Стабилизатор напряжения питания электронных схем

Авторы патента:

G05F1/565 - чувствительные к состоянию системы или ее нагрузки дополнительно к средствам, реагирующим на отклонение выходного сигнала системы, например тока, напряжения, коэффициента мощности (G05F 1/563 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2767990:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (RU)

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; три резистора; нагрузку. 4 ил., 1табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Уровень техники

Известен стабилизатор постоянного напряжения [SU А.С. №1129594 Стабилизатор постоянного напряжения], содержащий включенный в силовую цепь регулирующий транзистор, узел обратной связи, входы которого подключены к выходному выводу и общей шине, а выход к базе регулирующего транзистора и через регулируемый двухполюсник к входному выводу, причем регулируемый двухполюсник выполнен в виде параллельно соединенных потенциометра и λ-транзистора, состоящего из двух включенных последовательно полевых транзисторов разного типа проводимости, при этом сток первого транзистора подключен к входному выводу, затвор первого транзистора соединен со стоком второго транзистора и базой регулирующего транзистора, затвор второго транзистора является управляющим выводом λ-транзистора и подключен к средней точке потенциометра, крайние выводы которого подключены между входным выводом и базой регулирующего транзистора.

Недостатком данного устройства является значительная сложность схемной реализации.

Известен стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2727713, МПК G05F 3/16).

Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит: регулирующий биполярный транзистор n-p-n типа в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, сток которого соединен с коллектором регулирующего транзистора; потенциометр в виде двух последовательно соединенных резисторов, при этом свободный вывод первого резистора присоединен к базе регулирующего транзистора; и нагрузку, включенную между эмиттером биполярного транзистора и общей шиной источника, исток полевого транзистора подключен к точке соединения базы биполярного транзистора и первого резистора, затвор полевого транзистора подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а свободный вывод второго резистора соединен с общей шиной через два последовательно включенных в прямом направлении полупроводниковых диода.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким коэффициентом полезного действия по мощности;

- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;

- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2755670, МПК G05F 1/565).

Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержащий нестабильный источник напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, первый и второй резисторы, полевой транзистор с индуцированным n-каналом, нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства, исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине источника напряжения.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:

- низким коэффициентом полезного действия по мощности;

- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;

- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; резистор; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом; исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине устройства, введены полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, второй и третий резисторы, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через второй резистор подключен к затворам полевых транзисторов с р-n-переходом как n-, так и р-каналами, а также ко второму выводу первого резистора; исток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через третий резистор соединен с общей шиной устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения питания электронных схем.

На фиг.2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре -40 °С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.2.а); 9 В (фиг.2.б); 12 В (фиг.2.в).

На фиг.3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 25°С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.3.а); 9 В (фиг.3.б); 12 В (фиг.3.в).

На фиг.4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 50°С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.4.а); 9 В (фиг.4.б); 12 В (фиг.4.в).

Осуществление изобретения

Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник 1 напряжения; полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом; полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом; полевой транзистор 4 с индуцированным n-каналом; резисторы 5, 6 и 7; нагрузку 8, причем сток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника 1 напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора 4 с индуцированным n-каналом и через резистор 5 к затворам полевых транзисторов 2, 3 с р-n-переходом и n- и р-каналами, первому выводу резистора 6, второй вывод которого соединен со стоком полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом; исток полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом через резистор 7 соединен с общей шиной устройства.

Стабилизатор напряжения питания электронных схем работает следующим образом.

Полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом и резистор 5 представляют собой стабилизатор тока, нагрузкой которого служат полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом, и резисторы 6, 7.

Фактически полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторы 6, 7 выполняют роль регулируемого сопротивления.

С учетом стабилизации тока напряжение, снимаемое с последовательно соединенных резистора 5 и регулируемого сопротивления, поступающее на затвор полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом, оказывает стабилизирующее воздействие. За счет отрицательной обратной связи при постоянном напряжении на затворе транзистора 4 с индуцированным n-каналом величина изменения напряжения в нагрузке 8 оказывается существенно меньше величины прироста напряжения источника 1 и, таким образом, осуществляется стабилизация уровня выходного напряжения.

Максимальная величина выходного напряжения стабилизатора при минимальном напряжении источника 1 может быть только такой, чтобы их разность поддерживала полевые транзисторы 2, 3 и 4 в активном режиме.

Исходя из требуемой величины выходного напряжения стабилизатора и тока нагрузки 8, по коэффициенту усиления полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом определяется необходимое напряжение на затворе. Величины сопротивления резистора 5 и регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7 выбираются таким образом, чтобы ток через них (напряжение падения на них) обеспечивал поддержание полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме.

При минимально возможном напряжении источника 1 подбирается величина резистора 5 таким образом, чтобы при увеличении напряжения источника 1 изменение уровня напряжения на истоке полевого транзистора 4 с р-n-переходом и n-каналом и, соответственно, на затворе полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом не превышало плюс 5% от первоначальной величины. При этом величина напряжения между истоком и затвором полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом, является напряжением отсечки, которое определяется током делителя образованного сопротивлением канала полевого транзистора 2 и резистора 5. Как правило, эта величина напряжения оказывается недостаточной для поддержания полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме, поэтому для установки необходимого напряжения в нагрузке 8 и используется дополнительное сопротивление. В данном случае регулируемое сопротивление на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7.

Ток стока полевых транзисторов 2, 3, 4, используемых в схеме стабилизатора, характеризуется температурной зависимостью. Причем если в случае полевых транзисторов 2 и 3 в силу незначительной величины протекающего тока и стабилизирующего эффекта температурные изменения тока стока крайне малы, то в случае полевого транзистора 4, ток стока которого имеет существенную величину, температурный режим оказывает более значительное влияние (фиг.2, 3, 4 (а), фиг.2, 3, 4 (б), фиг.2, 3, 4 (в)). При этом степень «значительности» может быть существенно снижена при обеспечении работы полевого транзистора 4 в режиме нахождения рабочей точки в окрестностях точки с нулевым температурным коэффициентом смещения (термостабильной точки) (П.Хоровиц, У.Хилл. «Искусство схемотехники», М.: БИНОМ, 2014 г., с.130, рис.3.13). Однако при этом следует учесть, что «термостабильный режим» жестко связан с напряжением источника 1, током стока и напряжением на затворе транзистора 4, сопротивлением нагрузки 8, а значит, в условиях применения нестабильного источника 1 напряжения полная реализация «термостабильного режима» достаточно проблематична.

Как показали результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица), использование в составе схемы устройства регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7, в отличие от резистора постоянного сопротивления, как в прототипе, обеспечивает существенный выигрыш, в частности:

- по «Коэффициенту полезного действия по мощности» в среднем на 6,3%.

- по «Коэффициенту стабилизации по напряжению» в среднем на 9,3%;

- по «Коэффициенту стабилизации тока по входному напряжению» в среднем на 1,8%,

при практически неизменном температурном коэффициенте напряжения.

Что позволяет сделать вывод, что в целом предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.

Таблица 1 - Результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом

Температура, °С	Напряжение источника, В	Ток источника, мА	Напряжение на нагрузке, В	Ток в нагрузке, мА	КПД по мощности, %	Коэффициент стабилизации по напряжению	Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению	ТКН, %
Разр.	Прот.	Разр.	Прот.	Разр.	Прот.	Разр.	Прот.	Разр.	Прот.	Разр.	Прот.	Разр.	Прот.
-40	7,7	63,30	57,929	6,896	6,305	62,687	57,316	88,691	81,015	332,2	303,7	292,2	285,6	-0,0137	-0,0138
-40	9	63,331	57,958	6,899	6,308	62,718	57,345	75,914	69,348	-----	-----	-----	-----	-0,0137	-0,0138
12	63,403	58,025	6,906	6,315	62,789	57,411	56,993	52,068	328,5	300,4	294,5	289,6	-0,0133	-0,0133
25	7,7	62,741	57,422	6,835	6,249	62,128	56,808	87,899	80,288	329,2	301,0	256,5	248,8	-----	-----
25	9	62,776	57,454	6,838	6,252	62,163	56,841	75,236	68,725	-----	-----	-----	-----	-----	-----
12	62,856	57,528	6,847	6,261	62,242	56,914	56,501	51,618	253,3	231,6	262,3	259,6	-----	-----
50	7,7	62,550	57,249	6,813	6,230	61,937	56,636	87,613	80,043	246,2	225,1	248,7	248,1	-0,0129	-0,0122
50	9	62,586	57,283	6,817	6,234	61,973	56,669	75,003	68,524	-----	-----	-----	-----	-0,0123	-0,0115
12	62,668	57,360	6,825	6,242	62,055	56,746	56,319	51,460	284,0	259,8	251,9	245,3	-0,0129	-0,0121

* Разр. - разработанный стабилизатор напряжения

** Прот. - прототип

*** В схеме предлагаемого стабилизатора напряжения, как и в прототипе, применены: полевой транзистор (2) с р-n переходом и n-каналом типа BFR30; полевой транзистор (4) с индуцированным n-каналом типа 2SK133; резистор (5) сопротивлением 3 кОм; нагрузка (8) сопротивлением 110 Ом. А также: полевой транзистор (3) с р-n переходом и р-каналом типа 2N3332; резистор (6) сопротивлением 1 кОм; резистор (7) сопротивлением 6,5 кОм.

**** Расчет параметров проводился с опорой на напряжение 9 В и температуру 25°С.

Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий нестабильный источник напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, резистор, полевой транзистор с индуцированным n-каналом, нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом, исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине устройства, отличающийся тем, что в устройство введены полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, второй и третий резисторы, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через второй резистор подключен к затворам полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом, и полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом, а также ко второму выводу первого резистора, исток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через третий резистор соединен с общей шиной устройства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в построении малошумящих компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием, выполненных на базе источников опорного напряжения широкого применения. Техническим результатом является снижение напряжения шума при одновременном увеличении коэффициента стабилизации компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием.

Импульсный стабилизатор напряжения // 2767171

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения. Технический результат изобретения - снижение объема и массы элементов импульсного стабилизатора напряжения за счет снижения объема и массы дросселя и конденсатора фильтра.

Система управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока // 2767050

Изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности к системам управления импульсными силовыми преобразователями по контролируемым напряжению и току, и может найти применение для электропитания разных устройств во многих областях техники, например в мощных импульсных понижающих преобразователях, используемых для заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой, а также в источниках вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным током на нагрузке.

Стабилизатор напряжения питания электронных схем // 2755670

Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения // 2739398

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к вторичным источникам электропитания функциональной аппаратуры телекоммуникационного оборудования и гидроакустической техники, в том числе для электропитания удаленных потребителей. Техническим результатом является повышение стабильности вторичного напряжения и достижение надежной работы при изменении выходного тока за счет использования комбинированной обратной связи (ОС) по выходному напряжению и выходному току, чем достигается повышение глубины ОС в номинальном режиме работы и переход к ограничению выходного тока в режиме перегрузки посредством введения датчика тока, цепи обратной связи по току и усилителя разностного сигнала в цепи обратной связи по выходному напряжению.

Цепь генерирования пульсирующего тока // 2704631

Изобретение относится к области электротехники, в частности к цепи пульсирования генерирования пульсирующего тока. Технический результат заключается в обеспечении оповещения пользователя о неисправности импульсного источника питания с помощью сигнальной цепи.

Регулирование электрического выхода генератора // 2670421

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в комбинированных теплоэлектроагрегатах коммунального назначения. Техническим результатом является обеспечение стратегии регулятора, которая минимизирует риск механических нарушений.

Схема и способ для оптимизации диапазона входного напряжения интегральной микросхемы // 2653179

Изобретение относится к технологии переключения подачи электропитания и может быть использовано для оптимизации диапазона входного напряжения интегральной микросхемы. В схеме для оптимизации диапазона входного напряжения интегральной микросхемы (ИС) блок повышения напряжения получает входное напряжение и затем выводит напряжение соответствующего уровня; триггерный блок сравнивает уровень напряжения, выведенного блоком повышения напряжения, с заданным пороговым напряжением и выводит сигнал разрешения соответствующего уровня на выход сигнала разрешения интегральной микросхемы на основании результата сравнения, чтобы управлять включением/отключением интегральной микросхемы; и блок стабилизатора напряжения получает напряжения, выведенные блоком повышения напряжения и триггерным блоком и затем выводит напряжение соответствующего уровня на блок повышения напряжения на основании уровней напряжения, выведенных блоком повышения напряжения и триггерным блоком, чтобы уровень напряжения на выходе блока повышения напряжения был выше или равен пороговому напряжению и за счет этого включалась интегральная микросхема, или чтобы уровень напряжения на выходе блока повышения напряжения поддерживался на уровне выше или равном пороговому напряжению и за счет этого на работу интегральной микросхемы не влияли изменения во входном напряжении.

Способ управления n-фазным импульсным преобразователем // 2638295

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многофазных импульсных преобразователях питания. Техническим результатом является снижение потерь энергии и улучшение качества напряжения.

Способ, устройство и носитель данных для управления пуском импульсного выпрямителя // 2633696

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электропитанием. Технический результат - обеспечение корректного пуска импульсного выпрямителя по напряжению и/или по току согласно требованиям питаемого объекта и в соответствии с внешней средой импульсного выпрямителя.

Инверторная система и способ управления инверторной системой // 2772317

Изобретение относится к электротехнике, в частности к инверторным системам. Технический результат заявленного изобретения заключается в подавлении сдвига уровня межфазных напряжений в инверторной системе, имеющей произвольное число фаз и произвольное число уровней. Предлагается инверторная система, содержащая блок 3 управления предотвращением перескока уровня, который формирует на выходе управляющий сигнал на основе команды уровня напряжения V*; при этом управляющий сигнал управляет инвертором 4. Блок 3 управления предотвращением перескока уровня устанавливает значение счетчика С так, что, если уровень выходного напряжения V определенной фазы сдвигается вверх, уровню выходного напряжения V фазы запрещают сдвигаться вверх в течение заранее заданного времени, а для другой фазы уровню выходного напряжения V запрещают сдвигаться вниз в течение заранее заданного времени. Блок 3 управления предотвращением перескока уровня также устанавливает значение счетчика С так, что, если уровень V выходного напряжения определенной фазы сдвигается вниз, уровню V выходного напряжения фазы запрещают сдвигаться вниз в течение заранее заданного времени, а для другой фазы уровню выходного напряжения V запрещают сдвигаться вверх в течение заранее заданного времени. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.