Стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в качестве источника вторичного электропитания радиоаппаратуры. Технический результат заключается в повышении стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки (Н). Устройство содержит первый, второй и третий транзисторы (Т) (1, 4, 5), первый и второй резисторы (2, 3), источник опорного напряжения (6), токостабилизирующий двухполюсник (ТД) (7), первый и второй повторители тока (ПТ) (8, 9). При положительном приращении выходного напряжения - уменьшении тока Н - увеличивается ток через Т (5), образующий с Т (4) дифференциальный каскад, уменьшается ток, поступающий в базу Т (1). Приращение напряжения на выходе Т (1) компенсируется, а ток на выходе ПТ (9) возрастает и увеличивает ток эмиттера Т (4), т.е. при любом токе Н разность токов Т (4) и Т (5), образующих каскад сравнения части выходного напряжения с опорным, постоянна. Напряжение на выходе устройства не зависит от тока Н. 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания радиоаппаратуры.

Известны стабилизаторы напряжения (СН), обладающие высокой стабильностью выходного напряжения при изменении тока нагрузки, но содержащие большое количество элементов и, следовательно, имеющие низкую надежность [1].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является СН, приведенный в [2]. На фиг.1 показана упрощенная схема прототипа, содержащая первый транзистор, подключенный коллектором к шине питания, а эмиттером - к выходной клемме, первый резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, второй резистор, первым выводом подключенный к точке соединения второго вывода первого резистора и базы второго транзистора, а вторым выводом - к общей шине, коллектор второго транзистора подключен к базе первого транзистора, а эмиттер - к эмиттеру третьего транзистора, токостабилизирующий двухполюсник, включенный между общей шиной и точкой соединения эмиттеров второго и третьего транзисторов, источник опорного напряжения, включенный между общей шиной и базой третьего транзистора, первый повторитель тока, входом подключенный к коллектору третьего транзистора, выходом - к базе первого транзистора, а выводом питания - к шине питания, второй повторитель тока, вход которого через третий резистор подключен к шине питания, его выход - к базе первого транзистора, а вывод питания подключен к общей шине.

Недостатком прототипа является низкая стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки, то есть высокое выходное сопротивление.

Целью предлагаемого изобретения является повышение стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

Для достижения поставленной цели в схеме прототипа, содержащей первый и второй повторители тока, токостабилизирующий двухполюсник, первый транзистор, коллектором соединенный шиной питания, а эмиттером - с выходной клеммой, первый резистор, соединенный первым выводом с выходной клеммой, вторым выводом - с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены, а база третьего транзистора соединена с первым выводом второго резистора, источник опорного напряжения, включенный между общей шиной и базой второго транзистора, токостабилизирующий двухполюсник включен между шиной питания и базой первого транзистора, вход первого повторителя тока подключен к коллектору третьего транзистора, выход - ко входу второго повторителя тока, а вывод питания - к базе первого транзистора, коллектор второго транзистора подключен к шине питания, вывод питания второго повторителя тока соединен с общей шиной, а его выход подключен к точке соединения эмиттеров второго и третьего транзисторов.

Заявляемый СН (фиг.2) содержит первый транзистор 1, коллектором подключенный к шине питания, эмиттером - к выходной клемме, первый резистор 2, подключенный первым выводом к выходной клемме, второй резистор 3, включенный между общей шиной и вторым выводом первого резистора 2, второй транзистор 4, коллектор которого подключен к шине питания, эмиттер - к эмиттеру третьего транзистора 5, база которого подключена к точке соединения второго вывода первого резистора 2 и второго вывода второго резистора 3, источник опорного напряжения 6, включенный между базой второго транзистора 4 и общей шиной, токостабилизирующий двухполюсник 7, включенный между шиной питания и базой первого транзистора 1, первый повторитель тока 8, выводом питания подключенный к базе первого транзистора 1, входом - к коллектору третьего транзистора 5, а выходом - ко входу второго повторителя тока 9, вывод питания которого соединен с общей шиной, а выход подключен к точке соединения эмиттеров второго 4 и третьего 5 транзисторов.

Схема заявляемого СН (фиг.2) работает следующим образом. Например, при наличии положительного приращения выходного напряжения (при уменьшении тока нагрузки), увеличивается ток через третий транзистор 5 и, соответственно, уменьшается ток, поступающий в базу первого транзистора 1. В результате приращение напряжения на выходе устройства компенсируется, при этом ток на выходе второго повторителя тока возрастает, что приводит и к увеличению тока эмиттера второго транзистора 4. То есть, при любом токе нагрузки разность токов транзисторов 4 и 5 постоянна, что приводит к постоянству разности напряжений база-эмиттер транзисторов 4 и 5, образующих каскад сравнения части выходного напряжения с опорным. Таким образом напряжение на выходных клеммах устройства не зависит от тока нагрузки.

Действительно, для схемы прототипа разность напряжений между входами дифференциального каскада на транзисторах VT2 и VT3 в зависимости от тока нагрузки может быть представлена как где ϕ_T - температурный потенциал; β₁ - коэффициент усиления тока базы регулирующего элемента на транзисторе VT1; ΔI_ВЫХ - приращение выходного тока СН; I₀ - ток токостабилизирующего двухполюсника ТД (фиг.1).

При разумных значениях тока I₀ и коэффициента усиления β₁ изменение напряжения на выходе СН могут составлять несколько милливольт при изменении тока от холостого хода до максимального значения.

Для схемы заявляемого устройства где I₅ - ток эмиттера третьего транзистора 5; I₄ - ток эмиттера второго транзистора 4 (фиг.2).

С другой стороны, выходной ток I₉ второго повторителя тока 9, представляющий собой сумму токов эмиттеров транзисторов 4 и 5 можно представить как I₉ = I₄+I₅ = I₅α₅(K₈+1)K₉, (3) где α₅ - коэффициент передачи тока эмиттера третьего транзистора 5; К_i - коэффициенты передачи соответствующих повторителей тока 8 и 9.

Найдя из (3) ток I₄ и подставив его в (2), находим: ΔU_БЭ.З = ϕ_Tln[α₄K₉(K₈+1)-1], (4) откуда видно, что разность напряжений база-эмиттер транзисторов 4 и 5, образующих дифференциальный каскад, в заявляемом СН не зависит от тока нагрузки. По сути это означает, что выходное сопротивление СН стремится к нулю, за счет чего и достигается высокая стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

Для того, чтобы в заявляемом СН не возник триггерный эффект, необходимо чтобы всегда α₄K₉(K₈+1)≥2 (5)
что легко выполнимо, если один из повторителей тока выполнить с возможностью масштабирования коэффициента передачи, например, с помощью резисторов.

Результаты сопоставительного моделирования заявляемого устройства и схемы прототипа, проведенные с помощью пакета прикладных программ PSpice, приведены на фиг.3 - 5. На фиг.6 и 7 приведены соответственно схемы заявляемого СН и прототипа, принятые для моделирования.

На фиг.3 приведены зависимости изменения выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до 1 А в заявляемом СН (кривая V(2)) и в прототипе (кривая V(2_2)). В заявляемом устройстве изменение выходного напряжения не превышает 0,1 мВ, а в схеме прототипа - более 3 мВ, что говорит, по крайней мере, о тридцатикратном выигрыше.

На фиг. 4 представлен график переходного процесса при скачкообразном изменении тока нагрузки от нуля до 1 А. (Устойчивость заявляемого СН при работе на емкостную нагрузку обеспечивалась включением корректирующей цепи С_КR_К, как показано на фиг.6).

На фиг.5 показано изменение токов эмиттеров транзисторов VT4 и VT5 (фиг. 6), соответствующих второму транзистору 4 и третьему транзистору 5 (фиг.2) при изменении тока нагрузки, подтверждающее справедливость выражений (3) и (4).

Таким образом, проведенный анализ и результаты схемотехнического моделирования показывают, что достигается заявляемый технический результат - повышение стабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Linear integrated circuit. D.A.T.A. BOOK, Edition 28, fig. 178.

2. Барилов И.В., Старченко Е.И. Компенсационный стабилизатор напряжения. Патент 2117982 РФ, G 05 F 1/56, 20.08.98, Бюл. N 23.

Формула изобретения

Стабилизатор напряжения, содержащий первый транзистор, коллектором подключенный к шине питания, а эмиттером - к выходной клемме, первый резистор, первым выводом подключенный к выходной клемме, вторым выводом соединенный с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены, а база третьего транзистора подключена к первому выводу второго резистора, источник опорного напряжения, включенный между общей шиной и базой второго транзистора, токостабилизирующий двухполюсник, первый и второй повторители тока, отличающийся тем, что токостабилизирующий двухполюсник включен между шиной питания и базой первого транзистора, вход первого повторителя тока подключен к коллектору третьего транзистора, выход - ко входу второго повторителя тока, а вывод питания - к базе первого транзистора, коллектор второго транзистора подключен к шине питания, вывод питания второго повторителя тока соединен с общей шиной, а его выход подключен к точке соединения эмиттеров второго и третьего транзисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7