СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
ELECTRONIC CIRCUIT SUPPLY VOLTAGE STABILIZER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием.
Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя, к базе которого подключен источник опорного напряжения, состоящий из резистора и стабилитрона [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд 2-е М.: Издательство БИНОМ, - 2014. - 704 с., ил., стр. 76 рис. 2.12,]. Вследствие значительных потерь мощности на стабилитроне такой стабилизатор оказывается не приемлемым для использования в микромощных электронных устройствах с автономным электропитанием.
Известен также стабилизатор тока [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд 2-е М.: Издательство БИНОМ, - 2014. - 704 с., ил., стр. 135 рис. 3.16, стр. 136 рис. 3.19], содержащий полевой транзистор с р-n переходом, в котором сток подключен через нагрузку к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения, к истоку подключен резистор, а второй вывод резистора и затвор транзистора соединены с общей шиной источника. При этом величина стабилизируемого тока определяется характеристикой полевого транзистора, что сужает область его использования.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является 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.
Однако известный стабилизатор напряжения имеет сложную схему.
Технический результат предлагаемого решения заключается в упрощении схемы при одновременном повышении КПД.
Технический результат достигается тем, что в стабилизаторе напряжения, содержащем регулирующий биполярный транзистор в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения, полевой транзистор с р-n переходом и одинаковой с биполярным транзистором проводимостью канала, 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 регулирующего 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.
Новым качеством, необнаруженным в патентной и научно-технической литературе, является то, что в заявленном устройстве источником тока базы регулирующего биполярного транзистора служит полевой транзистор с р-n переходом и одинаковой с биполярным транзистором проводимостью канала, между истоком и затвором которого включен первый резистор, величина стабилизированного выходного напряжения устанавливается вторым резистором, а включенные последовательно с ним диоды обеспечивают стабильность выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды.
На фиг. 1 представлена схема стабилизатора напряжения.
Стабилизатор напряжения содержит источник нестабильного напряжения положительной полярности 1, полевой транзистор с р-n переходом и n-каналом 2, первый резистор 3, второй резистор 4, диоды 5, 6, биполярный транзистор 7, и сопротивление нагрузки 8.
Стабилизатор напряжения работает следующим образом. При увеличении напряжения источника 1 полевой транзистор 2 с резистором 3 работает как стабилизатор тока базы регулирующего транзистора. Поскольку регулирующий транзистор 7 включен по схеме эмиттерного повторителя, за счет отрицательной обратной связи при постоянном токе базы величина изменения напряжения в нагрузке 8 оказывается существенно меньше величины прироста напряжения источника и, таким образом, осуществляется стабилизация уровня выходного напряжения.
Максимальная величина выходного напряжения стабилизатора при минимальном напряжении источника может быть только такой, чтобы их разность поддерживала полевой и биполярный транзисторы в активном режиме.
Исходя из требуемой величины выходного напряжения стабилизатора и тока нагрузки по коэффициенту усиления биполярного транзистора определяется его ток базы и необходимое напряжение на базе. Величины резисторов 3, 4 выбираются таким образом, чтобы ток делителя был существенно меньше расчетного тока базы. При минимально возможном напряжении источника подбирается величина первого резистора 3 таким образом, чтобы при увеличении напряжения источника изменение уровня напряжения на истоке полевого транзистора и, соответственно, на базе биполярного транзистора не превышало плюс 5% от первоначальной величины. При этом величина напряжения между истоком и затвором является напряжением отсечки полевого транзистора, которое определяется суммой тока базы биполярного транзистора и тока резисторного делителя. Как правило, эта величина напряжения оказывается недостаточной для открытия биполярного транзистора, поэтому для установки необходимого напряжения в нагрузке служат два последовательно включенных диода 5, 6 и второй резистор 4.
При понижении температуры окружающей среды увеличивается напряжение база-эмиттер на регулирующем транзисторе 7, что при постоянном напряжении на базе приводит к падению уровня выходного напряжения. Однако одновременное увеличение напряжения на диодах 5.6 при постоянном токе делителя увеличивает напряжение на базе регулирующего транзистора и тем самым компенсируется негативное изменение уровня напряжения в нагрузке.
При повышении температуры окружающей среды происходит противоположный процесс изменения уровней напряжений, что также снижает негативное влияние температуры на уровень напряжения в нагрузке.
Поскольку в предложенном стабилизаторе ток в нагрузке является током эмиттера регулирующего транзистора, который включает в себя также ток базы, ток источника превышает ток в нагрузке на величину тока резисторного делителя. Таким образом, под коэффициентом полезного действия следует понимать отношение тока в нагрузке к сумме токов нагрузки и резисторного делителя.
В таблице приведены результаты работы стабилизатора напряжения, собранного по вышеприведенной схеме, где используется полевой транзистор с р-n переходом и n-каналом типа 2П302Б1/ДА АЕЯР.432140.510 ТУ, кремниевый планарный n-p-n транзистор 2Т653Б aA0.339.307 ТУ, диоды 2ДС523ВР ТТ3.362.143ТУ Дополнение №2, сопротивление нагрузки 110 Ом.
Увеличение тока базы регулирующего транзистора при отрицательной температуре вызвано снижением коэффициента передачи по току базы.