Компенсационный стабилизатор напряжения
COMPENSATION VOLTAGE STABILIZER

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).
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
Компенсационный стабилизатор напряжения содержит: три резистора; полевой транзистор с -переходом и каналом; три биполярных транзистора  типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с -переходом и каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора  типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с -переходом и каналом и коллектору второго биполярного транзистора  типа; сток полевого транзистора с -переходом и каналом подключен к базе второго биполярного транзистора  типа и коллектору первого биполярного транзистора  типа; эмиттер первого биполярного транзистора  типа подключен к общей шине; эмиттер второго биполярного транзистора  типа подключен к базе третьего биполярного транзистора  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):
n-p-n
где  - дифференциальные сопротивления эмиттера первого биполярного транзистора  типа и стабилитрона соответственно;
- сопротивление второго резистора;
n-p-n
и  - коэффициенты передачи по току в схеме с общим эмиттером первого и третьего биполярных транзисторов  типа соответственно;
n-p-n
n-p-n
- коэффициент преобразования тока коллектора первого биполярного транзистора  типа в ток эмиттера второго биполярного транзистора  типа
где  - сопротивление первого резистора;
- сопротивление третьего резистора;
р-n
р-
- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора с -переходом и каналом;
n-p-n
- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером второго биполярного транзистора  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.
Т
Т
Т
Т
На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = 0, = 27, = 54,  = 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.
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
Технический результат достигается тем, что в компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий: три резистора; полевой транзистор с -переходом и каналом; три биполярных транзистора  типа; стабилитрон, причем первый резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора с -переходом и каналом; второй резистор подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе первого биполярного транзистора  типа и аноду стабилитрона; третий резистор подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора с -переходом и каналом и коллектору второго биполярного транзистора  типа; сток полевого транзистора с -переходом и каналом подключен к базе второго биполярного транзистора  типа и коллектору первого биполярного транзистора  типа; эмиттер второго биполярного транзистора  типа подключен к базе третьего биполярного транзистора  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  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.
Т
Т
Т
Т
На фиг. 2 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = 0, = 27, = 54, = 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.
Т
Т
Т
Т
На фиг. 5 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = 0, = 27, = 54, = 81), при входном напряжении  и токе нагрузки [1; 110] мА.
Осуществление изобретения
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
р-n
р-
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: резисторы 1, 2, 3; полевой транзистор 4 с -переходом и каналом; биполярные транзисторы 5, 6, 7  типа; стабилитроны 8; диод 9, причем резистор 1 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к истоку полевого транзистора 4 с -переходом и каналом; резистор 2 подключен вторым выводом к общей шине, а первым выводом - к базе биполярного транзистора 5  типа и аноду стабилитрона 8; резистор 3 подключен первым выводом к шине питания, а вторым выводом - к затвору полевого транзистора 4 с -переходом и каналом и коллектору биполярного транзистора 6  типа; сток полевого транзистора 4 с -переходом и каналом подключен к базе биполярного транзистора 6  типа и коллектору биполярного транзистора 5  типа; эмиттер биполярного транзистора 6  типа подключен к базе биполярного транзистора 7  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  типа, а катод - к общей шине.
Компенсационный стабилизатор напряжения работает следующим образом.
n-p-n
U
вых
Выходное напряжение стабилизатора определяется суммой напряжений база-эмиттер биполярного транзистора 5  типа, диода 9 и стабилитрона 8. Следовательно, приращение выходного напряжения d, возникающее при воздействии дестабилизирующих факторов, определяется выражением (4):
U
U
U
n-p-n
ст.8
д.9
бэ.5
где d, d и d - приращения напряжений стабилитрона 8, диода 9 и база-эмиттер биполярного транзистора 5  типа соответственно.
U
U
U
n-p-n
ст.8
д.9
бэ.5
Приращения напряжений d, d и d можно выразить через соответствующие приращения токов стабилитрона 8, диода 9 и эмиттера биполярного транзистора 5  типа
где  и  - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока стабилитрона 8;
и  - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока диода 9;
n-p-n
и  - соответственно, дифференциальное сопротивление и приращение тока эмиттера биполярного транзистора 5  типа.
С учетом условия (6)
выражение (5) примет вид:
n-p-n
Ток стабилитрона 8  равен сумме тока резистора 2 и тока базы биполярного транзистора 5  типа. Следовательно, приращение  определится выражением:
n-p-n
где  и- приращения тока резистора 2 и базы биполярного транзистора 5  типа соответственно;
R
2
- сопротивление резистора 2;
n-p-n
- коэффициент передачи по току биполярного транзистора 5  типа в схеме с общим эмиттером.
n-p-n
Ток эмиттера биполярного транзистора 7  типа равен сумме токов нагрузки и стабилизатора 8. Следовательно, справедливо выражение
n-p-n
где  и  - приращения тока эмиттера биполярного транзистора 7  типа и тока нагрузки соответственно.
Приращение тока  можно выразить через :
где  - коэффициент передачи по току транзистора 7 в схеме с общим эмиттером;
n-p-n
n-p-n
- коэффициент преобразования тока коллектора биполярного транзистора 5  типа в ток эмиттера биполярного транзистора 6  типа
n-p-n
n-p-n
где  и  - приращения тока коллектора биполярного транзистора 5  типа и тока эмиттера биполярного транзистора 6  типа соответственно.
K
6
Для определения параметра  учтем следующее:
р-n
р-
где  - приращение тока стока полевого транзистора 4 с -переходом и каналом;
n-p-n
- коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером биполярного транзистора 6  типа.
где  и  - приращение напряжения на резисторах 1 и 3 соответственно;
р-n
р-
- приращение напряжения затвор-исток полевого транзистора 4 с -переходом и каналом.
Уравнение (13) запишем через приращения токов
где  - сопротивление резистора 1;
- сопротивление резистора 3;
р-n
р-
- крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 4 с -переходом и 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.