Компенсационный стабилизатор напряжения

Устройство относится к области электротехники. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения и снижении минимальной разности напряжения вход-выход стабилизатора. Для этого предложен стабилизатор напряжения, содержащий первый и второй транзисторы, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор, подключенный эмиттером ко второму выводу первого резистора, третий резистор, подключенный первым выводом к точке соединения базы первого с коллектором третьего транзисторов, четвертый транзистор, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода третьего резистора с эмиттером четвертого транзистора, база и коллектор второго транзистора подключены ко второму выводу четвертого резистора, пятый резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы четвертого транзистора со вторым выводом второго резистора, пятый и шестой транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору шестого транзистора, седьмой транзистор, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и точкой соединения базы восьмого транзистора с коллекторами первого и пятого транзисторов, шестой резистор, включенный между базами второго и третьего транзисторов, коллектор восьмого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, база седьмого транзистора подключена к базе восьмого транзистора, эмиттер седьмого транзистора подключен к выходной клемме. 4 ил.

 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания.

Известны стабилизаторы напряжения (СН) с компенсационно-параметрическими каналами [Старченко Е.И. Стабилизаторы напряжения с компенсационно-параметрическими каналами: монография.- Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. (рис.4.9)], имеющие относительно низкую температурную стабильность.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является стабилизатор напряжения (СН), приведенный на фиг.1 [Пат.2152640 РФ. Стабилизатор напряжения / И.В.Барилов, Д.А.Бондаренко, Е.И.Старченко. - Опубл. 10.07.2000, Бюл. №19.]. К основным недостаткам прототипа можно отнести увеличенное значение минимальной разности напряжения «вход-выход» (равное утроенному значению напряжения база-эмиттер) и необходимость использования в составном регулирующем элементе двух одинаковых сильноточных транзисторов, включенных последовательно.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - повышении температурной стабильности выходного напряжения и уменьшении минимальной разности напряжения «вход-выход».

Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор, подключенный эмиттером ко второму выводу первого резистора, третий резистор, подключенный первым выводом к точке соединения базы первого с коллектором третьего транзисторов, четвертый транзистор, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода третьего резистора с эмиттером четвертого транзистора, база и коллектор второго транзистора подключены ко второму выводу четвертого резистора, пятый резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы четвертого транзистора со вторым выводом второго резистора, пятый и шестой транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору шестого транзистора, седьмой транзистор, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и точкой соединения базы восьмого транзистора с коллекторами первого и пятого транзисторов, введен шестой резистор, включенный между базами второго и третьего транзисторов, коллектор восьмого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, база седьмого транзистора подключена к базе восьмого транзистора, эмиттер седьмого транзистора подключен к выходной клемме.

Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2.

Заявляемый СН (фиг.2) содержит первый и второй транзисторы 1 и 2, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы 3 и 4, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор 5, подключенный эмиттером ко второму выводу резистора 3, третий резистор 6, подключенный первым выводом к точке соединения базы транзистора 1 с коллектором транзистора 5, четвертый транзистор 7, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор 8, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода резистора 6 с эмиттером транзистора 7, база и коллектор транзистора 2 подключены ко второму выводу резистора 8, пятый резистор 9, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы транзистора 7 со вторым выводом резистора 4, пятый 10 и шестой 11 транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору транзистора 11, седьмой транзистор 12, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор 13, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока 14, включенный между шиной питания и точкой соединения базы транзистора 13 с коллекторами транзисторов 1 и 10, шестой резистор 15, включенный между базами транзисторов 2 и 5, коллектор транзистора 13 подключен к коллектору транзистора 11, база транзистора 12 подключена к базе транзистора 13, эмиттер транзистора 12 подключен к выходной клемме.

Работа заявляемого устройства (фиг.2). во многом аналогична схеме прототипа. Транзисторы 10-13 играют роль составного регулирующего элемента (РЭ), охваченного обратной связью по току нагрузки. Роль датчика тока при этом играет транзистор 13, площадь эмиттера которого в N₁ раз меньше площади эмиттера транзистора 12. Поэтому можно считать, что ток коллектора транзистора 13 в N₁ раз меньше тока коллектора транзистора 12 и пропорционален току нагрузки.

Можно показать, что результирующий коэффициент передачи РЭ по току β_∑ определяется следующим выражением:

$${\beta }_{\Sigma }=\frac{\Delta I_H}{\Delta I_{BX\Sigma }}=\frac{{\beta }_1+1}{1-\frac{{\beta }_1{\beta }_2{N}_2}{\left(N_1+1\right)\left(N_2+{\beta }_2+1\right)}},(1)$$

где ΔI_H и ΔI_BX∑ -приращения, соответственно, выходного и входного тока составного РЭ; β₁ и β₂ - коэффициенты передачи по току, соответственно, транзисторов 13 (12) и 11 (10); N₂ - коэффициент передачи по току повторителя на транзисторах 10 и 11. Условие настройки, при котором β_∑ обращается в бесконечность:

$${\beta }_1{\beta }_2{N}_2=\left(N_1+1\right)\left(N_2+{\beta }_2+1\right),(2)$$

которое при N₂=1 и β>>1 приводится к виду N₁+1=β₁.

Существенное отличие заявляемого устройства заключается во введении резистора 15 в источнике опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния, совмещенного с усилителем сигнала рассогласования (элементы 1-9). Ток базы транзистора 5 создает на резисторе 15 падение напряжения, влияние которого на выходное напряжение сказывается, в основном, при низких температурах, поскольку зависимость β (коэффициента передачи по току) транзистора от температуры T выражается следующим образом:

$$\beta ={\beta }_0{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{\frac{3}{2}},(3)$$

где β₀ - значение коэффициента усиления β при комнатной температуре T₀. Таким образом, наличие дополнительной температурной зависимости позволяет скомпенсировать составляющую температурного дрейфа выходного напряжения второго порядка.

На фиг.3 представлен график, показывающий изменение выходного напряжения заявляемого СН при изменении температуры, а на фиг.4 - результаты моделирования схемы прототипа. Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого СН по крайней мере в семь раз меньше, чем у прототипа, а относительный температурный дрейф - примерно в четыре раза меньше.

Очевидно, что минимальная разность напряжений вход-выход для схемы прототипа составляет 3U_БЭ, а в схеме заявляемого СН-2U_БЭ, причем выходное сопротивление в схеме заявляемого СН также может принимать нулевое значение.

Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - снижение температурного коэффициента выходного напряжения.

Стабилизатор напряжения, содержащий первый и второй транзисторы, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор, подключенный эмиттером ко второму выводу первого резистора, третий резистор, подключенный первым выводом к точке соединения базы первого с коллектором третьего транзисторов, четвертый транзистор, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода третьего резистора с эмиттером четвертого транзистора, база и коллектор второго транзистора подключены ко второму выводу четвертого резистора, пятый резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы четвертого транзистора со вторым выводом второго резистора, пятый и шестой транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору шестого транзистора, седьмой транзистор, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и точкой соединения базы восьмого транзистора с коллекторами первого и пятого транзисторов, отличающийся тем, что в устройство введен шестой резистор, включенный между базами второго и третьего транзисторов, коллектор восьмого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, база седьмого транзистора подключена к базе восьмого транзистора, эмиттер седьмого транзистора подключен к выходной клемме.