Способ построения стабилизатора постоянного напряжения
Владельцы патента RU 2775059:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в построении стабилизаторов постоянного напряжения. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Способ построения стабилизатора постоянного напряжения осуществляется при выполнении операций: формирования напряжения обратной связи; формирования опорного напряжения; формирования напряжения рассогласования; усиления напряжения рассогласования; регулирования выходного (стабилизированного) напряжения; автокоррекции глубины обратной связи. 7 ил.
Уровень техники
Известен способ построения стабилизатора постоянного напряжения [Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 187, рис. 8.8.а], [Б.И. Артамонов, А.А. Бокуняев. «Источники электропитания радиоустройств», М.: Энергоиздат, 1982 г., с. 145, рис. 5.10.а], [Л.Ф. Захаров, М.Ф. Колканов. «Электропитание устройств связи», М. :ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007 г., с. 128, рис. 5.9.а], представляющий собой замкнутую систему автоматического регулирования, базирующуюся на выполнении ряда операций:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения.
Возможным вариантом реализации данного способа служит схема последовательного стабилизатора постоянного напряжения [Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. «Промышленная электроника», М. : Энергоатомиздат, 1988 г., с. 209, рис. 5.11].
Схема стабилизатора содержит: регулирующий элемент на базе транзистора p-n-p-типа, выполняющий функцию регулирования выходного (стабилизированного) напряжения; делитель напряжения на базе двух резисторов, выполняющий функцию формирования напряжения обратной связи; делитель напряжения на базе резистора и стабилитрона, выполняющий функцию формирования опорного напряжения; усилитель сигнала рассогласования на базе операционного усилителя, выполняющий функции формирования напряжения рассогласования и усиления напряжения рассогласования; нагрузку.
Недостатком данного способа и данного варианта его реализации являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
– низкой устойчивостью стабилизатора как системы автоматического регулирования;
– узким диапазоном допустимого изменения входного напряжения;
– низким температурным коэффициентом напряжения;
– низким коэффициентом стабилизации.
Наиболее близким по технической сущности является способ построения стабилизатора постоянного напряжения, включающий операции:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения;
6) формирование тока управления.
Для реализации данного способа использован стабилизатор постоянного напряжения (патент RU № 2023287, МПК G05F 1/565).
Стабилизатор постоянного напряжения содержит: регулирующий транзистор p-n-p-типа, включенный между входным и выходным выводами, эмиттером – к входному выводу, коллектором – к выходному выводу; операционный усилитель сигнала рассогласования, входы питания которого подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены соответственно к выходам двух делителей напряжения; первого – состоящего из двух последовательно соединенных резисторов; второго – состоящего из последовательно соединенных резистора и стабилитрона, катод которого подключен к выводу делителя напряжения; блокировочный конденсатор, вместе с указанными делителями напряжения и нагрузкой, включенный между выходным выводом и общей шиной; управляющий транзистор p-n-p-типа, база которого соединена с выходом операционного усилителя сигнала рассогласования, а коллектор подключен к базе регулирующего транзистора; резистор смещения, включенный между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора; конденсатор и стабилитрон, параллельно включённые между эмиттером регулирующего транзистора и общей шиной, причем стабилитрон подключен анодом к общей шине.
Недостатком указанного способа и варианта его реализации, являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
– узким диапазоном допустимого изменения входного напряжения;
– низким температурным коэффициентом напряжения;
– низким коэффициентом стабилизации.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в способ построения стабилизатора постоянного напряжения, базирующегося на выполнении операций: формирования напряжения обратной связи; формирования опорного напряжения; формирования напряжения рассогласования; усиления напряжения рассогласования; регулирования выходного (стабилизированного) напряжения, введена операция автокоррекции глубины обратной связи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора постоянного напряжения.
На фиг.2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 
, напряжении 
, сопротивлении нагрузки 
.
На фиг.3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре , напряжении 
, сопротивлении нагрузки .
На фиг.4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре , напряжении , сопротивлении нагрузки 
.
На фиг.5 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре , напряжении 
, сопротивлении нагрузки 
.
На фиг.6 представлены результаты схемотехнического моделирования – зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения входного напряжения 
при сопротивлении нагрузки 
и температуре .
На фиг.7 представлены результаты схемотехнического моделирования – зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства 
, при входном напряжении 
и сопротивлении нагрузки 
.
Осуществление изобретения
Сущность предлагаемого способа заключается в выполнении следующих операций:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения;
6) формирование тока управления;
7) автокоррекции глубины обратной связи.
Устройство реализации способа построения стабилизатора постоянного напряжения (фиг.1) содержит: регулирующий транзистор 1 p-n-p-типа; управляющий МДП транзистор 2 с индуцированным каналом n-типа; операционный усилитель 3 сигнала рассогласования; резистор 4 смещения; делители напряжения 5 и 6; стабилитрон 7; блокировочный конденсатор 8; нагрузку 9.
Делитель напряжения 5 содержит: резисторы 10, 12 и стабилитрон 11, причем верхнее плечо образовано последовательно соединенными резистором 10 и включенном в прямом направлении стабилитроном 11, а нижнее плечо – резистором 12.
Делитель напряжения 6 содержит резистор 13 и стабилитроны 14 и 15, причем верхнее плечо образовано резистором 13, а нижнее плечо – последовательно соединенными стабилитронами 14, 15, включенными соответственно в прямом и обратном направлении.
Резистор 4 смещения включен между базой и эмиттером регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа, включенного между входным и выходным выводами стабилизатора, эмиттером – к входному выводу, коллектором – к выходному выводу, к которому подключены выводы верхних плечей делителей напряжения 5 и 6, а также первые выводы нагрузки 9 и блокировочного конденсатора 8; выводы нижних плечей делителей напряжения 5 и 6, а также вторые выводы нагрузки 9 и блокировочного конденсатора 8 соединены с общей шиной; входы питания операционного усилителя 3 сигнала рассогласования подключены к входным выводам стабилизатора соответствующей полярности, а инвертирующий и неинвертирующий входы подключены к выходам соответственно делителей напряжения 5, 6; затвор управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа соединен с выходом операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, исток – с базой регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и вторым выводом резистора 4 смещения, а сток через включенный в прямом направлении стабилитрон 7 – с шиной.
Устройство реализации способа построения стабилизатора постоянного напряжения работает следующим образом.
Так как время установления и восстановления p-n-переходов конечно, в момент подачи напряжения питания Uвх на коллекторе регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа (на выходе стабилизатора) возникает скачек потенциала положительной полярности, не превышающий напряжения пробоя стабилитрона 15, но в силу условия (1)
, (1)
где 
сопротивления резисторов 10, 12, 13,
обеспечивающий превышение напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования относительно инвертирующего входа. Вследствие чего выходное напряжение операционного усилителя 3 сигнала рассогласования ввиду его значительного коэффициента усиления обеспечивает уменьшение сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь обеспечивает увеличение тока базы, а значит, и тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа.
Скачкообразному изменению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа, а значит, лавинообразному нарастанию тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и неконтролируемому скачку выходного напряжения в момент подачи напряжения питания препятствует наличие стабилитрона 7, формирующего регулируемое напряжение вольт добавки, выполняющей функции отрицательной обратной связи по току (увеличение тока стока приводит к увеличению напряжения на стоке, что в свою очередь приводит к уменьшению тока стока).
Увеличение протекающего коллекторного тока приводит к увеличению выходного напряжения. А значит, и напряжения, приложенного к делителям напряжения 5, 6. В момент превышения выходным напряжением напряжения пробоя стабилитрона 15 на выходах делителей напряжения 5, 6 формируются напряжения, поступающие на входы операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, и с учетом условия (2)
, (2)
где 
опорное (эталонное) напряжение, формируемое цепочкой стабилитронов 14, 15 (напряжение на нижнем плече делителя напряжения 6);
напряжение падения на резисторе 12 (нижнем плече делителя напряжения 5),
переводящие стабилизатор в установившийся режим работы.
Предположим, что в процессе работы устройства значение входного напряжения Uвх, например, возрастает на некоторую величину. В этом случае возрастает и выходной ток регулирующего транзистора 1 и, соответственно, падение напряжения на резисторе 12, делителя напряжения 5, а следовательно, и на инвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, в то время как на его неинвертирующем входе напряжение остается неизменным и равным опорному напряжению Uоп, снимаемому с цепочки стабилитронов 14, 15. Возникший перепад напряжений на входах операционного усилителя 3 сигнала рассогласования приводит к снижению выходного напряжения операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, увеличению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что, в свою очередь, приводит к уменьшению тока базы, а значит, и тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа. Уменьшение выходного тока приводит к уменьшению и выходного напряжения стабилизатора Uвых, стремящегося таким образом к прежнему, исходному значению.
При уменьшении уровня входного напряжения Uвх уменьшается и выходной ток регулирующего транзистора 1 и, соответственно, падение напряжения на резисторе 12, делителя напряжения 5, а следовательно, и на инвертирующем входе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, в то время как на его неинвертирующем входе напряжение остается неизменным и равным опорному напряжению Uоп, снимаемому с цепочки стабилитронов 14, 15. Возникший перепад напряжений на входах операционного усилителя 3 сигнала рассогласования приводит к увеличению выходного напряжения операционного усилителя 3 сигнала рассогласования, уменьшению сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь приводит к увеличению тока базы, а значит, и тока коллектора регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа. Увеличение выходного тока приводит к увеличению и выходного напряжения стабилизатора Uвых, стремящегося таким образом к прежнему, исходному значению.
В условиях неизменности температурного режима работы устройства стабилитроны 7, 11, 14 выполняют функцию регулируемой вольт добавки, способствующей повышению стабильности выходного напряжения в условиях нестабильности как Uвх, так и сопротивления нагрузки 9 (Rн), фиг.2÷6.
Согласно условию (1) с учетом значительного входного сопротивления операционного усилителя 3 сигнала рассогласования в установившемся режиме работы устройства имеет место соотношение (3)
, (3)
где 
ток делителей напряжения 5, 6;
падение напряжения (вольт добавка) на стабилитронах 14, 11.
Однако вследствие выбора рабочей точки стабилитрона 14 на линейном участке вольт-амперной характеристики, а стабилитрона 11 на нелинейном (начальном) участке вольт-амперной характеристики (согласно условию (3)), при изменении Uвх, Rн, а значит, и тока делителей 5, 6 от их установившихся значений, будет иметь место соотношение (4)
(4)
Причем по мере увеличения изменения Uвх, Rн от их установившихся значений степень изменения 
будет значительно больше, чем степень изменения 
, что в свою очередь будет приводить к изменению величины коэффициента обратной связи – увеличению. А значит, и увеличению нагрузочной способности и коэффициента стабилизации.
Введение в состав схемы устройства стабилитронов 11, 14 способствует реализации операции автокоррекции глубины обратной связи.
При эксплуатации устройства в диапазоне температур стабилитроны 7, 11, 14 выполняют функцию как вольт добавки, так и термостабилизации. При этом в качестве стабилитронов 7, 11, 14, 15 необходимо использовать стабилитроны с лавинным типом пробоя, характеризуемые положительным температурным коэффициентом напряжения (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351), при обратном включении и отрицательным коэффициентом (см. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 184) при прямом включении.
Тогда цепь стабилитронов 14, 15 обеспечивает частичную компенсацию коэффициентов напряжения стабилизации, способствуя выполнению условия (5):
, (5)
где 
температурные коэффициенты напряжения стабилитрона 14 и цепи соединения стабилитронов 14, 15.
А в силу условия (6)
, (6)
где 
ТКН регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и стабилитрона 11;
ТКН цепи соединения регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и стабилитрона 11,
выходные напряжения делителей напряжения 5 
и 6 
будут характеризоваться положительным ТКН с выполнением условия (7)
, (7)
тем самым обеспечивая с увеличением температурного режима работы устройства снижение напряжения на выходе операционного усилителя 3 сигнала рассогласования. А значит, увеличение сопротивления сток-исток управляющего МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа. Что в свою очередь приводит к уменьшению тока базы регулирующего транзистора 1 p-n-p-типа и приведению выходного напряжения стабилизатора Uвых к исходному значению.
При этом следует учесть, что прямое включение в цепь стока МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа стабилитрона 7, в силу его отрицательного ТКН, наряду с отрицательной обратной связью по току дополнительно порождает формирование отрицательной обратной связи по напряжению, что в целом способствует увеличению температурной стабильности выходного напряжения устройства.
На фиг.3 представлены результаты схемотехнического моделирования – зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства , при входном напряжении и сопротивлении нагрузки .
Формирование комбинированной отрицательной обратной связи в цепи стока МДП транзистора 2 с индуцированным каналом n-типа благодаря введению в состав схемы устройства стабилитрона 7, причем с учетом использования в качестве управляющего транзистора – МДП транзистора 2, характеризуемого нормируемым ТКН (в силу наличия термостабильной рабочей точки), способствует реализации операции автокоррекции глубины обратной связи.
В целом, предлагаемый способ и вариант его реализации обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.
Способ стабилизации постоянного напряжения, включающий операции: формирования напряжения обратной связи; формирования опорного напряжения; формирования напряжения рассогласования; усиления напряжения рассогласования; регулирования выходного стабилизированного напряжения, отличающийся тем, что в него введена операция автокоррекции глубины обратной связи, которая реализуется за счет формирования нелинейного характера напряжения рассогласования и комбинированной отрицательной обратной связи, при этом для формирования нелинейной характеристики напряжения рассогласования указанное напряжение формируется на выходах двух делителей выходного напряжения, верхнее плечо одного из которых образовано резистором, а нижнее плечо последовательно соединёнными двумя стабилитронами, один из которых включен в прямом направлении, а другой в обратном направлении, верхнее плечо другого делителя напряжения образовано последовательно соединенными резистором и включенным в прямом направлении стабилитроном, а нижнее плечо другим резистором, кроме того, комбинированная отрицательная обратная связь формируется в цепи стока управляющего транзистора, исток которого соединен с базой регулирующего транзистора, а сток через включенный в прямом направлении стабилитрон соединен с общей шиной.
