Компенсационный стабилизатор напряжения
Владельцы патента RU 2772113:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения постоянного тока. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Компенсационный стабилизатор напряжения содержит: три резистора, полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, три биполярных транзистора n-p-n типа, стабилитрон и диод. 5 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения постоянного тока.
Уровень техники
Известен стабилизатор постоянного напряжения (патент RU № 2313819, МПК G05F 1/56), содержащий первый транзистор, первый резистор, второй транзистор, второй резистор, стабилитрон. База первого транзистора подключена через первый резистор к его коллектору, являющемуся входом устройства, и коллектору второго транзистора, эмиттер которого подключен через стабилитрон к общему проводу и через второй резистор к эмиттеру первого транзистора, база второго транзистора подключена к эмиттеру первого транзистора, являющегося выходом устройства.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низким температурным коэффициентом напряжения.
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является компенсационный стабилизатор напряжения (патент RU № 2394266, МПК G05F 1/56).
Компенсационный стабилизатор напряжения содержит: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер первого биполярного транзистора n-p-n типа подключен к общей шине; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме.
Выражение (1) определяет нестабильность выходного напряжения прототипа по току нагрузки (знак минус говорит о том, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение уменьшается):
где 
- дифференциальные сопротивления эмиттера первого биполярного транзистора n-p-n типа и стабилитрона соответственно;
- сопротивление второго резистора;
и 
- коэффициенты передачи по току в схеме с общим эмиттером первого и третьего биполярных транзисторов n-p-n типа соответственно;
- коэффициент преобразования тока коллектора первого биполярного транзистора n-p-n типа в ток эмиттера второго биполярного транзистора n-p-n типа
где 
- сопротивление первого резистора;
- сопротивление третьего резистора;
- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом;
- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером второго биполярного транзистора n-p-n типа.
Условие (3) является условием настройки, при котором параметр обращается в бесконечность, а нестабильность (1) - в ноль.
Однако данное утверждение справедливо лишь в случае неизменности параметров входящих в выражения (1) и (3), а именно в случае неизменности температурного режима работы устройства.
На фиг. 1 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении 
= 14 В и токе нагрузки 
[1; 110] мА.
На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0
, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении 
и токе нагрузки [1; 110] мА.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низкой нестабильностью выходного напряжения;
- низким температурным коэффициентом напряжения.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме, введен диод, анод которого подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора n-p-n типа, а катод - к общей шине.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении = 14 В и токе нагрузки [1; 110] мА.
На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении и токе нагрузки [1; 110] мА.
На фиг. 3 представлена функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг. 4 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 27°С, входном напряжении = 14 В и токе нагрузки [1; 110] мА.
На фиг. 5 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства (Т = 0, Т = 27, Т = 54, Т = 81), при входном напряжении и токе нагрузки [1; 110] мА.
Осуществление изобретения
Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: резисторы 1, 2, 3; полевой транзистор 4 с р-n-переходом и р-каналом; биполярные транзисторы 5, 6, 7 n-p-n типа; стабилитроны 8; диод 9, причем резистор 1 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом; резистор 2 подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе биполярного транзистора 5 n-p-n типа и аноду стабилитрона 8; резистор 3 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом и коллектору биполярного транзистора 6 n-p-n типа; сток полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе биполярного транзистора 6 n-p-n типа и коллектору биполярного транзистора 5 n-p-n типа; эмиттер биполярного транзистора 6 n-p-n типа подключен к базе биполярного транзистора 7 n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона 8 и к выходной клемме; анод диода 9 подключен к эмиттеру биполярного транзистора 5 n-p-n типа, а катод - к общей шине.
Компенсационный стабилизатор напряжения работает следующим образом.
Выходное напряжение стабилизатора определяется суммой напряжений база-эмиттер биполярного транзистора 5 n-p-n типа, диода 9 и стабилитрона 8. Следовательно, приращение выходного напряжения dUвых, возникающее при воздействии дестабилизирующих факторов, определяется выражением (4):
где dUст.8, dUд.9 и dUбэ.5 - приращения напряжений стабилитрона 8, диода 9 и база-эмиттер биполярного транзистора 5 n-p-n типа соответственно.
Приращения напряжений dUст.8, dUд.9 и dUбэ.5 можно выразить через соответствующие приращения токов стабилитрона 8, диода 9 и эмиттера биполярного транзистора 5 n-p-n типа
где 
и 
- соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока стабилитрона 8;
и 
- соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока диода 9;
и 
- соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока эмиттера биполярного транзистора 5 n-p-n типа.
С учетом условия (6)
выражение (5) примет вид:
Ток стабилитрона 8 
равен сумме тока резистора 2 и тока базы биполярного транзистора 5 n-p-n типа. Следовательно, приращение определится выражением:
где 
и
- приращения тока резистора 2 и базы биполярного транзистора 5 n-p-n типа соответственно;
R 2 - сопротивление резистора 2;
- коэффициент передачи по току биполярного транзистора 5 n-p-n типа в схеме с общим эмиттером.
Ток эмиттера биполярного транзистора 7 n-p-n типа равен сумме токов нагрузки и стабилизатора 8. Следовательно, справедливо выражение
где 
и 
- приращения тока эмиттера биполярного транзистора 7 n-p-n типа и тока нагрузки соответственно.
Приращение тока можно выразить через :
где 
- коэффициент передачи по току транзистора 7 в схеме с общим эмиттером;
- коэффициент преобразования тока коллектора биполярного транзистора 5 n-p-n типа в ток эмиттера биполярного транзистора 6 n-p-n типа
где 
и 
- приращения тока коллектора биполярного транзистора 5 n-p-n типа и тока эмиттера биполярного транзистора 6 n-p-n типа соответственно.
Для определения параметра K6 учтем следующее:
где 
- приращение тока стока полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом;
- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером биполярного транзистора 6 n-p-n типа.
где 
и 
- приращение напряжения на резисторах 1 и 3 соответственно;
- приращение напряжения затвор-исток полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом.
Уравнение (13) запишем через приращения токов
где - сопротивление резистора 1;
- сопротивление резистора 3;
- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 4 с р-n-переходом и р-каналом.
Из выражений (12) и (14) можно выразить
Из выражений (8) ÷ (10) получим
Из выражений (7) и (8) получим
Полученное выражение (17) определяет нестабильность выходного напряжения заявляемого устройства по току нагрузки. Знак «минус» говорит о том, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.
При соблюдении условия (18)
параметр
обращается в бесконечность, а нестабильность (17) - в ноль.
Что, как и в случае прототипа, возможно лишь при неизменности температурного режима работы устройства.
Однако введение в схему устройства диода 9, характеризуемого отрицательным температурным коэффициентом напряжения при одновременном использовании стабилитрона 8 с лавинным типом пробоя, характеризуемого положительным температурным коэффициентом напряжения (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351) при обратном включении, способствует как снижению нестабильности выходного напряжения по току нагрузки (фиг. 1, фиг. 4), так и в целом обеспечивает повышение температурного коэффициента напряжения (фиг. 2, фиг. 5).
Как показали результаты моделирования предлагаемого компенсационного стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица), использование в составе схемы устройства диода 9 обеспечивает существенный выигрыш, в частности:
- по «Нестабильности выходного напряжения» в среднем в 2,225 раза;
- по «Температурному коэффициенту напряжения» в среднем в 6,694 раза.
Что позволяет сделать вывод, что предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.
Компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий: три резистора; полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом; три биполярных транзистора n-p-n типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора n-p-n типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом и коллектору второго биполярного транзистора n-p-n типа; сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом подключен к базе второго биполярного транзистора n-p-n типа и коллектору первого биполярного транзистора n-p-n типа; эмиттер второго биполярного транзистора n-p-n типа подключен к базе третьего биполярного транзистора n-p-n типа, коллектор которого подключен к шине питания, а эмиттер - к катоду стабилитрона и к выходной клемме, отличающийся тем, что в устройство введен диод, анод которого подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора n-p-n типа, а катод - к общей шине.
