Стабилизатор напряжения (варианты)

 

Стабилизатор напряжения, содержит резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены, соответственно, с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения, и через стабилитрон - к первому выводу регулирующего резистора выходную и входную клеммы, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены, соответственно, с выходной и входной клеммами, а средний вывод - с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом к значению эквивалентного сопротивления параллельно соединенных регулировочного резистора и резистора делителя напряжения соединенного с его первым выводом. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании высокостабильных источников эталонного напряжения.

Известен параметрический стабилизатор напряжения (авт. св. СССР N 849184, G 05 F 3/02, 1981), содержащий резистивный делитель напряжения, операционный усилитель, стабилитрон, ограничительный и регулировочный резисторы, два источника питания операционного усилителя и источник входного напряжения.

Недостатком известного стабилизатора является сложность конструкции из-за необходимости использования трех источников питания, причем источники питания операционного усилителя должны быть гальванически связаны от источника входного напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению, принятым за прототип, является параметрический стабилизатор напряжения (авт. св. СССР N 983691 G 05 F 3/18, 1982), содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора и выходной клемме, второй вывод регулировочного резистора соединен с выходной клеммой, общая шина входного и выходного напряжений соединена с выходом операционного усилителя, шина нулевого потенциала питания которого подключена к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения.

На фиг. 1 представлена схема известного параметрического стабилизатора напряжения. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор 5 подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1 и через стабилитрон 6 к первому выводу регулировочного резистора 7 и выходной клемме 8, второй вывод регулировочного резистора 7 соединен с входной клеммой 9, общая шина входного и выходного напряжений соединена с выходом операционного усилителя 4, шина нулевого потенциала питания которого подключена к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1.

Работает параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При включении напряжения питания операционного усилителя 4 и подаче входного напряжения U_вх на входную клемму 9, через регулировочный резистор 7 будут протекать два тока: ток стабилизатора 6 и ток нагрузки стабилизатора. Ток стабилитрона 6, протекая через него, формирует напряжение источника ЭДС U_o стабилитрона 6 и создает падение напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона 6, при этом можно записать: U_вх (I₈+I₆)·R7 + U_o + I₆·(R5 + R6) I₁·(R2 + R3), где: U_вх входное напряжение, поступающее на клемму 9; U_o напряжение источника ЭДС стабилитрона 6; I₁ ток, протекающий через резисторы 2 и 3 делителя напряжения 1; I₆ ток, протекающий через стабилитрон 6; I₈ ток нагрузки стабилизатора, протекающий через клемму 8; R2, R3 сопротивления резисторов 2 и 3 делителя напряжения 1; R5 сопротивление ограничительного резистора 5; R6 дифференциальное сопротивление стабилитрона 6;
R7 сопротивление регулировочного резистора 7.

Значение выходного напряжения стабилизатора будет определено как
U_вых U_вх (I₈ + I₆)·R7 U_o + 1_6>·(R5 + R6) I₁·(R2 + R3)
Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно записать: I₆·R5 I₁·R3, таким образом U₁ 1₆·R5/R3.

Подставив значение I₁ в выражение выходного напряжения, получим:
U_вых U_o + 1₆·(R3·R6 R2·R5)/R3
Если выполняется условие: R3·R6 R2·R5 0, т.е. R6/R5 R2/R3, значение выходного напряжения стабилизатора будет равно значению напряжения ЭДС стабилитрона 6:
U_вых U_o
Таким образом, обладая высоким коэффициентом стабилизации, известный параметрический стабилизатор напряжения имеет недостаток: сложность конструкции из-за необходимости использования источника входного напряжения и двух гальванически отвязанных источников питания операционного усилителя.

Цель предполагаемого изобретения упрощение конструкции стабилизатора за счет сокращения количества используемых источников питания.

Поставленная цель по первому варианту достигается тем, что в параметрическом стабилизаторе напряжения, содержащем резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора, выходную и входную клеммы, первый и второй крайний выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и выходной клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.

Поставленная цель по второму варианту достигается тем, что в параметрическом стабилизаторе напряжения, содержащем резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и первому выводу стабилитрона, выходную и входную клеммы, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а второй вывод стабилитрона подключен к шине нулевого потенциала.

На фиг. 2 приведена схема предлагаемого параметрического стабилизатора напряжения по первому варианту. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор 5 подключен к второму крайнему выводу резистивного делителя напряжения 1 и через стабилитрон 6 к первому выводу регулировочного резистора 7, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходной 8 и входной 9 клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора 7, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.

Работает предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При подаче на клемму 9 входного напряжения U_вх, которое одновременно является напряжением питания операционного усилителя 4, на его входах возникают падения напряжений от токов, протекающих от источника входного напряжения через клемму 9, через ограничительный резистор 5 и резистор 3 делителя напряжения 1:
U⁺ (U_вх·R6 + U_о·R5)/(R5 + R6),
U^- (U_вх·R2·R7 + U_вых·R3·R7)/(R2·R3 + R2·R7 + R3·R7),
где U⁺, U^- напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя 4;
U_вх входное напряжение, поступающее на клемму 9;
U_o напряжение источника ЭДС стабилитрона 6;
U_вых выходное напряжение, формируемое на клемме 8;
R2, R3 сопротивления резисторов 2 и 3 делителя напряжения 1;
R5 сопротивление ограничительного резистора 5;
R6 дифференциальное сопротивление стабилитрона 6;
R7 сопротивление регулировочного резистора 7.

Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно определить значение выходного напряжения стабилизатора:

Если выполняется условие: R3·R6·(R2 + R7) R2·R5 ·R7 0, т.е. R5/R6 R3·(R2 + R6)/R2·R7 или R5/R6 то
U_вых U_o·(1 + R2/R7)
Изменяя соотношение резисторов R2 и R7 можно установить требуемое значение выходного напряжения стабилизатора.

Таким образом, предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения по первому варианту, обладая простотой конструкции, имеет возможность установления требуемого значения выходного напряжения.

На фиг. 3 приведена схема предлагаемого параметрического стабилизатора напряжения по второму варианту. Стабилизатор содержит резистивный делитель напряжения 1, выполненный на резисторах 2 и 3, первый крайний и средний выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор 5 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 4 и первому выводу стабилитрона 6, первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения 1 соединены соответственно с выходной 8 и входной 9 клеммами, а второй вывод стабилитрона 6 подключен к шине нулевого потенциала.

Работает предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения следующим образом. При подаче на клемму 9 входного напряжения U_вх, которое одновременно является напряжением питания операционного усилителя 4, на его входах возникают падения напряжения от токов, протекающих от источника входного напряжения через клемму 9 и через ограничительный резистор 5 и резистор 3 резистивного делителя напряжения 1:
U⁺ (U_вх·R6 + U_o·R5)/(R5 + R6),
U^- (U_вх·R2 + U_вых·R3)/(R2 + R3)
Поскольку входы операционного усилителя 4 эквипотенциальны, т.е. U⁺ U^-, можно определить значение выходного напряжения стабилизатора:

Если выполняется условие: R3·R6 R2·R5 0, т.е. R5/R6 R3/R2,
то
U_вых U_o
Таким образом, предлагаемый параметрический стабилизатор напряжения по второму варианту обладает простотой конструкции за счет обеспечения работы от одного источника питания.

Формула изобретения

1. Стабилизатор напряжения, содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через ограничительный резистор подключен к второму крайнему выводы резистивного делителя напряжения и через стабилитрон к первому выводу регулировочного резистора, выходную и входную клеммы, отличающийся тем, что первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а средний вывод с вторым выводом регулировочного резистора, первый вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом, к значению эквивалентного сопротивления параллельно соединенных регулировочного резистора и резистора делителя напряжения, соединенного с его первым выводом.

2. Стабилизатор напряжения, содержащий резистивный делитель напряжения, первый крайний и средний выводы которого соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, второй крайний вывод резистивного делителя напряжения через ограничительный резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и первому выводу стабилитрона, выходную и входную клеммы, причем отношение значения сопротивления ограничительного резистора к значению дифференциального сопротивления стабилитрона равно отношению значения сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его вторым выводом, к значению сопротивления резистора делителя напряжения, соединенного с его первым выводом, отличающийся тем, что первый и второй крайние выводы резистивного делителя напряжения соединены соответственно с выходной и входной клеммами, а второй вывод стабилитрона подключен к шине нулевого потенциала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3