Стабилизатор постоянного напряжения

Стабилизатор постоянного напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

В настоящее время известен стабилизатор постоянного напряжения (Datasheet search site Linear Technology Corporation LT1248), содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через конденсатор входного фильтра со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через конденсатор выходного фильтра с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, вход питания которого присоединен ко второму выходному выводу, общий вывод - к первому выходному выводу, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора, параллельно которому включен первый конденсатор, эмиттер подключен ко второму входному выводу, а коллектор через второй резистор - ко второму выходному выводу и к базе второго транзистора, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь с затвором регулирующего полевого транзистора.

Недостатком известного устройства является низкая надежность в связи с тем, что при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) система управления стабилизатором постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования, и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Известен также стабилизатор постоянного напряжения (Datasheet search site Fairchild Semiconductor Corporation FAN7529), содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через конденсатор входного фильтра со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через конденсатор выходного фильтра с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, вход питания которого присоединен ко второму выходному выводу, общий вывод - к первому выходному выводу, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора, параллельно которому включен первый конденсатор, эмиттер подключен ко второму входному выводу, а коллектор через второй резистор - ко второму выходному выводу и к базе второго транзистора, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь с затвором регулирующего полевого транзистора, при этом блок управления содержит усилитель обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, второй вход - к выходу опорного элемента, а выход - к первому входу формирователя пилообразного напряжения.

Недостатком известного устройства является низкая надежность в связи с тем, что при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) система управления стабилизатором постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования, и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Наиболее близким техническим решением является стабилизатор постоянного напряжения (Патент на изобретение №2564106 от 26.06.2014 г.), содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через конденсатор входного фильтра со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через конденсатор выходного фильтра с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, вход питания которого присоединен ко второму выходному выводу, общий вывод - к первому выходному выводу, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора, параллельно которому включен первый конденсатор, эмиттер подключен ко второму входному выводу, а коллектор через второй резистор - ко второму выходному выводу и к базе второго транзистора, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь с затвором регулирующего полевого транзистора, при этом блок управления содержит усилитель обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, второй вход - к выходу опорного элемента, а выход - к первому входу формирователя пилообразного напряжения, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход - ко входу компаратора, выход которого подключен к первому выходному выводу блока управления.

Недостатком известного устройства является низкая надежность в связи с тем, что при большой скважности управляющего напряжения на затворе полевого транзистора (малых длительностях отпирающих импульсов) система управления стабилизатором постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования, и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Целью изобретения является повышение надежности стабилизатора постоянного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в заявленное устройство, содержащее регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через конденсатор входного фильтра со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через конденсатор выходного фильтра с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого присоединен к первому выходному выводу, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора, параллельно которому включен первый конденсатор, эмиттер подключен ко второму входному выводу, а коллектор через второй резистор - ко второму выходному выводу и к базе второго транзистора, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь с затвором регулирующего полевого транзистора, при этом блок управления содержит усилитель обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, второй вход - к выходу опорного элемента, а выход - к первому входу формирователя пилообразного напряжения, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход - к входу компаратора, выход которого подключен к первому выходному выводу блока управления, согласно изобретению введен второй транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены параллельно коллектору и эмиттеру первого транзистора, а база - ко второму выходному выводу блока управления, образованному выходным выводом расширителя импульсов, вход которого подключен к выходу генератора импульсов.

При этом в предложенном устройстве расширитель импульсов может быть выполнен на основе логической схемы И, первый вход которой подключен к входному выводу расширителя импульсов, соединенному через интегрирующую RC-цепь со вторым входом логической схемы И, выход которой соединен через разделительный конденсатор со средним выводом резистивного делителя напряжения, включенного между вторым выходным выводом и выходным выводом блока управления.

Кроме того, усилитель обратной связи может быть выполнен по схеме дифференциального усилителя, эмиттеры дифференциальной пары транзисторов которого соединены через третий резистор со вторым выходным выводом и через четвертый резистор - с первым входным выводом.

В результате поиска патентной и иной научно-технической информации авторами не обнаружены технические решения, в которых содержится совокупность отличительных признаков предложенного технического решения. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема электрическая стабилизатора постоянного напряжения, на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений на элементах устройства.

Стабилизатор постоянного напряжения на фиг. 1 содержит регулирующий полевой транзистор 1, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода 2 и первого резистора 3, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода 4 и первого вывода дросселя 5, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу 6, соединенному через конденсатор входного фильтра 7 со вторым входным выводом 8, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора 1 и первым выходным выводом 9, соединенным через конденсатор выходного фильтра 10 с точкой соединения катода переключающего диода 4, второго выходного вывода 11 и первого вывода выходного делителя напряжения 12, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу 9, а средняя точка - к измерительному входу блока управления 13, общий вывод которого присоединен к первому выходному выводу 9, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора 14, параллельно которому включен первый конденсатор 15, эмиттер подключен ко второму входному выводу 8, а коллектор через второй резистор 16 - ко второму выходному выводу 11 и к базе второго транзистора 17, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод 18, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу 11, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь 19 с затвором регулирующего полевого транзистора 1, при этом блок управления 13 содержит усилитель обратной связи 20, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления 13, второй вход - к выходу опорного элемента 21, а выход подсоединен к первому входу формирователя пилообразного напряжения 22, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов 23, а выход - ко входу компаратора 24, выход которого подключен к первому выходному выводу блока управления 13, согласно изобретению в него введен второй транзистор 25, коллектор и эмиттер которого подключены параллельно коллектору и эмиттеру первого транзистора 14, а база - ко второму выходному выводу блока управления 13, образованному выходным выводом расширителя импульсов 26, вход которого подключен к выходу генератора импульсов 23.

При этом в предложенном устройстве расширитель импульсов 26 может бать выполнен на основе логической схемы И 27, первый вход которой подключен к входному выводу расширителя импульсов 26, соединенному через интегрирующую RC-цепь 28 со вторым входом логической схемы И 27, выход которой соединен через разделительный конденсатор 29 со средним выводом резистивного делителя напряжения 30, включенного между вторым выходным выводом 11 и вторым выходным выводом блока управления 13.

Кроме того, усилитель обратной связи 20 может быть выполнен по схеме дифференциального усилителя, эмиттеры дифференциальной пары транзисторов которого соединены через третий резистор 31 со вторым выходным выводом 11 и через четвертый резистор 32 - с первым входным выводом 6.

На фиг. 2 приведены:

- диаграмма напряжения на выходе генератора импульсов 23-33;

- диаграмма напряжения на входе компаратора 24-34;

- диаграмма напряжения на выходе компаратора 24-35;

- диаграмма напряжения на выходе расширителя импульсов 26-36;

- диаграмма напряжения на затворе полевого транзистора 1-37;

- диаграмма напряжения на стоке полевого транзистора 1-38.

Стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. Допустим, в начальный момент времени t₀ (фиг. 2) на выходах генератора импульсов 23 и формирователя пилообразного напряжения 22 напряжение близко к нулю, при этом первый транзистор 14 закрыт, а второй транзистор 25 открыт, так как на втором выходе блока управления 13 имеется отпирающее напряжение.

В момент времени t₁ изменяется напряжение на выходе генератора импульсов 23. По этому фронту запускается формирователь пилообразного напряжения 22. Через некоторое время t₂, определенное величиной интегрирующей цепи 28 расширителя импульсов 26, происходит изменение выходного напряжения на втором выходе блока управления 13 и запирается второй транзистор 25, при этом происходит подача отпирающего напряжения на затвор полевого транзистора 1. Транзистор 1 отпирается и остается открытым до момента времени t₃, когда величина пилообразного напряжения сравняется с порогом срабатывания компаратора 24. В этот момент происходит отпирание первого транзистора 14 и подача запирающего напряжения на затвор транзистора 1.

В момент времени t₄ изменяется напряжение на выходе генератора импульсов 23. По этому фронту изменяется напряжение на выходе расширителя импульсов 26 и происходит отпирание второго транзистора 25, а на входе первого транзистора 14 появляется запирающее напряжение с выхода компаратора 24 после обнуления напряжения на выходе формирователя 22. Таким образом, момент отпирания полевого транзистора 1 определяется сигналом с выхода расширителя импульсов 26, а запирание - с выхода компаратора 24. При увеличении входного напряжения происходит увеличение тока заряда конденсатора формирователя пилообразного напряжения 22 с выхода усилителя обратной связи 20 и, следовательно, уменьшение длительности импульса на выходе компаратора 24 и на входе транзистора 1. Таким образом, происходит стабилизация напряжения на выходе устройства.

При работе стабилизатора постоянного напряжения по мере увеличения входного напряжения длительность управляющих импульсов на затворе транзистора 1 уменьшается и может приблизиться к нулю. При этом, вследствие наличия первого конденсатора 15, при приближении длительности импульса управления на затворе транзистора 1 к некоторой критической величине t₆ транзистор 1 перестает работать в ключевом режиме, а переходит в линейный режим работы, и процесс накопления энергии в дросселе 5 замедляется. В дальнейшем, при увеличении входного напряжения и снижении требуемой величины накопления энергии дросселем 5, снижается амплитуда импульса управления и величина изменения напряжения на стоке транзистора 1, а длительность импульса управления (t₆, t₇) практически не изменяется. При этом удается избежать потери устойчивости системы стабилизации выходного напряжения и возникновения колебаний выходного напряжения с недопустимой амплитудой при значительном уменьшении длительности импульсов управления.

Введение второго транзистора 25, коллектор и эмиттер которого подключены параллельно коллектору и эмиттеру первого транзистора 14 и расширителя импульсов 26, вход которого подключен к выходу генератора импульсов 23, позволило использовать дешевую низкочастотную элементную базу при изготовлении устройства, сохранив надежность функционирования системы стабилизации выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (температура, время, радиация и т.п.).

Выполнение усилителя обратной связи 20 по схеме дифференциального усилителя, эмиттеры дифференциальной пары транзисторов которого соединены через третий резистор 31 со вторым выходным выводом 11 и через четвертый резистор 32 - с первым входным выводом 6, позволило ввести дополнительный контур параметрического управления в стабилизатор постоянного напряжения. Это позволило добиться инвариантности выходного напряжения стабилизатора и тем самым повысить надежность функционирования системы стабилизации выходного напряжения при воздействии значительных скачкообразных колебаний входного напряжения.

1. Стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий полевой транзистор, затвор которого шунтирован параллельной цепью из обратно включенного защитного диода и первого резистора, а сток подключен к точке соединения анода переключающего диода и первого вывода дросселя, второй вывод которого подсоединен к первому входному выводу, соединенному через конденсатор входного фильтра со вторым входным выводом, объединенным с истоком регулирующего полевого транзистора и первым выходным выводом, соединенным через конденсатор выходного фильтра с точкой соединения катода переключающего диода, второго выходного вывода и первого вывода выходного делителя напряжения, второй вывод которого подсоединен к первому выходному выводу, а средняя точка - к измерительному входу блока управления, общий вывод которого присоединен к первому выходному выводу, а первый выходной вывод - к базе первого транзистора, параллельно которому включен первый конденсатор, эмиттер подключен ко второму входному выводу, а коллектор через второй резистор - ко второму выходному выводу и к базе второго транзистора, параллельно базо-эмиттерному переходу которого включен второй диод, коллектор подсоединен ко второму выходному выводу, а эмиттер соединен через последовательную RC-цепь с затвором регулирующего полевого транзистора, при этом блок управления содержит усилитель обратной связи, первый вход которого подсоединен к входному выводу блока управления, второй вход - к выходу опорного элемента, а выход - к первому входу формирователя пилообразного напряжения, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход - к входу компаратора, выход которого подключен к первому выходному выводу блока управления, отличающийся тем, что введен второй транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены параллельно коллектору и эмиттеру первого транзистора, а база - ко второму выходному выводу блока управления, образованному выходным выводом расширителя импульсов, вход которого подключен к выходу генератора импульсов.

2. Стабилизатор постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что расширитель импульсов выполнен на основе логической схемы И, первый вход которой подключен к входному выводу расширителя импульсов, соединенному через интегрирующую RC-цепь со вторым входом логической схемы И, выход которой соединен через разделительный конденсатор со средним выводом резистивного делителя напряжения, включенного между вторым выходным выводом и выходным выводом блока управления.

3. Стабилизатор постоянного напряжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что усилитель обратной связи выполнен по схеме дифференциального усилителя, эмиттеры дифференциальной пары транзисторов которого соединены через третий резистор со вторым выходным выводом и через четвертый резистор - с первым входным выводом.