Компенсационный стабилизатор напряжения с защитой

 

Компенсационньш стабилизатор напряжения с защитой относится к вторичным источникам питания и может быть использован при создании блоков питания радиоэлектронной аппаратуры, Цель - исключение зависимости тока короткого замыкания от высокого напряжения при его регулировании в широком диапазоне. В устройстве обеспечиСО Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 2 3901 А1 (51) 4 G 05 F 1/569

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3748710/24-07, 3749027/24-07, 3746529/24-07 (22) 31.05.84 (46) 30.11.86. Бюл. 1(- 44 (72) М.И.Кукушкин (53) 621.316.722.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 813392, кл. С 05 F 1/58, 1980.

Авторское свидетельство СССР

1(1105876, кл. G 05 F 1/58, 1983. (54) КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР . НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ (57) Компенсационный стабилизатор напряжения с защитой относится к вторичным источникам питания и может быть использован при создании блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.

Цель — исключение зависимости тока короткого замыкания от высокого напряжения при его регулировании в широком диапазоне. В устройстве обеспечи1273901 вается неизменность порога срабаты- ния входного напряжения операционных вания защиты от перегрузки по току усилителей узла 12 защиты и усилитепри регулировании, выходного напряже- ля 14 обратной связи используется в ния и уменьшение тока короткого замы- делителе. 3 выходного напряжения один кания. Поставленная задача в стабили- общий переменный резистор ° При регузаторе напряжения решается использо- лировании выходного напряжения ток ванием сдвоенного резистора (13 и короткого замыкания остается постоян10), переменные сопротивления которо- ным, а по величине всегда меньше, ro регулируют входные напряжения one- чем ток срабатывания защиты. Ток корационных усилителей узла 12 защиты роткого замыкания может быть задан и усилителя 14 обратной связи. Кроме любой сколь угодно малой величины. того, для одновременного регулирова. — 3 з.п. ф-лы, 6 ил. где К

К . RIq

U=- — — i R +--- К. U

II 5 К

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.

Цель изобретения — исключение зависимости тока короткого замыкания от выходного напряжения при его регулировании в широком диапазоне.

На фиг.1 — 3 представлена схема компенсационного стабилизатора напря- 10 жения с защитой; на фиг.4-6 — диаграммы, поясняющие его работу.

Компенсационный стабилизатор напряжения с защитой содержит последова- 15 тельный регулирующий транзистор 1, согласующий транзистор 2, делитель 3 выходного напряжения, первый источник

4 постоянного опорного напряжения, датчик 5 тока, согласующий транзистор 20

6, операционный усилитель 7, второй источник 8 опорного напряжения, операционный усилитель 9, первое регулируемое сопротивление сдвоенного резистора 10, резистор 11, операционный усилитель 12, второе регулируемое сопротивление сдвоенного резистора

13, операционный усилитель 14, резистор 15, резистор 16, операционный усилитель 17, резистор 18 (фиг.1).

Стабилизатор дополнительно содержит диод 19, резисторы 20 и 21, второй делитель 22 напряжения, резисторы 23-25 (фиг.3 и 4).

До момента срабатывания узла защиты стабилизатор находится в режиме стабилизации выходного напряжения, при этом защитный транзистор 6 заперт напряжением с выхода операционного усилителя 7. Условием режима стабили,зации является следующее равенство:

«1 ю

K UBBI)(R UooI s

11 — коэффициент деления делителя

3 обратной связи; — напряжение источника 4 постоянного опорного напряжения 4;

R, — коэффициент передачи операR ционного усилителя 9.

При возрастании тока нагрузки возрастает падение напряжения на датчике 5 тока, при этом меняется напряжение и на выходе дополнительного операционного усилителя 14. При достиже.нии напряжения U Величины Бм (напряжения дополнительного источника

8 опорного напряжения) напряжение на выходе операционного усилителя 7 меняет знак на противоположный и открывает защитный транзистор 6. Последний начинает шунтировать база-эмиттерный переход регулирующего транзистора 1, что приводит к уменьшению выходного тока и напряжения, соответственно

Условие работы узла защиты U o =U с учетом знака U „ запишется

/ .RIB . R, ОП / ь Г3

В режиме стабилизации

1273

r !5 !5 R lo

ОО7 Р !! 5 R Р on!

16 !Ъ !1

В случае равенства величин сопротивлений резисторов 10 и 13 R =R что обеспечивает сдвоенный резистор: (U (=->- i R- — -U

R l ° R !%

ОО2 Р 1!! g R Оп!!

6 !1

Тогда ток срабатывания равен

I + l 5

ОП7 Я ОП!

1 ср

R!5 — — R

Ц, 5 и не зависит от величины выходного напряжения.

В случае короткого замыкания UzÄÄ=

=0, тогда ток короткого замыкания равен

lU.../

1 к,9

) 5 постоянен, не зависит от выходного напряжения и не имеет ограничений по своей величине, при этом 1y c lcp

Соответственно в режиме работы узла защиты обеспечивается при изменении нагрузки вплоть до короткого замыкания уменьшение тока и выходного ,0 напряжения в соответствии с приведен- ными на фиг.4 нагрузочными характеристиками, постоянный ток срабатывания узла защиты во всем диапазоне изменения выходного напряжения и постоянный малый ток короткого замыкания. 5

При наличии дополнительных элементов и других связей между ними согласно фиг.2 работа компенсационного стабилизатора с защитой осуществляется следующим образом.

До момента срабатывания узла защиты стабилизатор находится в режиме стабилизации выходного напряжения и описывается равенством

ЬЫ „42,( где R — коэффициент деления делителя

3 обратной связи;

U — напряжение на выходе регулиг руемого источника напряжения (выход операционного усили50 теля 17) .

При этом защитный транзистор 6 заперт напряжением операционного усилителя 7, а согласующий транзистор 2 находится в активном режиме за счет напряжения на выходе операционного усилителя 17. За счет диода 19 цепь

901. 4 обратной связи разомкнута и не. оказы" вает влияния на работу операционного усилителя 17 °

При росте тока -нагрузки возрастает падение напряжения на датчике 5 тока, соответственно возрастает напряжение на нейнвертирующем входе операционного усилителя 7 и по достижении величины напряжения П! (напряжения на инвертирующем входе) напряжение на выходе операционного усилителя 7 меняет знак на противоположный, что приводит к открыванию защитного транзистора 6, который начинает шунтировать база-эмнттерный переход регулирующего транзистора 1, это приводит к уменьшению выходного напряжения и тока. При этом напряжение на выходе операционного усилителя 17 меняет знак на противоположный, запирает согласующий транзистор 2, а через открывшийся диод 19 замыкает цепь обратной связи и операционный усилитель переходит в режим работы с коэффициентом усиления, определяемым соотношением сопротивления обратной связи и сопротивления входного резистора

21. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется величиной напряжения, снимаемого с делителя обратной связи. Таким образом, режим работы стабилизатора определяется величиной тока нагрузки и величиной выходного напряжения.

Условное срабатывание защиты равно К, i„.R =U, где iHR9 " падение напряжения на датчике 5 тока; R4 .коэффициент деления делителя 22; 01 напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 7. При этом в общем слу ае U(=R2 U0„2 +R% ЦЭ где

U3 - напряжение на аноде диода 19. с

В режиме стабилизации напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 17 равно О.

Следовательно, для момента срабатывания можем записать еР 9 7 ОО2

° R 2 UOA2

9

При этом i, (ток срабатывания) не зависит от выходного напряжения.

В режиме работы узла защиты U> равно

U = — — — — -U (1-R )-R U

К!! t R!l

Э Р (. ОО! 4 4 ВЫМ а А

73901 б менения выходного напряжения, а при снятии аварийной нагрузки — возвращение стабилизатора в исходное состояние.

При наличии дополнительного резистора и других связей между элементами схемы согласно фиг.З работа компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с защитой осуществляется следующим образом.

В режиме стабилизации выходного напряжения до момента срабатывания узла защиты защитный транзистор 6 заперт выходным напряжением операцион15 ного усилителя 7, при этом узел защиты не указывает влияния на работу стабилизатора.

Напряженне на выходе стабилизатора равно

20 ВВ(Х Uoo< где U „, — напряжение источника 4 опорного напряжения.

R, где —Rg < R9

Изменяющимися величинами, зависящими OT U„(„1 являются RA и Кв Если

R =Ro, что обеспечивается применением сдвоенного резистора, i > равен

ft

К, g 9 и не зависит от выходного напряжения.

При этом i„ i, и должно быть О, Х.2 ср тогда

ВВ R< и ъ.. 1(1 Р )

Uo((, R2 Ц1<

В пренебрежении членами второго порядка

45 — коэффициент передачи операционного усилителя 17; — сопротивление цепи обратной связи операционного усилителя 17;

В. » — — — коэффициент передачи (без

R учета знака) операционного усилителя 9;

R — величина полного входного

А сопротивления, состоящего иэ резисторов 1 0 и 11.

Условие работы стабилизатора в режиме перегрузки запишется следующим образом:

Ни Ъ<

9 2 оо2 ВВ R 0(<1 (1

Н Д хх R4 вых) °

Ток короткого замыкания при условии U =0:

Выл

R Rg< 2- оо2 Езр .р Uo((< (1 4) В и кд

"Х.В

Up((2 R В R 11

) ОП< 2 17

Учитывая равенство, получим для

Ф

R1 К х. R R 0((< °

Соответственно, узел защиты обеспечивает при изменении сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыка- ния уменьшение выходного напряжения и тока в соответствии с нагрузочными характеристиками, приведенными на фиг.5, при постоянном токе срабатывания и постоянном. малом токе короткого замыкания во всем диапазоне изПри этом напряжение U на выходе дополнительного операционного усилителя 12 равно

R1o К<О

U — -RU — — -i R

< R Вых к В В ° (2 11 где i„ R — падение напряжения на датчике 5 тока.

Причем в режиме стабилизации выходного напряжения на изменение величины U< влияет только изменение величины падения напряжения на датчике 5 тока. При дальнейшем росте величины падения напряжения на датчик 5 тока происходит уменьшение напряжения U, которое при достижении U«2 (напряжения дополнительного источника 8 опорного напряжения) переводит узел защиты в рабочее состояние. При этом напряжение на выходе операционного усилителя 7 меняет знак на противоположный и открывает защитный транзистор 6, который начинает шунтировать база-эмиттерный переход регулирующего транзистора 1, уменьшая величину выходного напряжения и тока.

Условие работы узла защиты равно

U =Uo„2, где U0„2 — напРяжение дополнительного источника 8 опорного напряжения, - RU — — — ° i R=V

Ri R10

ВЬ(Х я В В 0((2 (2 »

С учетом знака V ðàâía

/ / R10 ° R 1o R — -R V

0((2/ R М 5 R В(х(М1 н f2

7 12739 тогда ток срабатывания узла защиты равен

3. Стабилизатор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что в узле обратной связи содержатся два операционных усилителя и диод, а в узле защиты — один операционный усилитель, причем первый операционный усилитель узла обратной связи неинвертирующим входом подключен к выходной клемме и к первому выводупервого источника опорного напряжения, подключенного вторым вывоцомчерез резисторк первому выводу первого регулирующего сопрртивления сдвоенногорезистора, подключенйого вторым выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя узла обратной связи, а через резистор — к его выходу и первому выводу резистивного делителя напряжения, подключенного вторым выводом к общей шине, а средним через резистор — к инвертирующему входу второго операl + к1а

Попт I оп 2 о

--- ° R

R„ и не зависит от величины выходного напряжения.

Ток короткого замыкания х при

Б ы =О Равен

/Поп

1y) к„

l5

При этом i „остается постоянным, и не зависит от выходного напряжения и по величине меньше, чем ток срабатывания i (i

Формула изобретения

1. Копенсационный стабилизатор напряжения с защитой, содержащий регулирующий транзистор, подключенный силовым входом к входной клемме, силоо 30 вым выходомчерез датчик тока -к выходной клемме, а базой- кколлекторам двух согласующих транзисторов, подключенных эмиттерами к выходной клемме, а базами раздельно — к выходу узла обратной связи и выходу узла защиты, резистивный делитель выходного напряжения, включенный между выходной клеммой и общей шиной и связанный выходом с входом узла обратной связи, отличающийся тем, что, с целью исключения зависимости тока короткого замыкания от выходного напряжения при его регулировании в широком диапазоне, вход узла защиты связан с выходом резистивного делите45 ля выходного напряжения.

2. Стабилизатор по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что узелобратной связи выполнен на двух операционных усилителях, первом источнике опорного напряжения, первом регулируемом сопротивлении сдвоенного резистора и резисторах, узел защиты — на трех операционных усилителях, втором источнике опорного напряжения, втором55 регулируемом сопротивлении сдвоенного резистора, резисторах, причем первый вход первого операционного усили01 8 теля узла обратной связи является входом этого узла, а второй вход подключен к выходу второго операционного усилителя узла обратной связи ,и к первому выводу первого регулируемого сопротивления сдвоенного резистора, подключенного вторым выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя узла обратной связи и через резистор — к первому выводу первого источника опорного напряжения, подключенного вторым выводом к выходной клемме и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя узла обратной связи, неинвертирующий вход первого операционного усилителя узла защиты является входом этого узла, а инвертирующий вход и выход подключены к первому выводу второго регулируемого сопротивления сдвоенного резистора, подключенного вторым выводом к неинвартирующему входу второго операционного усилителя узла защиты, через резисторы— к силовому выходу регулирующего транзистора и к объединенным выходу и входу первого и третьего операционных усилителей узла защиты, второй вход третьего операционного усилителя подключен к первому выводу второго источника опорного напряжения, подключенного вторым выводом к -выходной клемме и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя узла защиты, а выход третьего операционно го усилителя узла защиты является выходом этого узла.

9 1273 ционного усилителя узла обратной связи, подключенного неинвертирующим входом к выходной клемме, а выходом, являющимся выходом узла обратной связи, — к первому выводу диода, подклю- g ченного вторым выводом к первому выводу второго регулируемого сопротивления сдвоенного резистора и через резистор — к выходной клемме, второй вывод второго регулируемого сопротив о ления сдвоенного резистора через резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя узла обратной связи, второй вывод диода через резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя узла защиты, являющемуся входом этого узла, второй источйик опорного напряжения первым выводом подключен к выходной клемме, а вторым через резистор — к входу узла защиты, подключенного через резистор к выходной клемме, операционный усилитель узла защиты неинвертирующим входом через резистор подключен к выходной клемме и силовому выходу регулирую901 10 щего транзистора, а его выход является выходом узла защиты.

4. Стабилизатор по пп. 1-3, о т л и ч а ю шийся тем, что второй вход операционного усилителя узла обратной связи через первый источник опорного напряжения подключен к выходной клемме, первый операционный усилитель узла защиты неинвертирующим входом подключен к выходной клемме, первый операционный усилитель узла защиты неинвертирующим входом подключен к выходной клемме, инвертирующим входом, являющимся входом узла защиты, через резисторы — к среднему выводу резистивного делителя выходного напряжения и силовому выходу регулирующего транзистора, выходом — к первому входу второго операционйого усилителя узла защиты, подключенного вторым входом через второй источник опорного напряжения к выходной клемме, между инвертирующим входом и вы.ходом первого операционного усилителя защиты включен резистор, а выход второго операционного усилителя узла защиты является выходом этого узла.

127390 1 8bll

Составитель Г.Мачавариани

Техред А.Кравчук Корректор А.Зимокосов

Редактор М.Дылын

Заказ 6476/45 Тираж 83б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4(5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4