ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Изобретение относится к области электротехники, в частности к импульсным стабилизаторам напряжения.
Уровень техники
Известен параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий опорный стабилитрон, транзистор и резистор. Входная шина стабилизатора напряжения соединена непосредственно с коллектором транзистора и через резистор с катодом опорного стабилитрона. Анод опорного стабилитрона соединен с общей шиной. База транзистора соединена с катодом опорного стабилитрона. Эмиттер транзистора соединен с выходной шиной стабилизатора напряжения. (Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. - М.: Энергия, 1978. С. 53, рис. 2-86).
Недостатком указанного стабилизатора напряжения является низкий коэффициент полезного действия (кпд), связанный с большими потерями энергии в цепях транзистора и опорного стабилитрона, возрастающими с ростом напряжения питания.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является импульсный стабилизатор напряжения (патент RU №2216765, МГЖ G05F 1/56).
Импульсный стабилизатор напряжения содержит шину начальной установки, входную шину, ключевой элемент, фильтр, схему сравнения, схему управления, выходную шину. Ключевой элемент содержит первый транзистор p-n-p-типа, второй транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы. Фильтр содержит диод и конденсатор. Схема сравнения содержит транзистор p-n-p-типа, стабилитрон, диод, первый и второй резисторы. Схема управления содержит генератор импульсов, RS-триггер, инвертор с открытым стоком. Входная шина соединена со входом ключевого элемента, который через первый резистор соединен с базой второго транзистора, коллектором первого транзистора, выходом схемы управления и с катодом диода схемы сравнения, а через второй резистор соединен с эмиттером первого транзистора, база которого соединена с коллектором второго транзистора, являющегося выходом ключевого элемента, и соединенного со входом схемы сравнения и со входом фильтра. Вход схемы сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора и через первый резистор, соединен с анодом диода, базой транзистора, катодом стабилитрона, анод которого соединен с общей шиной устройства, а коллектор транзистора, являющийся выходом схемы сравнения, через резистор, соединен с общей шиной. Вход фильтра, соединен с анодом диода, катод которого непосредственно соединен с выходной шиной и через конденсатор соединен с общей шиной. Выход схемы сравнения соединен с S-входом RS-триггера, первый R-вход которого соединен с выходом генератора, второй R-вход RS-триггера соединен с шиной начальной установки. Прямой выход RS-триггера через инвертор с открытым стоком соединен с выходом схемы управления.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности обусловленные:
низкой температурной стабильностью выходного напряжения (узким диапазоном рабочих температур) в случае широкого диапазона выходных напряжений;
узким диапазоном выходных напряжений при высокой температурной стабильности (широком диапазоне рабочих температур).
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к расширению функциональных возможностей обусловленных обеспечением высокой температурной стабильности выходного напряжения (широкого диапазона рабочих температур) при одновременном расширении диапазона выходных напряжений.
Технический результат достигается тем, что в импульсный стабилизатор напряжения содержащий: шину начальной установки; входную шину; ключевой элемент - содержащий первый транзистор p-n-p-типа, второй транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы; фильтр - содержащий диод и конденсатор; схему сравнения - содержащую транзистор p-n-p-типа, первый стабилитрон, диод, первый и второй резисторы; схему управления - содержащую генератор импульсов, RS-триггер, инвертор с открытым стоком; выходную шину, соединенную со входом ключевого элемента, который через первый резистор соединен с базой второго транзистора, коллектором первого транзистора, выходом схемы управления и с катодом диода схемы сравнения, а через второй резистор соединен с эмиттером первого транзистора, база которого соединена с коллектором второго транзистора, являющегося выходом ключевого элемента, и соединенного со входом схемы сравнения и со входом фильтра, вход схемы сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора и через первый резистор, соединен с анодом диода, базой транзистора, катодом первого стабилитрона, а коллектор транзистора, соединенный с общей шиной через второй резистор, является выходом схемы сравнения соединенным с входом фильтра, который соединен с анодом диода, катод которого непосредственно соединен с выходной шиной, а через конденсатор соединен с общей шиной, и с S-входом RS-триггера, первый R-вход которого соединен с выходом генератора, второй R-вход RS-триггера соединен с шиной начальной установки, прямой выход RS-триггера через инвертор с открытым стоком соединен с выходом схемы управления, введен второй стабилитрон однотипный первому стабилитрону схемы сравнения, причем введенный стабилитрон включен встречно первому стабилитрону, анодом к аноду первого стабилитрона, а катодом к общей шине устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения.
Осуществление полезной модели
Импульсный стабилизатор напряжения (фиг.) содержит входную шину 1, ключевой элемент 2, фильтр 3, схему 4 сравнения, схему 5 управления, выходную шину 6, общую шину 7, шину 8 начальной установки. Ключевой элемент 2 содержит первый резистор 9, второй резистор 10, первый транзистор 11 p-n-p-типа, второй транзистор 12 n-p-n-типа, фильтр 3 содержит диод 13 и конденсатор 14. Схема сравнения 4 содержит первый резистор 15, диод 16, транзистор 17 p-n-p-типа, первый стабилитрон 18, второй стабилитрон 19, второй резистор 20. Схема 5 управления содержит генератор 21 импульсов, RS-триггер 22, инвертор 23 с открытым стоком. Входная шина 1 соединена со входом ключевого элемента 2, который через первый резистор 9 соединен с базой второго транзистора 12, коллектором первого транзистора 11, выходом схемы 5 управления и с катодом диода 16 схемы 4 сравнения, а через второй резистор 10 соединен с эмиттером первого транзистора 11, база которого соединена с коллектором второго транзистора 12, являющегося выходом ключевого элемента 2, и соединенного со входом схемы 4 сравнения и со входом фильтра 3. Вход схемы 4 сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора 17 и через первый резистор 15, соединен с анодом диода 16, базой транзистора 17, катодом первого стабилитрона 18, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон 19, соединен с общей шиной 7 устройства, а коллектор транзистора 17, являющийся выходом схемы 4 сравнения, через второй резистор 20, соединен с общей шиной 7. Вход фильтра 3, соединен с анодом диода 13, катод которого непосредственно соединен с выходной шиной 6 и через конденсатор 14 соединен с общей шиной 7. Выход схемы 4 сравнения соединен с S-входом RS-триггера 22, первый R-вход которого соединен с выходом генератора 21, второй R-вход RS-триггера 22 соединен с шиной 8 начальной установки. Прямой выход RS-триггера 22 через инвертор 23 с открытым стоком соединен с выходом схемы 5 управления. В качестве генератора 21 может быть использован любой автоколебательный генератор прямоугольных импульсов с раздельной регулировкой периода колебаний и длительности импульса, выполненный на базе КМОП-вентилей (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1993, том 3. С. 236, рис. 14.35).
Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом.
На входную шину 1 подается постоянное напряжение питания, одновременно с его подачей или несколько ранее подается питание на генератор 21, RS-триггер 22 и инвертор 23 (цепи питания последних не показаны). Кроме того, одновременно с фронтом напряжения питания, подаваемого на шину 1, на шине 8 необходимо сформировать короткий импульс начальной установки, устанавливающий RS-триггер 22 в нулевое состояние. При этом на прямом выходе RS-триггера 22 устанавливается потенциал “лог. 0”, выходной транзистор инвертора 23 закрыт. Транзистор 12 открывается за счет протекания тока по цепи: входная шина 1, резистор 9, переход база - эмиттер транзистора 12, диод 11, конденсатор 14 (в исходном состоянии разряжен). Транзистор 11 также открывается за счет протекания тока по цепи: входная шина 1, резистор 10, переход эмиттер - база транзистора 11, переход коллектор - эмиттер транзистора 12, диод 13, конденсатор 14. Открывающийся транзистор 11 еще более увеличивает базовый и коллекторный ток транзистора 12, т.е. в схеме действует положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному открыванию и переходу в режим насыщения транзисторов 11 и 12. В дальнейшем транзисторная структура, входящая в состав ключевого элемента (транзисторы 11, 12), сама поддерживает себя в открытом состоянии, обеспечивая заряд конденсатора 14.
Указанная структура представляет собой основу транзисторного эквивалента двухбазового диода (ЭДД). В процессе заряда конденсатора 14 напряжение на эмиттере транзистора 17 возрастает, но ток базы транзистора 17 отсутствует, поскольку стабилитрон 18 имеет высокое сопротивление (стабилитрон 19 открыт), транзистор 17 закрыт; на выходе схемы 4 сравнения - потенциал, близкий к нулевому. При достижении напряжением на входе схемы 4 сравнения порога открывания стабилитрона 18 открывается транзистор 17. На выходе схемы 4 появляется высокий потенциал, переключающий RS-триггер 22 в состояние “лог. 1”. Резистор 15 осуществляет привязку потенциала базы транзистора 17 к потенциалу его эмиттера. Резистор 20 является коллекторной нагрузкой транзистора 17. Диод 16 осуществляет защиту эмит-терных переходов транзисторов 12 и 17 от обратного напряжения. После переключения RS-триггера 22 в состояние “лог. 1” на выходе инвертора 23 устанавливается сигнал “лог. 0”, вызывающий закрывание транзисторов 11, 12. Потенциал на входе схемы 4 сравнения снижается практически до нулевого, транзистор 17 закрывается, потенциал на S-входе RS-триггера 22 также становится близким к нулевому. В дальнейшем до момента появления импульса на выходе генератора 21 питание нагрузки импульсного стабилизатора напряжения осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторе 14. При появлении импульса положительной полярности на выходе генератора 21 RS-триггер 22 снова переключается в состояние “лог. 0”, инвертор 23 закрывается по выходу; в результате лавинообразно открываются транзисторы 11, 12 ключевого элемента 2 и происходит подзаряд конденсатора 14. В дальнейшем процессы, происходящие в схеме, повторяются.
Период импульсов генератора 21 выбирается исходя из величины допустимой пульсации напряжения на выходе 6 схемы.
Как следует из описания, в открытом состоянии ключевой элемент 2 не потребляет энергии по цепи управления; весь ток, протекающий через структуры ключевого элемента 2, подводится к нагрузке. В закрытом состоянии ключевого элемента 2 ток по цепи его управления протекает через резистор 9 и открытый выход инвертора 23, указанный ток может быть сделан достаточно малым за счет возможности увеличения резистора 9, поскольку транзисторная структура ЭДД запускается малым током. В результате ключевой элемент, выполненный на базе схемы ЭДД, потребляет малую мощность по цепи управления. Схема сравнения 4 потребляет энергию кратковременно при открытом транзисторе 17, все остальное время цикла работы устройства, когда транзистор 17 закрыт, потери энергии через схему 4 сравнения отсутствуют. Также сведены к минимуму потери энергии в генераторе 21 и RS-триггере 22, как элементах, выполненных на цифровых КМОП-вентилях. В итоге импульсный стабилизатор напряжения имеет высокий кпд.
В случае прототипа, приемлемая температурная стабильность выходного напряжения обеспечивается при использовании в качестве стабилитрона 18, стабилитрона с напряжением стабилизации близким к 6 В. Так как лишь в этом случае стабилитроны имеют температурный коэффициент напряжения стабилизации стремящийся к нулю (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998. С. 350). Соответственно, при других напряжениях стабилизации, значительный температурный коэффициент напряжения стабилизации приводит к ограничению диапазона рабочих температур устройства.
Использование в качестве стабилитрона 18, лавинного стабилитрона, то есть стабилитрона с напряжением стабилизации более 6 В, характеризуемого положительным коэффициентом напряжения стабилизации (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998. С. 351), и стабилитрона 19, однотипного стабилитрону 18, но включенного ему встречно (в прямом направлении), а значит характеризуемого отрицательным коэффициентом напряжения стабилизации (Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. Электропитание устройств связи. - М.: Связь, 1975. С. 184), обеспечивает взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации стабилитронов 18, 19, а значит и расширение диапазона рабочих температур устройства, что существенно расширяет функциональные возможности предлагаемого импульсного стабилизатора напряжения.