Регулируемый стабилизатор постоянного напряжения

Полезная модель относится к области электротехнических устройств и может быть использована для стабилизации постоянного напряжения в различных источниках вторичного электропитания.
Известен «Стабилизатор напряжения» [RU 138547, опубликовано 20.03.2014, МПК G05F 1/00 (2006.01)]. Стабилизатор напряжения содержит силовой трансформатор, выпрямитель с фильтром, измерительный элемент, устройство управления, выпрямительный мост, регулирующий элемент на биполярном транзисторе n-p-n-типа, регулирующий трансформатор, первичная обмотка которого через первичную обмотку силового трансформатора подключена к сети переменного тока. Вторичная обмотка силового трансформатора подключена к входу выпрямителя с фильтром, выход его подключен к выходу стабилизатора напряжения и к входу измерительного элемента, выход которого через устройство управления подключен к входу регулирующего элемента на биполярном транзисторе n-р-n-типа. В диагональ мостового выпрямителя последовательно с регулирующим элементом на биполярном транзисторе n-р-n-типа дополнительно введен ограничитель тока, реализованный на базе МОП-транзистора с N-каналом, выход которого подключен к коллектору транзистора регулирующего элемента n-р-n-типа.
Недостатком этого устройства является его сложность из-за наличия трансформаторов и большого количества элементов.
Наиболее близким по технической сущности является «Компенсационный стабилизатор напряжения» [RU 112786, опубликовано 20.01.2012, МПК G05F 1/00 (2006.01)]. Компенсационный стабилизатор напряжения содержит регулирующий элемент, дифференциальный усилитель, делитель напряжения, источник опорного напряжения и дополнительный усилитель. Выход регулирующего элемента соединен со входом делителя напряжения и входом источника опорного напряжения, выход делителя напряжения подключен к первому входу дифференциального усилителя, выход источника опорного напряжения соединен со вторым входом дифференциального усилителя, второй вход регулирующего элемента соединен с первым выходом дифференциального усилителя. Первый вход дополнительного усилителя подключен к первому входу регулирующего элемента, второй вход дополнительного усилителя соединен со вторым выходом дифференциального усилителя, выход дополнительного усилителя подключен ко второму входу регулирующего элемента.
Недостатком указанного устройства является малый диапазон выходных значений напряжений и, соответственно мощностей, что требует подбора элементной базы схемы для каждой конкретной нагрузки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является достижение возможности стабилизации напряжения и снижения уровня пульсаций в широком диапазоне выходных напряжений для различных нагрузок, за счет совместной регулировки значений опорного напряжения и уровня сигнала отклонения выходного напряжения.
Сущность предлагаемого регулируемого стабилизатора постоянного напряжения, заключается в том, что он содержит регулирующий элемент, первый делитель напряжения, источник опорного напряжения. Первый вход регулирующего элемента является внешним входом регулируемого стабилизатора постоянного напряжения, а выход регулирующего элемента является внешним выходом регулируемого стабилизатора постоянного напряжения, вход первого делителя напряжения соединен с выходом регулирующего элемента.
Новым в предлагаемом решении является то, что первый делитель напряжения выполнен с возможностью регулировки, источник опорного напряжения выполнен управляемым, кроме того, дополнительно введены устройство управления и второй регулируемый делитель напряжения. Первый выход первого регулируемого делителя напряжения подключен к первому входу устройства управления, второй выход первого регулируемого делителя напряжения подключен к входу второго регулируемого делителя напряжения и второму входу устройства управления, второй выход второго регулируемого делителя напряжения и второй вход управляемого источника опорного напряжения, подключены к общему выводу. Первый выход второго регулируемого делителя напряжения подключен к первому входу управляемого источника опорного напряжения, выход которого подключен ко второму входу устройства управления, а выход устройства управления подключен ко второму входу регулирующего элемента. Первый регулируемый делитель напряжения выполнен из трех последовательно соединенных резисторов, один из которых выполнен подстроечным. Второй регулируемый делитель напряжения выполнен из трех последовательно соединенных резисторов, один из которых выполнен подстроечным. Регулирующий элемент выполнен в виде полевого транзистора.
На фигуре представлена структурная схема регулируемого стабилизатора постоянного напряжения.
Регулируемый стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий элемент (1), устройство управления (2), управляемый источник опорного напряжения (3), первый регулируемый делитель напряжения (4), состоящий из трех последовательно соединенных резисторов (6), (7), (8), второй регулируемый делитель напряжения (5), состоящий из трех последовательно соединенных резисторов (9), (10), (11). Резисторы (7), (10), размещенные между двумя резисторами (6), (8) и (9), (10) соответственно, выполнены подстроенными.
Первый вход регулирующего элемента (1) является внешним входом регулируемого стабилизатора постоянного напряжения, а выход регулирующего элемента (1) является внешним выходом регулируемого стабилизатора постоянного напряжения. Вход первого регулируемого делителя напряжения (4) соединен с выходом регулирующего элемента (1). Первый выход первого регулируемого делителя напряжения (4) подключен к первому входу устройства управления (2), второй выход первого регулируемого делителя напряжения (4) подключен к входу второго регулируемого делителя напряжения (5) и второму входу устройства управления (2). Первый выход второго регулируемого делителя напряжения (5) подключен к первому входу управляемого источника опорного напряжения (3), а второй выход второго регулируемого делителя напряжения (5) и второй вход управляемого источника опорного напряжения (3) подключены к общему выводу. Выход управляемого источника опорного напряжения (3) подключен ко второму входу устройства управления (2). Выход устройства управления (2) подключен ко второму входу регулирующего элемента (1).
Первый регулируемый делитель напряжения (4) выполнен из трех последовательно соединенных резисторов (6), (7), (8). Первый вывод резистора (6) является входом первого регулируемого делителя напряжения (4), третий вывод (регулировочный контакт) подстроечного резистора (7) является первым выходом первого регулируемого делителя напряжения (4), а второй вывод резистора (8) является вторым выходом первого регулируемого делителя напряжения (4). Второй регулируемый делитель напряжения (5) выполнен из трех последовательно соединенных резисторов (9), (10), (11). Первый вывод резистора (9) является входом второго регулируемого делителя напряжения (5), третий вывод (регулировочный контакт) подстроечного резистора (10) является первым выходом второго регулируемого делителя напряжения (5), а второй вывод резистора (11) является вторым выходом второго регулируемого делителя напряжения (5).
Регулируемый стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.
Вход регулируемого стабилизатора постоянного напряжения подключают к положительному выходу источника постоянного напряжения, например, к положительному выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение, а к выходу стабилизатора подключают положительный вход нагрузки, например, усилителя мощности.
Входное напряжение поступает на первый вход регулирующего элемента (1), выполненного, например, в виде полевого транзистора 2ПЕ210В1, включенного по схеме с общим затвором. С выхода регулирующего элемента (1) напряжение подается к нагрузке и на первый регулируемый делитель напряжения (4), выполненный, например, из трех последовательно включенных резисторов (6), (7), (8), причем резистор (7) выполнен подстроечным. Со второго выхода первого регулируемого делителя напряжения (4) напряжение подается на вход второго регулируемого делителя напряжения (5), выполненного, например, из трех последовательно включенных резисторов (9), (10), (11), причем резистор (10) выполнен подстроечным. Точка соединения первого и второго регулируемых делителей напряжения (4), (5), подключенная ко второму входу устройства управления (2) обеспечивает общую точку с потенциалом отличным от потенциала общего вывода, относительно которой работает устройство управления (2) и первый регулируемый делитель напряжения (4). В качестве общего вывода принята точка соединения отрицательного выхода преобразователя и отрицательного входа нагрузки. Второй регулируемый делитель напряжения (5) формирует управляющий сигнал, который с его первого выхода подается на первый вход управляемого источника опорного напряжения (3). Управляемый источник опорного напряжения (3) может быть выполнен на основе микросхемы 142ЕН3, функциональные возможности которой позволяют по уровню входного управляющего сигнала сформировать выходное опорное напряжение. Значение управляющего сигнала регулируется изменением коэффициента деления второго регулируемого делителя напряжения (5) подстройкой резистора (10). При этом сопротивление плеч делителя (5) меняется следующим образом: от R9 верхнего плеча и R10+R11 нижнего плеча, до R9+R10 и R11 соответственно, где R9, R10, R11 величина сопротивления резисторов (9), (10), (11). И таким образом выставляется требуемый уровень выходного напряжения управляемого источника опорного напряжения (3) под конкретную нагрузку.
После настройки второго регулируемого делителя напряжения (5) формируется рабочая точка на выходе управляемого источника опорного напряжения (3), обладающая потенциалом. Относительно этой точки настраивается первый регулируемый делитель напряжения (4). Напряжение с первого выхода первого делителя напряжения (4) задает уровень сигнала отклонения выходного напряжения от требуемого значения, вызванного пульсациями и другими нестабильностями входного напряжения. Уровень сигнала отклонения подбирается изменением коэффициента деления первого регулируемого делителя напряжения (4) подстройкой резистора (7). При этом сопротивление плеч делителя (4) меняется следующим образом: от R6 верхнего плеча и R7+R8 нижнего плеча, до R6+R7 и R8 соответственно, где R6, R7, R8 величина сопротивления резисторов (6), (7), (8).
Далее в процессе работы стабилизатора устройство управления (2) сравнивает поступающие на его первый и второй входы уровни напряжения и в зависимости от рассогласования формирует выходное напряжение, поступающее на второй вход регулирующего элемента (1) и смещающее его рабочую точку. Устройство управления (2) может быть выполнено, например, на микросхеме 142ЕР3У. Так при уменьшении напряжения ниже допустимого предела на выходе регулирующего элемента (1) и на выходе первого регулируемого делителя напряжения (4) соответственно, устройство управления (2) повышает уровень напряжения на втором входе регулирующего элемента (1) и регулирующий элемент (1) восстанавливает уровень выходного напряжения стабилизатора. При выполнении регулирующего элемента (1) в виде полевого транзистора, повышение напряжения на его затворе смещает его рабочую точку, транзистор приоткрывается и восстанавливает уровень выходного напряжения. При повышении выходного напряжения стабилизатора устройство управления (2) смещает рабочую точку в противоположную сторону, и транзистор уменьшает выходное напряжение.
Таким образом, регулируемый стабилизатор постоянного напряжения стабилизирует напряжение и уменьшает уровень пульсаций в широком диапазоне выходных напряжений, что позволяет применять данный стабилизатор для большой номенклатуры нагрузок, не меняя элементов схемы, а только изменяя коэффициенты деления первого и второго регулируемых делителей напряжения (4), (5).