Двухполярный стабилизатор постоянного напряжения

 

Область использования: в высококачественных схемах стабилизированного питания. Сущность изобретения: устройство содержит регулирующие транзисторы разного типа проводимости, эмиттерами подключенные к общей шине, эти транзисторы входят в состав двух однополярных стабилизаторов, каждый из которых включает также цепь запуска, усилитель сигнала ошибки, делитель выходного напряжения, источник опорного напряжения и дополнительный диод. Цепь запуска выполнена на запускающем диоде. После запуска устройства от первичных источников мощность не потребляется. Устройство надежно работает даже при обрыве одного из запускающих диодов. Устройство может быть спроектировано в интегральном исполнении. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в высококачественных схемах стабилизированного питания электротехнических, радиоэлектронных и измерительных устройств.

Для получения двухполярных стабилизированных напряжений известно использование двух однополярных стабилизаторов напряжения [1] . При этом стабилизаторы напряжения положительной и отрицательной полярности включаются относительно общей шины первичного источника, также двухполярного. Каждый стабилизатор содержит регулирующий транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резистивный делитель выходного напряжения, используемый в качестве датчика регулируемого параметра. Стабилизированное напряжение на выходе данного стабилизатора получают путем регулирования падения напряжения на транзисторе, включенном последовательно с нагрузкой.

Известно устройство [2] , содержащее цепь запуска и два однополярных стабилизатора с регулирующими транзисторами разной структуры, эмиттеры которых соединены с общей нулевой шиной выходных напряжений однополярных стабилизаторов, каждый из которых состоит из первичного источника, один из полюсов которого подключен к коллектору соответствующего регулирующего транзистора, а противоположный полюс - к шине выходного напряжения, резистивного делителя выходного напряжения и источника опорного напряжения с усилителем ошибки, выводы питания которого подключены к шинам выходных напряжений противоположной полярности двухполярного стабилизатора.

В данном устройстве снижение максимально допустимого падения напряжения на регулирующем транзисторе, и повышение КПД достигается за счет получения запаса по напряжению на выходе усилителя ошибки каждого однополярного стабилизатора относительно потенциала пазы его регулирующего транзистора, эмиттером подключенного к нулевой выходной шине, при подключении выводов питания усилителей ошибки к шинам выходных напряжений двухполярного стабилизатора. Но такое подключение питания усилителей ошибки в рассматриваемом устройстве, предусматривающее необходимость проводящего состояния регулирующих транзисторов, затрудняет или делает невозможным начальный запуск стабилизатора при включении первичных источников.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство [3] , содержащее цепь запуска и два однополярных стабилизатора с регулирующими транзисторами разной структуры, эмиттеры которых соединены с общей нулевой шиной выходных напряжений однополярных стабилизаторов, каждый из которых состоит из первичного источника, один из полюсов которого подключен к коллектору соответствующего регулирующего транзистора, а противоположный полюс - к шине выходного напряжения резистивного делителя выходного напряжения и источника опорного напряжения с усилителем ошибки, выводы питания которого подключены к шинам выходных напряжений противоположной полярности двухполярного стабилизатора.

В данном устройстве достигнуто повышение КПД за счет получения запаса по напряжению на выходе каждого усилителя ошибки, но подключение выводов питания усилителей ошибки к шинам выходных напряжений двухполярного стабилизатора затрудняет начальный запуск стабилизатора при включении первичных источников. Устранение этой неопределенности в данном устройстве достигается путем соединения коллекторов регулируемых им транзисторов обоих стабилизаторов при помощи последовательной цепочки из дополнительного транзисторного ключа (p-n-p-структуры) и пускового резистора, причем эмиттер этого дополнительного транзистора подключен к коллектору регулирующего транзистора стабилизатора отрицательной полярности, коллектор через пусковой резистор - к коллектору регулирующего транзистора стабилизатора положительной полярности, а база связана через дополнительный резистор с положительной шиной выходного напряжения.

В режиме пуска этот дополнительный ключ открыт, что обеспечивает протекание тока через пусковой резистор и подключение (последовательное) первичных источников к цепям питания усилителей ошибки и источников опорного напряжения, шунтированных нагрузкой. В установившемся же режиме работы соотношение потенциалов на электродах транзисторного ключа меняется таким образом, что к его переходу база-эмиттер прикладывается обратное напряжение, и ключ закрывается. Как следствие, прекращается и ток через пусковой резистор.

Изобретение решает задачу снижения стоимости и упрощения схемы двухполярного стабилизатора при одновременном повышении надежности.

Это решается посредством того, что в известный двухполярный стабилизатор напряжения, содержащий цепи запуска, два однополярных стабилизатора, каждый из которых включает в себя цепь запуска, регулирующий транзистор, коллектор-эмиттерной цепью включенный между одним из выводов для подключения соответствующего источника питающего напряжения и общей нулевой шиной, усилитель сигнала ошибки, выходом соединенный с базой регулирующего транзистора, делитель выходного напряжения, включенный между соответствующим выходным выводом и общей нулевой шиной и выходом соединенный с одним из входов усилителя сигнала ошибки, и источник опорного напряжения, включенный между выводами питания усилителя сигнала ошибки, причем другой вывод для подключения источника питающего напряжения соединен с соответствующим выходным выводом своего однополярного стабилизатора, а регулирующие транзисторы обоих однополярных стабилизаторов имеют противоположный тип проводимости, в каждый однополярный стабилизатор введен дополнительный диод, а в качестве цепи запуска каждого однополярного стабилизатора использован запускающий диод, включенный последовательно-согласно между выводом для подключения соответствующего источника питающего напряжения, соединенным с коллектором регулирующего транзистора, и одним из выводов питания усилителя сигнала ошибки, другой вывод питания которого соединен с соответствующим выходным выводом, а дополнительный диод каждого однополярного стабилизатора включен согласно между точкой соединения запускающего диода своего однополярного стабилизатора с выводом питания усилителя сигнала ошибки и выходным выводом другого однополярного стабилизатора.

Новизна данного решения заключается в том, что двухполярный стабилизатор снабжен для каждого однополярного стабилизатора дополнительным диодом, а в качестве цепи запуска в нем использован запускающий диод, включенный между коллектором регулирующего транзистора и выводом питания усилителя ошибки, который через дополнительный диод соединен с шиной выходного напряжения другого однополярного стабилизатора.

Путем использования дешевых слаботочных (номинальный ток около 20 мА) диодов (двух дополнительных и двух запускающих) и новой, более простой конфигурации схемы удалось избежать применения в пусковой цепи мощного и, следовательно, дорогостоящего транзистора (характерная величина номинального коллекторного тока (5-10) А. Таким образом, описываемое решение обеспечивает снижение стоимости двухполярного стабилизатора и упрощение его схемы. Экономический выигрыш можно ориентировочно определить как (10-20% ) от стоимости всего устройства. Попутно можно отметить, что также снижаются габариты и вес (примерно на 10% ). Кроме того, вследствие новых, перекрестных связей между отдельными однополярными стабилизаторами повышается надежность работы всего устройства. Конкретно, при выходе из строя некоторых элементов схемы данное устройство сохраняет работоспособность полностью или с частичной потерей качества. Иными словами, сохраняется возможность бесперебойного аварийного питания потребителя.

На чертеже представлена функциональная схема двухполярного стабилизатора постоянного напряжения.

Отрицательный полюс первичного источника 1 питания соединен с коллектором регулирующего р-n-p-транзистора 2, а положительный полюс первичного источника 3 питания - с коллектором регулирующего n-p-n-транзистора 4, причем противоположные полюсы первичных источников 1, 3 соединены с разнополярными выходными шинами стабилизаторов. Эмиттеры регулирующих транзисторов 2, 4 подключены к общей нулевой шине стабилизаторов.

На выходах стабилизаторов установлены резистивные делители 5, 6 выходного напряжения, выходы которых подключены к инвертирующим входам соответственно усилителей 7, 8 сигнала ошибки, выходы которых соединены с базами соответственно регулирующих транзисторов 2, 4. Неинвертирующие входы усилителей 7, 8 сигнала ошибки подключены соответственно к выходам источников 9, 10 опорного напряжения, входные выводы которых подключены к выводам питания усилителей 7, 8 сигнала ошибки.

Запускающие диоды 11, 12 цепей запуска подключены последовательно и согласно с первичными источниками 1, 3 питания между коллекторами регулирующих транзисторов 2, 4 и соответствующими выводами питания усилителей 7, 8 сигнала ошибки подключены к соответствующим разнополярным выходным выводам стабилизаторов. Дополнительные диоды 13, 14, каждый из них (например, диод 14) включены между соединенным с запускающим диодом (например, диодом 12) выводом питания соответствующего усилителя сигнала ошибки (например, 8) и выходным выводом другого однополярного стабилизатора.

Двухполярный стабилизатор работает следующим образом.

В установившемся режиме запускающие диоды 11, 12 заперты, так как напряжения первичных источников 1, 3 оказываются меньше по абсолютной величине суммы выходных напряжений однополярных стабилизаторов, и таким образом эти диоды не влияют на работу всей схемы в целом. Дополнительные диоды 13, 14 также не влияют на работу стабилизаторов в целом режиме, поскольку они открыты, и по ним протекают токи питания усилителей 7, 8 сигнала ошибки и источников 9, 10 опорного напряжения. Усилители 7, 8 сигнала ошибки питаются стабилизированным напряжением, равным сумме выходных напряжений обоих стабилизаторов, причем потенциал выхода каждого из усилителей 7, 8 в установившемся режиме примерно равен потенциалу общей нулевой шины стабилизатора. Следовательно, запас по напряжению на выходе усилителя сигнала ошибки (например, усилителя 7) для регулирования проводимостью транзистора (например, 2) одного стабилизатора равен величине выходного напряжения другого стабилизатора.

Работоспособность всей схемы сохраняется при снижении напряжений первичных источников до величины, примерно равных заданным значениям выходных напряжений стабилизаторов.

Если запускающие диоды 11, 12 отсутствуют, то при запуске двухполярного стабилизатора, т. е. при включении первичных источников 1, 3, регулирующие транзисторы 2, 4 находятся в неопределенном состоянии. Это следует из того, что для открывания регулирующих транзисторов 2, 4 необходимо наличие на их базах соответствующих потенциалов, определяемых выходами усилителей 7, 8 сигнала ошибки. С другой стороны, питание упомянутые усилители 7, 8 получают (через дополнительные диоды 13, 14 с выходных шин стабилизаторов, напряжение на которых появляется лишь при проводящем состоянии регулирующих транзисторов 2, 4).

В описываемом устройстве для исключения этой неопределенности установлены запускающие диоды 11, 12 и дополнительные диоды 13, 14, которые работают следующим образом.

При запуске двухполярного стабилизатора дополнительные диоды 13, 14 закрыты, так как закрыты регулирующие транзисторы 2, 3 и, следовательно, выходные напряжения обоих стабилизаторов равны нулю. Тогда от источников 1, 3 через запускающие диоды 11, 12 начинают протекать токи питания источников 9, 10 опорного напряжения и усилителей 7, 8 сигнала ошибки. В результате начинают открываться регулирующие транзисторы 2, 4 и, следовательно, выходные напряжения обоих стабилизаторов начинают возрастать (по абсолютной величине). Потенциалы электродов дополнительных диодов 13, 14, соединенных с выходными выводами стабилизаторов (например, анод диода 14), начинают приближаться к потенциалам противоположных электродов тех же диодов (например, катод диода 14). Как только эти потенциалы сравняются, запускающие диоды 11, 12 закроются, дополнительные диоды 13, 14 откроются, и усилители 7, 8 и источники 9, 10 опорного напряжения будут запитаны стабилизированным напряжением, равным сумме выходных напряжений обоих стабилизаторов.

Очевидно, что в установившемся режиме после запуска стабилизатора дополнительной мощности от первичных источников не потребляется.

Как уже говорилось, данный стабилизатор, в отличие от прототипа, сохраняет работоспособность при отказе некоторых элементов схемы. Так, при выходе из строя (обрыве) одного из дополнительных диодов (например, диода 14) стабилизатор отрицательной полярности останется в работе благодаря запускающему диоду 12 (диапазон изменения напряжения первичного источника 3 в этом случае будет ограничен). Очевидно, что на работу стабилизатора положительной полярности обрыв диода 14 не влияет.

Единственно, что аналогичная картина будет при обрыве диода 13 или даже диодов 13, 14 одновременно.

При обрыве одного из запускающих диодов (например, диода 11) запуск всего устройства будет происходить следующим образом: сначала вступит в работу стабилизатор отрицательной полярности, его выходное напряжение через делитель 5 и диод 13 окажется приложенным к усилителю 7 и источнику 9, в результате чего транзистор 2 начнет отрываться, подпитывая собственный усилитель 7 и источник 9. После достижения выходным напряжением заданной величины стабилизатор положительной полярности также готов к работе. Аналогичные процессы будут и при обрыве запускающего диода 12.

Наконец, что при пробое одного (например, диода 14) из дополнительных диодов (или даже одновременно диодов 13 и 14) запуск всего устройства также будет обеспечен.

Кроме приведенных случаев, можно рассмотреть и другие (комбинации отказов запускающих и дополнительных диодов).

Таким образом, дополнительным преимуществом описываемого решения по сравнению с прототипом является повышенная надежность. Данное решение может быть также весьма полезным при проектировании двухполярных стабилизаторов в интегральном исполнении.

Формула изобретения

ДВУХПОЛЯРНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий два однополярных стабилизатора, каждый из которых включает в себя цепь запуска, регулирующий транзистор, коллектор-эмиттерной цепью включенный между одним из выводов для подключения соответствующего источника питающего напряжения и общей нулевой шиной, усилитель сигнала ошибки, выходом соединенный с базой регулирующего транзистора, делитель выходного напряжения, включенный между соответствующим выходным выводом и общей нулевой шиной и выходом соединенный с одним из входов усилителя сигнала ошибки, и источник опорного напряжения, включенный между выводами питания усилителя сигнала ошибки, причем другой вывод для подключения источника питающего напряжения соединен с соответствующим выходным выводом своего однополярного стабилизатора, а регулирующие транзисторы обоих однополярных стабилизаторов имеют противоположный тип проводимости, отличающийся тем, что в каждый однополярный стабилизатор введен дополнительный диод, а в качестве цепи запуска каждого однополярного стабилизатора использован запускающий диод, включенный последовательно согласно между выводом для подключения соответствующего источника питающего напряжения, соединенным с коллектором регулирующего транзистора, и одним из выводов питания усилителя сигнала ошибки, другой вывод питания которого соединен с соответствующим выходным выводом, а дополнительный диод каждого однополярного стабилизатора включен согласно между точкой соединения запускающего диода своего однополярного стабилизатора с выводом питания усилителя сигнала ошибки и выходным выводом другого однополярного стабилизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1