Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«i>922698 (61) Дополнительное к авт. свид-ву

Р11М .К з (22) Заявлено 270181 (21) 3240225/24-07 с присоединением заявки ¹G 05. F 1/56

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 230482. Бюллетень ¹ 15 (53).УДК 621.316 ° .722.1(088 8) Дата опубликования описания 230482

Буревестник (54) КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в ка- . честве вторичного источника питания узлов электроизмерительной, вычислительной и рентгеновской аппаратуры.

Известны схемы компенсационных стабилизаторов напряжения с однокаскадным дифференциальным усилителем обратной связи, в которых для увеличения коэффициента стабилизации и уменьшения выходного сопротивления используется активная или динамическая нагрузка. Например компенсационные стабилизаторы напряжения в интегральном использовании К142ЕН1, К142ЕН2 содержат транзисторный регулирующий элемент источник опорного напряжения, делитель выходного напряжения и однокаскадный усилитель обратной связи с активной нагрузкой в виде полевого транзистора, включенного по схеме генератора тока (Q .

Известен также компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент, источник опорного напряжения и делитель выходного напряжения, . усилитель обратной .связи в котором выполнен с динамической нагрузкой на биполярных транзисторах 2) .

Недостатками данных стабилизаторов являются низкий коэффициент стабилизации и высокое выходное сопротивле5 ние в широком диапазоне регулирования выходного напряжения, обусловленные малым выходным сопротивлением активной нагрузки и шунтированием ее невысоким входным сопротивлением. регулирующего элемента.

Указанные недостатки, а также низкое быстродействие значительно сужают функциональные возможности и, следовательно, область применения .

15 данных стабилизаторов напряжения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является компенсационный стабилизатор постоянного напряжения в интегральном ис20 полнении, содержащий регулирующий элемент с и-канальным полевым транзистором на входе, источник опорноqo напряжения, делитель выходного напряжения и однокаскадный диф25 ференциальный усилитель обратной связи с динамической нагрузкой, содержащий биполярный транзистор H элемент односторонней проводимости. Один вход усилителя соединен с источником

3О опорного напряжения, а другой — с

922698 выходом делителя выходного напряжения (3) .

Наличие в регулирующем элементе согласующего полевого транзистора, обладающего высоким входным сопротивлением, позволяет снизить шунтирующее действие регулирующего транзистора, что приводит к увеличению коэффициента усиления усилителя и, следовательно, к повышению коэффициента стабилизации стабилизатора, а также к снижению выходного сопротивления. Однако улучшение укаэанных

10.параметров незначительно, что не дает возможности использовать подобные стабилизаторы напряжения в прецизионных устройствах и приборах для

j5 научных исследований.

Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей стабилиэатора путем поеыаения коэффициента ста- 20 билизации, уменьшения выходного сопротивления и увеличения быстродействия в широком диапазоне регулирования выходного напряжения. мент с полевым транзистором на входе, источник опорного напряжения, 30 подключенный к выходным выводам стабилизатора,. дифференциальный усилитель обратной связи с включенными по схеме с общим эмиттером входными транзисторами, одним входом соединен-35 снабжен парой усилительных транзистоный с выходом источника опорного напряжения, а другим — с выходом делителя выходного напряжения, причем динамическая нагрузка дифференциального усилителя обратной связи включает в себя биполярный транзистор и диод, 40 ров, эмиттерами соединенных с коллекторами транзисторов дифференциального усилителя обратной связи, полевым транзистором динамической нагрузки, исток которого через введенный дополнительный резистор подключен к базе биполярного транзистора и аноду диода динамической нагрузки, сток — к коллектору одного из 50 усилительных транзисторов и через введенный проходной диод — к управляющему входу регулирующего элемента, затвор — к коллектору другого усилительного транзистора и коллен- 55 тору биполярного транзистора динамической нагрузки, причем общая точка баз усилительных транзисторов соединена с выходом введенной реэистивнодиодной цепочки, включенной между 60 входным силовым выводом регулирующего элемента и эмиттером введенного вспомогательного транзистора, база которого подключена к эмиттерам входных транзисторов усилителя обратной

Поставленная цель достигается тем, что компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элесвязи, а коллектор - к общей шине стабилизатора..

На чертеже изображена схема предлагаемого компенсационного стабилизатора постоянного напряжения.

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий элемент 1 с полевым, например п-канальным, транзистором 2 на входе, источник 3 опорного напряжения, дели-. тель 4 выходного напряжения. Однокаскадный дифференциальный усилитель 5 обратной связи выполнен со сложной динамической нагрузкой 6. Входные ,транзисторы 7 и 8, например и-р-и типа, усилителя 5 включейы по схеме с общим эмиттером (03), усилительные транзисторы 9 и 10 усилителя 5 - по схеме .с общей базой (ОБ). База транзистора 7 соединена с источником 3 опорного напряжения, а база транзисто ра 8 - с выходом 11 делителя 4 выходного напряжения. Коллектор усилительного транзистора 10 соединен со стоком нагрузочного полевого транзистора 12, в данном случае р-канального, и через проходной диод 13 — с управляющим входом регулирующего элемента 1, т.е. затвором полевого транзистора 2. Исток транзистора 13 через резистор 14. и опорный диод 15 соединен. с эмиттером нагруэочного транзистора 16 с типом проводимости, обратной транзисторам 7-10 дифференциального усилителя 5 (в данном случае р-и-р типа). База транзистора 16 соединена с катодом опорного диода

15, а коллектор — с затвором полевого транзистора 13 и коллектором усилительного транзистора 9. Базы транзисторов 9 и 10 соединены с выходом

17 реэистивно-диодной цепочки 18, которая включена в эмиттерную цепь дополнительного-транзистора 19 также обратного типа проводимости. Его коллектор соединен с общей отрицательной шиной стабилизатора, а база с эмиттерами входных транзисторов

7 и 8 усилителя 5.

Стабилизатор работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходе регулирующего элемента 1 и стабилизатора в целом имеется номинальное или установленное выходное напряжение, величина которого определяется значениями опорного напряжения источника 3 и коэффициентом деления делителя 4. При этом напряжения на базах входных транзисторов 7 и 8, например и-р-и типа, усилителя 5, включены по схеме с 03, равны опорному напряжению. Напряжение на базах усилительных транзисторов 9 и 10, также р-и-р типа, включенных пс схеме с ОБ, практически зафиксированы относительно потенциала. эмиттеров 9226

98 транзисторов 7 и 8 на уровне, определяемом суммой падений напряжения на двух диодах резистивно-диодной цепочки 18 и эмиттер-базовом переходе дополнительного транзистора 19 обратного типа проводимости. Выходное напряжение усилителя 5, снимаемое с коллектора усилительного транзистора 10 (или со стока нагрузочного полевого транзистора 12), подается через проходной диод 13 на управляющий вход регулирующего элемента 1 (затвор полевого транзистора

2), обеспечивая необходимое выходное напряжение стабилизатора. .Рассмотрим работу стабилизатора

)при воздействии дестабилизирующих фак-15 торов: изменений входного напряжения и тока нагрузки. При изменении входного напряжения на выходе стабилизатора также начинает появляться синфазное изменение напряжения. Часть 20 этого изменения, например положитель ного приращения, снимается с выхода

11 делителя 4 и поступает на базу выходного транзистора 8. Вследствие этого происходит увеличение тока ба- 25 зы и токов эмиттера и коллектора транзистора 8, напряжение на базе транзистора 7, связанной с источником 3 опорного напряжения, остается посто- . янным. Поэтбму по принципу действия дифференциального каскада усиления . происходит противофазное изменение тока базы н токов эмиттера и коллектора транзистора 7. Указанные изменения коллекторных токов транзисторов 7 и 8 приводят к соответствующим изменениям токов эмиттеров транзисторов 9 и 10, включенных по схеме с ОБ. Увеличение тока эмиттера транзистора 10 приводит к увеличению коллекторного тока этого транзистора и 40 тока .стока нагрузочного полевого транзистора 12, что приводит к возрастанию напряжения на динамической нагрузке 6, и соответственно к уменьшению выходного напряжения усилите- 45 ля 5. Поскольку выходное напряжение усилителя 5 становится более отрицательным, то оно через проходной диод

13 вызывает уменьшение напряжения на затворе полевого транзистора 2 и, gp следовательно, на выходе регулирующего элемента 1 и стабилизатора в целом. Оставшаяся нескомпенсирован-. ной некоторая, часть изменения выходного напряжения стабилизатора имеет незначительную величину благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя 5 и представляет собой ошибку стабилизации, т.е. нестабильность выходного напряжения. Следовательно,коэффициент стабилизации имеет большую ЬО величину. Эффект действия динамичес" кой нагрузки усилителя 5, т.е. полуемого стабилизатора напряжения, т.е. более "быстрая" реакция на изменения выходного напряжения и тока нагрузки, обусловлено следующими особенносятми схемы. Во-первых, напряжение на переходах коллектор-база входных транзисторов 7 и 8 усилителя 5 имеют малую величину и практически не изменяются благодаря связи базы усилительных транзисторов 9 и 10 с выходом 17 резистивно-диодной цепочки 18, включенной в эмиттерной цепи дополнительного транзистора 19. Следовательно, перазитная емкость переходов коллектор-база входных транзисторов

7 и 8 имеет малую величину, и практически не происходит ее перезаряд чение большого выходного сопротивления нагрузки, обусловлен несколькими факторами. Во-первых, при возрастании Я тока стока увеличивается напряжение на переходе сток-исток нагрузочного полевого транзистора 12 пропорционально его внутреннему сопротивлению, которое дополнительно увеличивается благодаря наличию в цепи истока резистора 14 и диода 15. Во-вторых, выходное сопротивление динамической нагрузки 6 усилителя 5 возрастает в нексолько раз (в 4-5 раз) за счет уменьшения напряжения на затворе наг рузочного полевого транзистора 12, обусловленного уменьшением напряжения на переходе коллектор-база нагрузочного биполярного транзистора 16 вследствие отмеченного уменьшения коллекторного тока этого транзистора. Аналогично работает стабилизатор и при воздействии другого дестабилизирующего фактора — изменения тока нагрузки.

Уменьшение тока нагрузки вызывает увеличение выходного напряжения стабилизатора, что приводит к увеличению потенциала базы выходного транзистора 8 усилителя 5 обратной связи, а следовательно, к увеличению тока.эмиттера и коллектора транзистора 8, увеличению тока крллектора транзистора 10 и тока стока нагрузочного полевого транзистора 12. Вследствие этого напряжения на динамической нагрузке 6 возрастает, а выходное напряжение усилителя 5 и напряжение на затворе полевого транзистора 2 уменьшаются, что приводит к уменьшению напряжения на выходе регулирующего элемента 1. В результате увеличение выходного напряжения, вызванное изменением тока нагрузки, оказывается скомпенсированным с большой точностью. Следовательно, значительное увеличение коэффициента усиления усилителя 5, обусловленное применением сложной динамической нагрузки 6 с высоким выходным сопротивлением, позволяет существенно уменьшить выходное сопротивление стабилизатора в широком диапазоне регулирования выходного напряжения.

Повышение быстродействия предлага922698 при изменениях токов переходов этих транзисторов. Это обстоятельство вместе с тем фактором, что нагрузкой входных транзисторов 7 и 8 являются низкоомные входные сопротивления усилительных транзисторов 9 и 10, обуславливает высокое быстродействие работы входных- транзисторов 7 и

8, хотя они и включены по схеме с

ОЭ. Во-вторых, включение усилительных транзисторов 9 и 10,по схеме с

ОБ позволяет обеспечить высокое быст. родействие их работы иэ-за высокой граничной частоты коэффициента усиле ния по току, малой входной емкости, отсутствия известного "эффекта Ииллера", а также высокого выходного 35 сопротивления динамической нагрузки б усилителя 5.

Предлагаемая схема компенсационного стабилизатора напряжения поэво лила, увеличить коэффициент стабили- Я зации в 3-4 раза, снизить выходное сопротивление в 4-5 раз и получить высокое быстродействие (1,5-2 мкс),; которое не достигнуто ни в одном иэ известных стабилизаторов напряжения. 5

При этом предел регулирования выходного напряжения составляет 3В-ЗОВ..

Предлагаемый компенсационный стабилизатор напряжения реализуется, в виде интегральной микросхемы, вы-. полненной по гибридно-пленочной тех-: нологии. Это позволяет обеспечить хорошую воспроизводимость и стабильность параметров стабилизатора, снизить влияние паразитных емкостей

35 монтажа, что.очень важно для обеспечения высокого быстродействия. В результате значительно расширяются функциональные возможности стабилизатора напряжения, что позволяет удовлетворить практически все требо- ® вания, предъявляемые к источникам питания прецизионных устройств аппаратуры для научных исследований .

Формула изобретения

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий элемент с полевым транзисто- g() роМ на входе, источник опорного напряжения, подключенный к выходным выводам стабилизатора, дифференциальный усилитель обратной связи с включенными по, схеме с общим эмиттером входными транзисторами, одним входом соединенными с выходом источника опор ного напряжения, а другим - с выходом делителя выходного напряжения, причем динамическая нагрузка дифферен циального усилителя обратной связи включает в себя биполярный транзистор и диод, отличающий с я тем, что,с целью расширения функциональных возможностей стабилизатора путем повышения его коэффициента ста« билиэации, уменьшения выходного сопротивления и увеличения быстродействия в широком диапазоне регулирования выходного напряжения, он снабжен парой усилительных транзисторов, эмиттерами соединенных с коллекторами транзисторов дифференциального усилителя обратной связи, полевым транзистором динамической нагрузки, исток которого через введенный дополнительный резистор подключен к базе биполярного транзистора и аноду диода динамической нагрузки, сток - к колектору одного из усилительных транзисторов и через введенный проходной диод — к управляющему входу регулирующего элемента, затвор — к коллектору другого усилительного транзистора и коллектору биполярного, транзистора динами-.

:ческой нагрузки, причем общая точка без усилительных транзисторов соединена с выходом введенной резистивно диодной цепочки, включенной между входным силовым выводом регулирую щего элемента и эмиттером введенного вспомогательного транзистора, база которого подключена к эмиттера". входных транзисторов усилителя обратной связи, а коллектор - к общей шине стабилизатора.

Источцики информации, принятые во внимание нри экспертизе

1. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения. М., "Энергия", 1979.

2. Компенсационный стабилизатор напряжения ЬИ 376.фирмы National Semiconductor (СЫА), "Т.inear integrated circuit" D.A.Т.A.Book, 1976.

3. КомпенсационнЫй стабилизатор в интегральном исполнении типа

ВС 562 фирмы General Instruments (C2IA)1 "Linear integrated circuit4

D.A.T ° A.Book, 1976.

922698

Составитель С.Ситко

Редактор В.Данко Техред Т. Маточка Корректор М.Пожо

Заказ 2579/62 Тираж 908 Подпи си ое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, Ул. Проектная, 4