Импульсный стабилизатор напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к импульсным стабилизаторам напряжения. Импульсный стабилизатор напряжения содержит входную шину, ключевой элемент, фильтр, схему сравнения, схему управления, выходную шину, при этом ключевой элемент содержит первый транзистор p-n-p-типа, второй транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы, фильтр-диод и конденсатор, схемa сравнения - транзистор p-n-p-типа проводимости, стабилитрон, диод, первый и второй резисторы, а схема управления - генератор импульсов. Техническим результатом изобретения является повышение кпд импульсного стабилизатора напряжения, который достигается путем введения резистора, диода, генератора, RS-триггера, инвертора с открытым стоком, изменением типа проводимости транзистора и введением новых связей между элементами. 1 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано во вторичных источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока (см. книгу Г. П. Вересаева и Ю.Л. Смурякова Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры, М. : Энергия, 1978, стр.53, рис. 2-8б), содержащий опорный стабилитрон, транзистор и резистор. Входная шина стабилизатора напряжения соединена непосредственно с коллектором транзистора и через резистор с катодом опорного стабилитрона. Анод опорного стабилитрона соединен с общей шиной. База транзистора соединена с катодом опорного стабилитрона. Эмиттер транзистора соединен с выходной шиной стабилизатора напряжения.

Недостатком указанного стабилизатора напряжения является низкий коэффициент полезного действия (кпд), связанный с большими потерями энергии в цепях транзистора и опорного стабилитрона, возрастающими с ростом напряжения питания.

Наиболее близким по технической сущности является импульсный стабилизатор напряжения (см. книгу Е.С. Грейвера Ключевые стабилизаторы напряжения постоянного тока, М.: Связь, 1970, стр.136, рис.6.22), который взят в качестве прототипа; он содержит ключевой элемент, включающий два транзистора p-n-p-типа и резистор, фильтр, выполненный в виде диода и последовательно соединенных дросселя и конденсатора, схему сравнения, содержащую стабилитрон, транзистор, резистивный делитель напряжения и два резистора, схему управления, содержащую транзистор, резистор и конденсатор. Вход ключевого элемента соединен со входной шиной импульсного стабилизатора напряжения, выход - со входом фильтра. Эмиттер и коллектор первого транзистора ключевого элемента являются соответственно входом и выходом ключевого элемента. База и коллектор первого транзистора соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора, база которого соединена непосредственно с выходом схемы управления и через резистор с общей шиной. Анод диода фильтра соединен с общей шиной, катод диода - со свободным выводом дросселя и является входом фильтра. Точка соединения дросселя и конденсатора является выходом фильтра, свободный вывод конденсатора соединен с общей шиной. Резистивный делитель напряжения подключен между входом схемы сравнения и общей шиной. Анод стабилитрона соединен с общей шиной, катод стабилитрона через первый резистор подключен ко входу схемы сравнения и непосредственно - к эмиттеру транзистора, коллектор которого является выходом схемы сравнения, а база подключена непосредственно к входу резистивного делителя и через второй резистор к входной шине импульсного стабилизатора напряжения. Вход схемы сравнения соединен с выходом фильтра и является выходом устройства. Выход схемы сравнения соединен со входом схемы управления. Эмиттер транзистора схемы управления соединен с входной шиной импульсного стабилизатора напряжения, коллектор транзистора является выходом схемы управления, а база через резистор подключена ко входу схемы управления и через конденсатор - к выходу ключевого элемента.

В схеме прототипа по сравнению со схемой параметрического стабилизатора напряжения повышен кпд за счет организации импульсного режима работы ключевого элемента. Однако экономичность схемы прототипа низка, что особенно проявляется при малой мощности нагрузки. Причинами низкой экономичности схемы являются постоянное потребление тока его схемой сравнения (резистивным делителем напряжения, цепью питания стабилитрона), а также значительное потребление тока базовой цепью второго транзистора ключевого элемента (при открытом ключевом элементе) и транзистором схемы управления (при закрытом ключевом элементе). Указанные токи протекают в схеме, минуя нагрузку, и приводят к увеличению мощности потерь в схеме стабилизатора, т.е. к снижению ее кпд.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является создание импульсного стабилизатора напряжения, обладающего высоким кпд в микромощном режиме работы.

Технический результат, заключающийся в повышении кпд устройства, достигается, тем что в импульсном стабилизаторе напряжения, содержащем ключевой элемент, вход которого подключен к входной шине и включающий два транзистора, первый из которых имеет проводимость p-n-p-типа, и первый резистор, а выход ключевого элемента подключен ко входу фильтра, который содержит диод и конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой вывод является выходом фильтра и соединен с выходом устройства, схему сравнения, состоящую из двух резисторов, транзистора и стабилитрона, катод которого через первый резистор соединен со входом схемы сравнения, а анод соединен с общей шиной, при этом коллектор транзистора является выходом схемы сравнения, и схему управления, выход которой соединен с первым выводом первого резистора и с базой второго транзистора ключевого элемента, новым является то, что в ключевой элемент дополнительно введен второй резистор, первый вывод которого соединен со входом ключевого элемента, а второй вывод соединен с эмиттером первого транзистора, база и коллектор которого соединены соответственно с коллектором и базой второго транзистора n-p-n-типа, эмиттер которого является выходом ключевого элемента и соединен со входом схемы сравнения, в схему сравнения дополнительно введен диод, анод которого соединен с катодом стабилитрона и базой транзистора, эмиттер которого соединен со входом схемы сравнения, а коллектор через второй резистор соединен с общей шиной, катод диода соединен с выходом схемы управления, которая содержит генератор импульсов, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, S-вход которого является входом схемы управления, а прямой выход RS-триггера через инвертор с открытым стоком соединен с выходом схемы управления, анод и катод диода фильтра соединены со входом и выходом фильтра соответственно, RS-триггер и инвертор с открытым стоком выполнены на КМОП-интегральных микросхемах.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить кпд импульсного стабилизатора напряжения за счет снижения собственного тока потребления основными функциональными частями схемы, а именно: а) выполнение ключевого элемента на базе схемы модифицированного эквивалента двухбазового диода (ЭДД) позволяет значительно снизить потребляемую мощность в цепи его управления; б) способ включения схемы сравнения и совокупность признаков, определяющих ее построение, обеспечивают кратковременное ее включение в цикле работы импульсного стабилизатора напряжения и, как следствие, малую рассеиваемую схемой мощность; в) совокупность признаков, определяющих построение схемы управления и выполнение ее на КМОП-интегральных микросхемах, также позволяет свести к минимуму ее ток потребления.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения. Импульсный стабилизатор напряжения содержит входную шину 1, ключевой элемент 2, фильтр 3, схему 4 сравнения, схему 5 управления, выходную шину 6. Ключевой элемент 2 содержит первый транзистор 7 p-n-p-типа, второй транзистор 8 n-p-n-типа, первый 9 и второй 10 резисторы. Фильтр 3 содержит диод 11 и конденсатор 12. Схема 4 сравнения содержит транзистор 13 p-n-p-типа, стабилитрон 14, диод 15, первый 16 и второй 17 резисторы. Схема 5 управления содержит генератор 18 импульсов, RS-триггер 19, инвертор 20 с открытым стоком. Входная шина 1 соединена со входом ключевого элемента 2, который через резистор 9 соединен с базой транзистора 8, а через резистор 10 соединен с эмиттером транзистора 7. Коллектор и база транзистора 7 соединены соответственно с базой и коллектором транзистора 8. База транзистора 8 соединена с выходом схемы 5 управления и с катодом диода 15 схемы 4 сравнения. Эмиттер транзистора 8 является выходом ключевого элемента 2 и соединен со входом схемы 4 сравнения и со входом фильтра 3. Вход схемы 4 сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора 13 и через резистор 16 соединен с анодом диода 15, с базой транзистора 13 и с катодом стабилитрона 14. Анод стабилитрона 14 соединен с общей шиной 21 устройства. Коллектор транзистора 13 является выходом схемы 4 сравнения и через резистор 17 соединен с общей шиной 21. Анод диода 11 соединен со входом фильтра 3, катод диода 11 является выходом фильтра 3 и соединен с выходной шиной 6. Выход фильтра 3 через конденсатор 12 соединен с общей шиной 21. Выход схемы 4 сравнения соединен с S-входом RS-триггера 19, первый R-вход которого соединен с выходом генератора 18, второй R-вход RS-триггера 19 соединен с шиной 22 начальной установки. Прямой выход RS-триггера 19 через инвертор 20 с открытым стоком соединен с выходом схемы 5 управления. В качестве генератора 18 может быть использован любой автоколебательный генератор прямоугольных импульсов с раздельной регулировкой периода колебаний и длительности импульса, выполненный на базе КМОП-вентилей (см., например, книгу: П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники, М.: Мир, 1993, том 3, стр.236, рис.14.35).

Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом. На входную шину 1 подается постоянное напряжение питания, одновременно с его подачей или несколько ранее подается питание на генератор 18, RS-триггер 19 и инвертор 20 (цепи питания последних не показаны ). Кроме того, одновременно с фронтом напряжения питания, подаваемого на шину 1, на шине 22 необходимо сформировать короткий импульс начальной установки, устанавливающий RS-триггер 19 в нулевое состояние. При этом на прямом выходе RS-триггера 19 устанавливается потенциал "лог. 0", выходной транзистор инвертора 20 закрыт. Транзистор 8 открывается за счет протекания тока по цепи: входная шина 1, резистор 9, переход база - эмиттер транзистора 8, диод 11, конденсатор 12 (в исходном состоянии разряжен). Транзистор 7 также открывается за счет протекания тока по цепи: входная шина 1, резистор 10, переход эмиттер - база транзистора 7, переход коллектор - эмиттер транзистора 8, диод 11, конденсатор 12. Открывающийся транзистор 7 еще более увеличивает базовый и коллекторный ток транзистора 8, т.е. в схеме действует положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному открыванию и переходу в режим насыщения транзисторов 7 и 8. В дальнейшем транзисторная структура, входящая в состав ключевого элемента (транзисторы 7, 8), сама поддерживает себя в открытом состоянии, обеспечивая заряд конденсатора 12.

Указанная структура представляет собой основу транзисторного эквивалента двухбазового диода (ЭДД). В процессе заряда конденсатора 12 напряжение на эмиттере транзистора 13 возрастает, но ток базы транзистора 13 отсутствует, поскольку стабилитрон 14 имеет высокое сопротивление, транзистор 13 закрыт; на выходе схемы 4 сравнения - потенциал, близкий к нулевому. При достижении напряжением на входе схемы 4 сравнения порога открывания стабилитрона 14 открывается транзистор 13. На выходе схемы 4 появляется высокий потенциал, переключающий RS-триггер 19 в состояние "лог. 1". Резистор 16 осуществляет привязку потенциала базы транзистора 13 к потенциалу его эмиттера. Резистор 17 является коллекторной нагрузкой транзистора 13. Диод 15 осуществляет защиту эмиттерных переходов транзисторов 8 и 13 от обратного напряжения. После переключения RS-триггера 19 в состояние "лог. 1" на выходе инвертора 20 устанавливается сигнал "лог. 0", вызывающий закрывание транзисторов 7, 8. Потенциал на входе схемы 4 сравнения снижается практически до нулевого, транзистор 13 закрывается, потенциал на S-входе RS-триггера 19 также становится близким к нулевому. В дальнейшем до момента появления импульса на выходе генератора 18 питание нагрузки импульсного стабилизатора напряжения осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторе 12. При появлении импульса положительной полярности на выходе генератора 18 RS-триггер 19 снова переключается в состояние "лог. 0", инвертор 20 закрывается по выходу; в результате лавинообразно открываются транзисторы 7, 8 ключевого элемента 2 и происходит подзаряд конденсатора 12. В дальнейшем процессы, происходящие в схеме, повторяются.

Период импульсов генератора 18 выбирается исходя из величины допустимой пульсации напряжения на выходе 6 схемы.

Как следует из описания, в открытом состоянии ключевой элемент 2 не потребляет энергии по цепи управления; весь ток, протекающий через структуры ключевого элемента 2, подводится к нагрузке. В закрытом состоянии ключевого элемента 2 ток по цепи его управления протекает через резистор 9 и открытый выход инвертора 20, указанный ток может быть сделан достаточно малым за счет возможности увеличения резистора 9, поскольку транзисторная структура ЭДД запускается малым током. В результате ключевой элемент, выполненный на базе схемы ЭДД, потребляет малую мощность по цепи управления. Схема сравнения 4 потребляет энергию кратковременно при открытом транзисторе 13, все остальное время цикла работы устройства, когда транзистор 13 закрыт, потери энергии через схему 4 сравнения отсутствуют. Также сведены к минимуму потери энергии в генераторе 18 и RS-триггере 19, как элементах, выполненных на цифровых КМОП-вентилях. В итоге импульсный стабилизатор напряжения имеет высокий кпд.

Изготовлен лабораторный макет импульсного стабилизатора напряжения, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого устройства.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий ключевой элемент, вход которого подключен к входной шине и включающий два транзистора, первый из которых имеет проводимость p-n-p-типа, и первый резистор, а выход ключевого элемента подключен ко входу фильтра, который содержит диод и конденсатор, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой вывод является выходом фильтра и соединен с выходом устройства, схему сравнения, состоящую из двух резисторов, транзистора и стабилитрона, катод которого через первый резистор соединен со входом схемы сравнения, а анод соединен с общей шиной, при этом коллектор транзистора является выходом схемы сравнения, и схему управления, выход которой соединен с первым выводом первого резистора и с базой второго транзистора ключевого элемента, отличающийся тем, что в ключевом элементе дополнительно введен второй резистор, первый вывод которого соединен со входом ключевого элемента, а второй вывод - с эмиттером первого транзистора, база и коллектор которого соединены соответственно с коллектором и базой второго транзистора n-p-n-типа, эмиттер которого является выходом ключевого элемента и соединен со входом схемы сравнения, в схему сравнения дополнительно введен диод, анод которого соединен с катодом стабилитрона и базой транзистора, эмиттер которого соединен со входом схемы сравнения, а коллектор через второй резистор соединен с общей шиной, катод диода соединен с выходом схемы управления, которая содержит генератор импульсов, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, S-вход которого является входом схемы управления, а прямой выход RS-триггера через инвертор с открытым стоком соединен с выходом схемы управления, анод и катод диода фильтра соединены со входом и выходом фильтра соответственно, RS-триггер и инвертор с открытым стоком выполнены на КМОП-интегральных микросхемах.

РИСУНКИ

Рисунок 1