Высоковольтный стабилизатор

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности, к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры . Цель-повышение надежности в работе и КПД. В предложенном устройстве управление регулирующим транзистором производится путем изменения по сигналу обратной вязи суммарной ЭДС, прикладываемой к базовой цепи транзистора и вырабатываемой фотодиодами оптронов, функционирующими в фотогенераторном режиме. Для ограничения тока к.з. в эмиттерную цепь регулирующего транзистора введен токоограничивающий резистор. При этом параметры составных элементов стабилизатора подобраны таким образом, что при сохранении имеющихся диапазонов изменения входного напряжения и нагрузочного тока обеспечиваются минимальные потери мощности. В принятой схеме построения исключен резистор между базой и коллектором регулирующего транзистора. Предпочтительное применение устройства распространяется на аппаратуру, реализующую смещение лавинных фотодиодов. 2 ил. w t

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s 6 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4838083/07 (22) 17.04.90 (46) 07.06.92. Бюл. М 21 (71) Научно-исследовательский институт

Полюс (72) М.M.Çåìëÿíoâ (53) 621.316.722.1(088.8) (56) Усманов P. и др. Конструирование высоковольтных стабилизаторов. — Радио, 1987, ЛЬ 3, с. 56-57.

Хоровиц П. и др. Искусство схемотехники, — М.: Мир, 1983, с. 342, (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности, к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель — повышение надежности в работе и КПД, В предложенном устройстве управление регулирующим транзистором

Изобретение относится к транзисторным стабилизаторам напряжения постоянного тока последовательного типа и может быть использовано в качестве регулируемого источника постоянного напряжения при измерении параметров высоковольтных электронных приборов, например лавинных фотодиодов.

Известны высоковольтные транзисторные стабилизаторы напряжения постоянного тока, содержащие регулирующий составной транзистор (два биполярных транзистора типа КТ626В, включенных по схеме Дарлингтона), резистор смещения,первый вывод которого подключен к бапроизводится путем изменения по сигналу обратной вязи суммарной ЭДС, прикладываемой к базовой цепи транзистора и вырабатываемой фотодиодами оптронов, функционирующими в фотогенераторном режиме. Для ограничения тока к.з. в эмиттерную цепь регулирующего транзистора введен токоограничивающий резистор. При этом параметры составных элементов стабилизатора подобраны таким образом, что при сохранении имеющихся диапазонов изменения входного напряжения и нагрузочного тока обеспечиваются минимальные потери мощности. В принятой схеме построения исключен резистор между базой и коллектором регулирующего транзистора. П редпочтител ьное применение устройства распространяется на аппаратуру, реализующую смещение лавинных фотодиодов. 2 ил. зе регулирующего транзистора, а второй вывод — к коллектору регулирующего транзистора, токоограничивающий резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером регулирующего транзистора, а второй вывод — с вторым выводом для подключения нагрузки, делитель напряжения, вход которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки и вспомогательным источником напряжения, усилитель сигнала рассогласования (операционный усилитель типа К140УД1Б), входы которого подключены к выходу делителя напряжения и первому выводу для подключения нагрузки, управляющий элемент (на основе транзи1739369 стара KT604AM), управляющий вход которого подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, а выход — к базе регулирующего составного транзистора, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания и общую шину, включенную между вторыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки.

Недостатками такого устройства являются низкая надежность, обусловленная гальванической связью между находящимся под высоким потенциалом регулирующим транзистором и управляющи ". элементом стабилизатора, а также отсутс:.— вием ограничения выходного тока при к.з. выхода на безопасном для с- билизатора уровне; низкий КПД из-за :;..ьшой рассеиваемой мощности на резисторе смещения и на управляющем элементе; узкий диапазон возможной регулировки выходного напряжения (550-800) В, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, оптрон, светоизлучающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к-выходам делителя напряжения и источника опорного напряжения, а выход — к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания, общую шину, включенную между первыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки. Фотоприемник оптрона выполнен в виде фототранзистора, Недостатками известного стабилизатора являются низкая надежность из-за отсутствия ограничения выходного тока при к,з. выхода, а также низкий КПД из-за большой мощности, рассеиваемой на резисторе смещения. При использовании в стабилизаторе высоковольтного биполярного n — р -и-транзистора 2Т839А и входном напряжении

1500 В максимальный выходной ток стабилизатора при коротком замыкании выхода не должен превышать 10 мА. Для обеспечения выходного тока 10 мЛ при максимальном выходном напряжении, например, 1400

В сопротивление резистора регулирующего элемента должно составлять около 100 КОм, что дает выходной ток при к.з. выхода

150 мА, приводя к выходу из строя высоковольтного транзистора. При этом для предельного режима работы стабилизато5 ра (0вых=100 В,.!вых=10 мА) КПД=3%.

Целью изобретения является повышение надежности в работе и КПД.

Указанная цель достигается тем, что в высоковольтный стабилизатор напряжения

10 постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для

15 подключения нагрузки, оптрон, светоизлучающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласо20 вания, входы которого подключены к выводам делителя напряжения и источника опорного напряжения, а выход — к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первич25 ного источника питания, общую шину, включенную между первыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки, дополнительно введены токоограничивающий резистор и дополни30 тельные оптроны со светоизлучающими элементами, причем токоограничивающий резистор включен между вторым выводом для подключения первичного источника питания и эмиттером регулирующего транзи35 стора, коллектор которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, светоизлучающие элементы дополнительных оптронов включены в выходную цепь вспомогательного источника напряже40 ния, фотоприемники всех оптронов выполнены в виде фотодиодов и включены последовательно между базой регулирующего транзистора и вторым выводом для подключения первичного источника пита45 ния, соединенным с вторым выводом резистора смещения, при этом общее количество N однотипных оптронов, сопротивление R> токоограничивающего резистора и сопротивление Rg резистора смещения

50 выбраны с учетом максимального выходного тока стабилизатора вых в соответствии с выражениями

Il вых 0,95 Pl K1 I) оп !; ! != (I Обэ I l(0,7 I Uxx I ))+1;

В)=- (0,7 N 0хх - I 0бз !)П вых, 1739369

20 на;

30

R2 0,7 и Uxx /(0,95 K1 ll on — I вых /ф1) где P1 — коэффициент усиления регулирующего транзистора по току;

K1 — коэффициент передачи оптрона по току;

C"Оп — максимальный входной ток оптро05э — напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора при м

C вых;

0« — напряжение холостого хода на фотодиоде оптрона в фотогенераторном режиме, На фиг. 1 приведен предлагаемый высоковольтный стабилизатор; на фиг, 2— нагрузочные характеристики цепи из N последовательно соединенных фотодиодов оптронов для N=1,2,3.

Стабилизатор (фиг, 1) выполнен следующим образом, Регулирующий транзистор 1 типа 2Т839А подключен эмиттером к первому выводу токоограничивающего резистора

2, а коллектором — к второму выводу для подключения нагрузки. Второй вывод резистора 2 подключен к второму выводу для подключения первичного источника питания с напряжением U x. Между базой транзистора 1 и вторым выводом первичного источника питания включены резистор 3 смещения и цепь из последовательно соединенных фотодиодов оптронов 4-6 типа

АОД130А. Первые выводы для подключения первичного источника питания и нагрузки соединены общей шиной.

Светоизлучающие элементы оптронов, выполненные в виде светодиодов, соединены последовательно и включены в выходную цепь вторичного источника питания напряжением+15 В (не показан), снабженную управляющим элементом, который содержит резистор 7 и транзистор 8 типа

КТ972Б. Управляющая цепь управляющего элемента (база транзистора 8) подключена к выходу усилителя 9 сигнала рассогласования (операционный усилитель (ОУ) типа

544УД1А), входы которого подключены к источнику опорного напряжения Uynp и выходу делителя напряжения, состоящего из резисторов 10,11 сопротивлением 3 МОм и

20 КОм соответственно. Вход делителя напряжения соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки.

Высоковольтный стабилизатор работает следующим образом.

На стабилизатор подается постоянное отрицательное напряжение от первичного источника питания U>x=-1500 В. При поступлении на инвертирующий вход ОУ управля- ° ющего напряжения отрицательной полярности Uynp на втором выводе стабилизатора для подключения нагрузки появляется стабилизированное напряжение Овы,, которое регулируется в диапазоне.(-9...-1495) В в соответствии с соотношением:

0вых =

-9 В при Uynp = (О..:0.006) В; (1)

150- Uynp npu Uynp =(-0,006...-10) В.

Принцип действия стабилизатора заключается в следующем. При отсутствии напряжения Uynp на втором выводе стабилизатора для подключения нагрузки имеется некоторое начальное напряжение Uo bix, обусловленное протеканием обратного коллекторного тока Т«регулирующего транзистора через сопротивление внешней нагрузки RH (не показано) и сопротивления

R4 и R5 резисторов 10 и 11 соответственно;

U вых=1ко Ra ! (R4+R5), (2) ДЛЯ Вн»84 - R5 И око= 3 МКА ИМЕЮТ

U вых=9 В.

На неинвертирующем входе OY npu этом появляется потенциал Uo+ .

Оо+ — 0 вых R5/(R4+R5) 0,06 В. (3) При подаче управляющего напряжения Uynp на инвертирующий вход OY стабилизатор находится в первоначальном состоянии до тех пор, пока Uo+ Оудр О. Если Uo+-Uynp>0, то ОУ переходит в активный режим, на его выходе появляется положительное напряжение, открывающее транзистор 8, коллекторный ток !Оп которого вызывает свечение светодиодов оптронов

4-6.

Фотодиоды оптронов работают в фотогенераторном режиме, т.е. в режиме преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, Работа в таком режиме проиллюстрирована на фиг,2, где показаны расчетные зависимости напряжения

Офм на цепи из N=1,2,3 последовательно соединенных идентичных фотодиодов от фототока 1ф в цепи внешней нагрузки (нагрузочные характеристики) при темновом токе фотодиодов — 10 мА и фототоке короткого замыкания 1к в.=1 MA.

Эффективная работа такой цепи обеспечивается для 1ф 0,95 JK,з., что соответствует уменьшению Офм от максимального значения NUxx (где U« — напряжение холостого хода одного фотодиода) до 0,7 N Охх.

Ток 1ф протекает через резистор 2 и базу транзистора 1, управляя его коллекторным

1739369 током I»x, который принимается за выходной ток стабилизатора, Ток1ф определяется по току К1: ! 1ф = К1 1оп . (4)

Очевидно, что управление транзисто- 5 ром 1 возможно только в том случае, если при максимальном выходном токе стабилизатора f."3 x цепь из N фотодиодов обеспечивает необходимое смещение на базе транзистора

1, т.е, выполняется условие 10

0,7 N Uxx !Обэ+1 вых R1I (5) где R1 — сопротивление резистора 2, Обэ — напРЯжение межДУ базой и эмиттером транзистора 1 при максимальном выходном токе .("gb)x, величина которого 15 удовлетворяет условию (вых< 0,95 Iк.э, ф1 0,95 К1 1 оп ф1, (6) где P1 — коэффициент усиления транзистора

1 по току базы.

f. pn — максимально допустимый вход- 20 ной ток оптрона.

Количество фотодиодов N определяется из (5) при R1=0:

N I Обэ I/(0,,7 I Hxx I ). (7)

Целесообразно взять минимально возможное N, поэтому

N= (! Обэ /0,7 I Oxx I )+1, (8)

После выбора N величина R1 однозначно определяется из (5):

R1=(07 Охх N — I Обэ )/ I »x ° (9)

Резистор 3 смещения введен для уменьшения RC-постоянной нагрузки для цепи фотодиодов, Сопротивление Rz резистора 3 выбирается из условия, что максимальный ток.(ф, отбираемый от цепи фотодиодов, составляет 0,95 I.э, т.е.

I I „,xI $1+ 0,7N Охх! /R2 0,95 IK.3. (10)

Из (10) и (6) имеют

R2=0,7 N IUxxl /(0,95 К1 (оп I вых/61) 40 (11)

Полагая Обэ I= 0,6 В; I Uxx I 0,4 В;

p1=60i К1=0 01; 1 оп=20 мА; 1 вых 2 мА, имеют в соответствии с(8), (9) и (1 1) М=З; R1=24 Ом;

Rz-36 КОМ,, 45

Такой выбор сопротивлений R1 и Rg обеспечивает при I" Bbix работу цепи фотодиодов в точке М нагрузочной характеристики (фиг. 2). Ввиду этого выходной ток стабилизатора Ьых не может превысить 1 вых, так м 50 как дальнейшее увеличение 1вых приводит к резкому уменьшению напряжения на базе транзистора 1 и закрыванию последнего, Протекание тока !»х через внешнюю

55 нагрузку и. резисторы 10 и 11 приводит к появлению напряжения Овых, которое через делитель напряжения поступает на неинвертирующий вход ОУ, т,е. замыкает традиционную цепь отрицательной обратной связи. При этом справедливо

U» - U» (В+В5)/В5=

Оупр R5/R4 150 Оу р, (12)

КПД стабилизатора при Овых=100 В и

Ьвых— = 10 мА составляет около 7 .

Таким образом, использование предлагаемого высоковольтного стабилизатора повышает надежность устройства за счет ограничения максимального выходного тока на безопасном уровне и позволяет повысить его КПД. Так, например, максимальный выходной ток при любых условиях не может превысить заданного безопасного для стабилизатора уровня, составляющего 10 мА при (Овх! = 1500 В, а КПД, например, при

Овых =100 В и 1вых =10 мА, повышается в

2.,3 раза.

Формула изобретения

Высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий регулирующий транзистор, база которого подключена к первому выводу резистора смещения, делитель напряжения, вход которого соединен с первым и вторым выводами для подключения нагрузки, оптрон, светоизлучающий элемент которого включен в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, снабженную управляющим элементом, усилитель сигнала рассогласования, входы которого подключены к выходам делителя напряжения и источника опорного напряжения, а выход — к цепи управления управляющего элемента, первый и второй выводы для подключения первичного источника питания и нагрузки, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности в работе и КПД, в него введены токоограничивающий резистор и дополнительныее оптроны со светоизлучающими элементами, причем токоограничивающий резистор включен между вторым выводом для подключения первичного источника питания и эмиттером регулирующего транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, светоизлучающие элементы дополнительных оптронов включены в выходную цепь вспомогательного источника напряжения, фотоприемники всех оптронов выполнены в виде фотодиодов и включены последовательно между базой регулирующего транзистора и вторым выводом для подключения первичного источника питания, соединенным с вторым выводом резистора смещения, при этом общее количество N однотипных оптронов, сопро10

1739369

yT) алых дых .-7995В

«То,мА

1,0

0,2

ОМ Оо

Фиг.2 тивление R1 токоограничивающего резистора и сопротивление Rz резистора смещения выбраны с учетом максимального выходного тока стабилизатора j." x в соответствии с выражениями

IT sexi 0,95 P) К1 I T oslo

N= (I 0бэ I /(0,7 I 0хх! ))+1

R 1= (0,7 N I Uõõ I - I 06э I )/1 эых

R2= 0,7 М I Uxxl /(0,95 К1 ll оп!- И аыхl P1) где P1 — коэффициент усиления регулирующего транзистора по току;

К1 — коэффициент передачи оптрона по

5 току; fM > — максимальный входной ток оптрона;

Оь — напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора при

10 T""e„„x,.

Uxx — напряжение холостого хода на фотодиоде оптрона в фотогенераторном режиме.