному с.ней выводу датчика тока, а анода диода входной цепи - к другому выводу датчика тока. При этом также уменьшается в К раэ пульсации напряжения на резисторе 22, а, следовательно, пульсации тока стока транзисторов 24 и 27 и обусловленные ияли. дополнительные пульсации напряжения на соответствующем входе схемы 8 управления.

Пульсации тока стока (под действием переменной составляющей напряжения на конденсаторе 6 практически полностью компенсируются противофазными пульсациями этого тока, обусловленными переменной составляюЩей ндпРЯжениЯ 0Э-О2р неэависимО QT наличия конденсатора 23. Роль последнего сводится к фильтрации либо внешних, например сетевых, либо коммутационных (при импульсном регулировании) высокочастотных импульсных помех и исключению их отрицательного влияния через узел 15 на амплитуду пульсаций выходного напряжения, синхронных с упомянутыми помехами. Необходимая для компенсации пульсаций

Эс2р амплитуда переменной составляющей 0 -о р определяется приближен" ным выражением

Ц г ь

"(.(" "яа ((т.™@и) где 06 - амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе 6;

Й -02o - сопротивление цепи сток исток транзистора 20 при напряжении на затворе U -ц2 (постоянная составляющая напряжения на конденсаторе 19) .

Выражение (18) справедливо при выгюлнении уСгювия

Составитель Г. Иачавариани

Техред.Т.Фанта Корректор И. Ватрушкина Редактор Г. Волкова

Тираж 874 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб, д. 4/5

Заказ 6009/49 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ППП,Патент Звк. ЗФ4 б 5 т

1037227 12 те К, необходимая величина которого -,в узел 15 дополнительных пар резисвычисляется по формуле (20). торов 21, 22 и 25, 26 и транзистора

Отсутствие датчика-. тока в цепи 24, а также благодаря подключению общей шины, как это имеет место в из- . соответствующих выводов входной цевестном устройстве обеспечивает ус- S пи узла 15 к соответствующим выводам тойчивость предлагаемого стабилизато- датчика 5 тока, повышается КПД стабира без применения дополнительных кор- лизатора. Кроме того, вследствие повыректирующих цепей и элементов, а шения устойчивости стабилизатора. упроуменьшение нестабильности выходного щается .его настройка, а следовательнапряжения при изменении тока нагруз- >0 но, удешевляется стоимость этой опеки осуществляется, благодаря введению: . рации.