Компенсационный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике. Компенсационный стабилизатор напряжения содержит регулирующий элемент, в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор, и дифференциальную схему сравнения, которая состоит из включенного параллельно нагрузке делителя выходного напряжения, выполненного в виде цепочки последовательно включенных резисторов, источника опорного напряжения и балансного усилителя постоянного тока, выполненного на втором и третьем транзисторах. К первому входу балансного усилителя постоянного тока подключен источник опорного напряжения, ко второму входу - делитель выходного напряжения, а выход балансного усилителя постоянного тока соединен с входом регулирующего элемента. Последовательно с делителем выходного напряжения включен дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с выводом крайнего резистора делителя выходного напряжения, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор - с положительной шиной компенсационного стабилизатора напряжения. Техническим результатом является повышение надежности работы и обеспечение работоспособности компенсационного стабилизатора напряжения при попадании на его выходные шины напряжений обратной полярности. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания в электронной и радиотехнической аппаратуре различного назначения.

Известны и широко применяются транзисторные стабилизаторы постоянного напряжения компенсационного типа, представляющие собой системы автоматического регулирования, в которых с заданной точностью выдерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения входных напряжений и тока нагрузки.

Наиболее близким к заявленному изобретению является компенсационный стабилизатор напряжения (КСН), содержащий регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого использован первый транзистор 1, который включен последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока, и дифференциальную схему сравнения. Она состоит из балансного усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на втором 2 и третьем 3 транзисторах, источника опорного напряжения, в качестве которого использован кремниевый стабилитрон 4, и делителя выходного напряжения 5, выполненного в виде подключенной параллельно нагрузке цепочки последовательно соединенных резисторов (фиг.1). Коллекторная нагрузка третьего 3 транзистора балансного УПТ подключена к дополнительному источнику питания, минусовая клемма которого соединена с положительной шиной КСН. Коллектор второго транзистора 2 балансного УПТ соединен с эмиттером первого транзистора 1 (РЭ), база которого соединена с коллектором третьего транзистора 3 балансного УПТ. Эмиттеры второго 2 и третьего 3 транзисторов через резистор 6 подключены к минусовой шине КСН. База второго транзистора 2 через резистор 7 соединена с эмиттером первого транзистора 1 (РЭ) и положительным выводом кремниевого стабилитрона 4, отрицательный вывод которого соединен с минусовой шиной КСН. База третьего транзистора 3 балансного УПТ подключена к делителю выходного напряжения 5 (Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. Под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978. Т. 2, стр. 175-176, рис. 6-78а).

Существенным недостатком схемы известного КСН, как и всех схем КСН подобного типа, являются частые отказы при его включении, если на выходную шину с нагрузки попадает напряжение обратной полярности. Такие ситуации возникают, например, в устройствах вычислительной техники, которые питаются от нескольких источников с различной полярностью питающих напряжений. Причинами отказов являются неодновременное нарастание питающих напряжений на элементах схемы КСН непосредственно после его включения, а также периодические отключения и включения в работу источников напряжения различной величины и полярности. В этих случаях (фиг.2) напряжение обратной полярности, попадая через делитель выходного напряжения 5 на базу третьего транзистора 3 балансного УНТ, "опрокидывает" его, т.е. в нем эмиттер становится коллектором, а коллектор - эмиттером. При этом переход "коллектор - база" смещается в прямом направлении и работает как переход "база - эмиттер", благодаря чему через него и первый транзистор 1 (РЭ) текут токи в направлениях, показанных стрелками на схеме фиг.2 (здесь третий транзистор 3 балансного УПТ изображен в "опрокинутом" состоянии). Очевидно, что в данном случае на выходе КСН будет напряжение обратной полярности даже при появлении номинального питающего напряжения от преобразователя переменного тока в постоянный U_BX1, которое не в состоянии изменить возникший режим. Поэтому КСН становится неработоспособным.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей заявленного изобретения является повышение надежности работы и обеспечение работоспособности КСН при попадании на его выходные шины напряжений обратной полярности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент, в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор, дифференциальную схему сравнения, состоящую из включенного параллельно нагрузке делителя выходного напряжения, выполненного в виде цепочки последовательно включенных резисторов, источника опорного напряжения и балансного усилителя постоянного тока, выполненного на втором и третьем транзисторах, при этом к первому входу балансного усилителя постоянного тока подключен источник опорного напряжения, ко второму входу - делитель выходного напряжения, а выход балансного усилителя постоянного тока соединен с входом регулирующего элемента, согласно изобретению, введен включенный последовательно с делителем выходного напряжения дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с выводом крайнего резистора делителя выходного напряжения, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор - с положительной шиной компенсационного стабилизатора напряжения.

Достижение заявленного технического результата обусловлено тем, что при возникновении на выходной шине КСН напряжения обратной полярности эмиттерный переход дополнительного транзистора смещается в обратном направлении и как диод не пропускает ток на делитель выходного напряжения и соответственно на базу транзистора третьего транзистора балансного УПТ. Этот транзистор не "опрокидывается" и при появлении номинального питающего напряжения от преобразователя переменного тока в постоянный U_BX1, KCH нормально включается в работу.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема известного KCH (прототипа); на фиг.2 - эта же схема, поясняющая причину неработоспособности KCH; на фиг 3 - принципиальная электрическая схема заявленного KCH с дополнительным транзистором.

Компенсационный стабилизатор напряжения (фиг.3) содержит регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор 1, и дифференциальную схему сравнения. Она состоит из балансного УПТ, источника опорного напряжения, в качестве которого использован кремниевый стабилитрон 4, делителя выходного напряжения 5 с дополнительным (вновь введенным) транзистором 6. Балансный УПТ выполнен на втором 2 и третьем 3 транзисторах, при этом базовая цепь второго транзистора 2, являющаяся первым входом балансного УПТ, подключена к источнику опорного напряжения - положительному выводу кремниевого стабилитрона 4, отрицательный вывод которого соединен с минусовой шиной KCH, базовая цепь третьего транзистора 3, являющаяся вторым входом балансного УПТ, подключена к делителю выходного напряжения 5, а коллекторная цепь третьего транзистора 3, являющаяся выходом балансного УПТ, подключена к базовой цепи первого транзистора 1, являющейся входом РЭ. Эмиттеры второго 2 и третьего 3 транзисторов через резистор 6 подключены к минусовой шине KCH, база второго транзистора 2 через резистор 7 связана с положительно шиной KCH. Делитель выходного напряжения (ДВН) 5 выполнен в виде подключенной параллельно нагрузке цепочки последовательно соединенных двух или трех резисторов. В первом случае база третьего транзистора 3 (второй вход балансного УПТ) подключается к точке соединения резисторов между собой. При трех соединенных последовательно резисторах средний из них выполняется переменным (для обеспечения регулирования величины выходного напряжения) и база транзистора 3 подключается к его движку.

Последовательно с ДВН 5 включен дополнительный транзистор 8. Его коллектор соединен с выводом крайнего резистора ДВН 5, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор 9 - с положительной шиной KCH. Параметры дополнительного транзистора 8 должны удовлетворять следующим условиям: предельно-допустимый ток транзистора не должен быть ниже тока ДВН 5, а эмиттерный переход транзистора должен выдерживать напряжение обратной полярности, которое может поступить на выходные клеммы КСН со стороны нагрузки. Параметры дополнительного резистора 9 выбираются из условия надежного насыщения дополнительного транзистора 8 в нормальном режиме работы КСН.

Компенсационный стабилизатор напряжения работает следующим образом. Входное напряжение U_BX1 поступает на РЭ (первый транзистор 1), представляющий собой регулируемое сопротивление, на котором падает часть напряжения, и с выхода которого снимается выходное напряжение U_ВЫХ. Выходное напряжение поступает также на ДВН 5, в цепи которого включен дополнительный транзистор 8, база которого через дополнительный резистор 9 подключена к общей положительной шине КСН. Поэтому дополнительный транзистор 8 находится в режиме насыщения и не оказывает заметного влияния на параметры ДВН 5. На первый вход балансного УПТ (в базовую цепь второго транзистора 2) подается опорное напряжение с кремниевого стабилитрона 4, на второй его вход (в базовую цепь третьего транзистора 3) подается часть выходного напряжения с ДВН 5. Балансный УПТ сравнивает эти напряжения, усиливает и необходимым образом фазирует разностный сигнал, который в качестве управляющего подается с выхода балансного УПТ (коллектора третьего транзистора 3) на вход РЭ (в базовую цепь первого транзистора 1). При изменении входного напряжения или тока нагрузки выходное напряжение несколько изменится, что приведет к такому изменению разностного сигнала на выходе балансного УПТ и соответственно на входе РЭ, под действием которого значение выходного напряжения восстанавливается с заданной степенью точности. Например, при увеличении U_ВЫХ разностный сигнал на выходе балансного УПТ получит положительное приращение, что приведет к увеличению падения напряжения на коллекторной нагрузке третьего транзистора 3, в результате чего уменьшатся напряжение и ток базы первого транзистора 1. Это вызовет увеличение напряжения на нем и соответственно восстановление (компенсацию) номинального значения U_ВЫХ.

Если по какой-либо причине до выхода КСН на нормальный режим на его выходных клеммах окажется напряжение обратной полярности, то эмиттерный переход дополнительного транзистора 8 сместится в обратном направлении и будет работать в режиме диода. При этом напряжение обратной полярности не попадает через цепь ДВН 5 на базу третьего транзистора 3, он не "опрокидывается" и КСН выходит на нормальный режим работы. Таким образом обеспечивается надежность бесперебойной работы КСН.

Заявленный КСН был испытан в экспериментальном источнике электропитания для использования в электронном устройстве, содержащем микросхемы типа 1601РР1А.

В этом устройстве использовались напряжения питания +5В, -12В и -32В. Если источник напряжения питания +5В включался раньше источника питания -12В, то в схеме без дополнительного транзистора 8 последний не включался из-за того, что напряжение +5В через импеданс нагрузки попадало на базу третьего транзистора 3 балансного УПТ схемы сравнения и "опрокидывало" его. При включении в схему сравнения дополнительного транзистора 8 это явление отсутствует. При этом качественные характеристики КСН не изменялись.

Формула изобретения

Компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент, в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор, дифференциальную схему сравнения, состоящую из включенного параллельно нагрузке делителя выходного напряжения, выполненного в виде цепочки последовательно включенных резисторов, источника опорного напряжения и балансного усилителя постоянного тока, выполненного на втором и третьем транзисторах, при этом к первому входу балансного усилителя постоянного тока подключен источник опорного напряжения, ко второму входу - делитель выходного напряжения, а выход балансного усилителя постоянного тока соединен с входом регулирующего элемента, отличающийся тем, что последовательно с делителем выходного напряжения включен дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с выводом крайнего резистора делителя выходного напряжения, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор - с положительной шиной компенсационного стабилизатора напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3