Стабилизированный источник постоянного тока

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в прецизионных измерительных приборах и устройствах. Для повышения выходного сопротивления и температурной стабильности выходного тока, что является техническим результатом, в достаточно широком диапазоне токов и температур и при малых напряжениях источника питания в стабилизированный источник постоянного тока введены два униполярных транзистора 4 и 6, причем первый униполярный транзистор 4 используется для усиления мощности. Исток транзистора 4 соединен с коллектором первого биполярного транзистора 1, через второй термостабильный резистор 5 - с общей шиной и через третий термостабильный резистор 10 - с эмиттером второго биполярного транзистора 2, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора 9, средний вывод которого соединен с затвором транзистора 4, сток которого соединен с первым выводом нагрузки 7, второй вывод которого соединен с затвором второго униполярного транзистора 6, вторым выводом истокового резистора 8 и источником напряжения Е. Первый вывод истокового резистора 8 соединен с истоком второго транзистора 6, сток которого соединен со вторыми выводами первого термостабильного 3 и переменного 9 резисторов. 1 ил.

Устройство относится к электронной технике и может быть использовано в прецизионных измерительных приборах и устройствах.

Во многих измерительных приборах необходимо задавать стабильный ток. Например, в измерителях индукции магнитного поля, использующих преобразователи Холла, термометрах сопротивления и др.

Для получения высокой стабильности тока и большого внутреннего сопротивления выполняют стабилизаторы тока с применением цепи обратной связи. См., например, авторские свидетельства СССР N 1628056 A1, 1682985 A1, 1689926 A1, 1709285 A1, 1815625 A1, кл. G 01 F 1/56.

Известные стабилизаторы тока имеют отрицательную обратную связь по току, включающую эталонный резистор, схему управления и усилитель мощности. Ток, протекая через эталонный резистор, создает на нем падение напряжения, которое подается на схему сравнения и, далее, на усилитель мощности. Для обеспечения высокой стабильности тока в нагрузке необходимо использование прецизионного резистора, а также источника эталонного напряжения. В качестве источника эталонного напряжения в известных схемах используют полупроводниковые опорные диоды - стабилитроны. Наиболее термостабильные опорные диоды имеют напряжение стабилизации 8-10 В. В то же время измерительные приборы экономичнее запитывать от батарей, имеющих более низкие значения напряжения питания. В современных схемах в качестве усилителей рассогласования предпочтение отдается операционным усилителям, напряжение питания которых относительно высокое, что не всегда экономически оправдывает их использование.

Другая проблема, которую необходимо решить при создании стабильных источников тока, - это стабилизация опорного напряжения при изменении напряжения питания. Низковольтные опорные диоды обладают относительно большим дифференциальным сопротивлением, что приводит к недопустимо большим изменениям опорного напряжения при изменении напряжения питания схемы.

Известные источники стабильного тока, как правило, отличаются низкими кпд, поэтому необходимо решать вопросы повышения экономичности источников тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство, описанное в авт. св. СССР 873224, G 05 F 1/56 ,"Стабилизатор тока", принятое за прототип.

Устройство-прототип содержит первый 1 и второй 2 транзисторы разного типа проводимости, причем эмиттер транзистора 1 соединен с коллектором транзистора 2 и первым термостабильным резистором 3. База транзистора 1 соединена с эмиттером транзистора 2 и вторым термостабильным резистором 4. Эмиттер третьего транзистора 5 с проводимостью, противоположной проводимости второго транзистора 2, соединен с базой второго транзистора 2 и с третьим термостабильным резистором 6. Коллектор третьего транзистора 5 соединен с базой первого транзистора 1.

Недостатками известной схемы являются невысокое выходное сопротивление и низкая температурная стабильность выходного тока, вызванные нелинейностью характеристик передачи и сильной температурной зависимостью режимов работы биполярных транзисторов, что практически не дает возможности добиться высокой температурной стабильности выходного тока в достаточно широком диапазоне токов и температур и при малых напряжениях источника питания.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее два биполярных транзистора разного типа проводимости, причем эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом первого термостабильного резистора, введены два униполярных транзистора, первый униполярный транзистор, используемый для усиления мощности, истоком соединен с коллектором первого биполярного транзистора и первым выводом второго термостабильного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и через третий термостабильный резистор - с эмиттером второго биполярного транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора. Средний вывод переменного резистора соединен с затвором первого униполярного транзистора, сток которого соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которого соединен с затвором второго униполярного транзистора, вторым выводом истокового резистора и источником напряжения. Кроме того, первый вывод истокового резистора соединен с истоком второго униполярного транзистора, сток которого соединен со вторыми выводами первого термостабильного резистора и переменного резистора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства, где 1, 2 - первый и второй биполярные транзисторы, 3, 5, 10 - первый, второй и третий термостабильные резисторы, 4, 6 - первый и второй униполярные транзисторы, 7 - нагрузка, 8 - истоковый резистор, 9 - переменный резистор.

Предлагаемое устройство содержит первый 1 и второй 2 биполярные транзисторы разного типа проводимости, причем эмиттер первого транзистора 1 соединен с базой второго транзистора 2 и через первый термостабильный резистор 3 со стоком второго униполярного транзистора 6, исток которого через истоковый резистор 8 соединен с источником питания и затвором второго униполярного транзистора 6, а также через нагрузку 7 - со стоком первого униполярного транзистора 4, исток которого соединен с коллектором и базой первого биполярного транзистора 1, a через второй термостабильный резистор 5 - с общей шиной и через третий термостабильный резистор 10 - с эмиттером второго биполярного транзистора 2, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора 9, средний вывод которого соединен с затвором первого униполярного транзистора 4. Второй вывод переменного резистора 9 соединен со стоком второго униполярного транзистора 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении питания (источник питания подключен между потенциальной и общей шинами) через второй униполярный транзистор 6 будет протекать ток, определяемый номиналом истокового резистора 8. В точке соединения стока униполярного транзистора 6 этот ток разветвляется: одна часть будет протекать через первый термостабильный резистор 3, а вторая часть - через переменный резистор 9. Ток, протекая через переменный резистор 9, вызывает на нем падение напряжения. Другая часть тока, протекая через первый резистор 3, разветвляется на токи базы второго транзистора 2 и эмиттера первого транзистора 1. Через второй термостабильный резистор 5 протекает суммарный ток нагрузки 7 и ток эмиттера транзистора 1, вызывая падение напряжения, управляющее усилением первого биполярного транзистора 1.

Следуя модели Эберса-Молла (см. Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники. М.: Энергия, 1974), выражение для характеристики биполярного транзистора записывается в форме: где параметры, приведенные в формуле, описаны в упомянутом источнике.

Следуя модели, приведенной в книге Кроуфорда. Р. Схемные применения МОП-транзисторов. М. : Мир, 1970, с.77, представим выражение для пологой области характеристики полевого транзистора в виде где параметры, приведенные в формуле (2) приведены в упомянутом источнике.

В формулах (1), (2) допустимы упрощения. Если используются биполярные дрейфовые транзисторы, то коэффициент α₁≈0, а U_eb≫ϕ_T, поэтому формулу (1) можно представить в виде: или а также, исходя из предположения α_N≈1, ток коллектора будет равен току эмиттера I_k≅I_e.

Обозначив через U₀ напряжение стока полевого транзистора 6, а через I₀ - ток стока полевого транзистора 6, запишем уравнения баланса токов и напряжений для схемы, приведенной на фиг.1: U_o-I_k1(R2+R4)-I_нR4=U_еb1, (5)
U_ев1-U_еb2=I_k2R5, (6)
I_o=I_k1+I_k2, (7)
I_н=k₁(U_o-I_k1R4-I_k2R3)² (8)

где R2 - номинал резистора 3, R3 - номинал резистора 9, R4 - номинал резистора 5, R5 - номинал резистора 10; U_eb1 - напряжение на переходе эмиттер-база транзистора 1, U_eb2 - напряжение на переходе эмиттер-база транзистора 2 I_k1 и I_k2 - токи коллектора (эмиттера) транзисторов 1 и 2 соответственно; I_н - ток нагрузки, К₁ - коэффициент,
Если подставить формулу (5) в выражение (8), то получим

Используя выражения (6), (7) и (9), можно исключить I_k2.

Далее определяют чувствительности I_н по соответствующим параметрам схемы: температуре Т и номиналам резисторов и приравнивают нулю. В результате находится одно из оптимальных решений:
R4≈К^-1/2; R3≈1,0...1,3; R2≈0,01R5. (11)
При выполнении условий (11) достигается наименьшая чувствительность тока нагрузки к изменению температуры, напряжения питания и разбросу параметров резисторов. В случае трудности с определением коэффициента K₁ его можно выбирать в диапазоне 40-50 Ом, исходя из формулы (11). Можно отметить, что в отличие от большинства известных схем источников стабильного тока нагрузки предлагаемое устройство обеспечивает стабилизацию тока при изменении питающего напряжения, начиная с 1,5 В, что позволяет использовать его в переносных измерительных устройствах, питаемых от низковольтных аккумуляторов или элементов.

Формула изобретения

Стабилизированный источник постоянного тока, содержащий два биполярных транзистора разного типа проводимости, причем эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом первого термостабильного резистора, отличающийся тем, что введены два униполярных транзистора, первый из которых, используемый для усиления мощности, истоком соединен с коллектором первого биполярного транзистора и первым выводом второго термостабильного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и через третий термостабильный резистор - с эмиттером второго биполярного транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора, средний вывод которого соединен с затвором первого униполярного транзистора, сток которого соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которого соединен с затвором второго униполярного транзистора, вторым выводом истокового резистора и источником напряжения, при этом первый вывод истокового резистора соединен с истоком второго униполярного транзистора, сток которого соединен со вторыми выводами первого термостабильного и переменного резисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1