Стабилизатор напряжения
VOLTAGE STABILIZER

Уровень техники
Известен стабилизатор напряжения (а.с. 1423991, G05F 1/569), содержащий: составной элемент; источник опорного напряжения; выходной конденсатор; делитель выходного напряжения; первый каскад усилителя рассогласования; разделительный диод; коллекторный резистор; транзистор второго каскада усилителя рассогласования; транзистор первого каскада усилителя рассогласования; стабилитрон; резистор; силовой транзистор составного регулирующего элемента; согласующий транзистор составного регулирующего элемента; резистор источника опорного напряжения; стабилитрон источника опорного напряжения; резистор делителя напряжения; диод управляющего напряжения; резистор управляющего напряжения.
Недостатком данного устройства является то, что при коротком замыкании на выходе регулирующий элемент работает в линейном режиме, то есть переходит в режим стабилизации тока. Мощность рассеяния регулирующего элемента в этом режиме обычно превышает мощность рассеяния в рабочем режиме, поэтому замыкание приводит к выходу из строя регулирующего элемента. Кроме того при большой выходной мощности, ток и мощность короткого замыкания достигают значительных величин, что ограничивает область его применения.
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения (патент RU №2472202, МПК G05F 1/10).
Стабилизатор напряжения содержит: составной регулирующий элемент; источник опорного напряжения; первый каскад усилителя рассогласования; делитель выходного напряжения; биполярный транзистор n-p-n-типа и резистор, выполняющие функции второго каскада усилителя рассогласования; выходной конденсатор; разделительный диод; диод, резистор, защитный биполярный транзистор p-n-p-типа, при этом: первые выводы составного регулирующего элемента и источника опорного напряжения подключены к входному выводу положительной полярности стабилизатора; второй вывод составного регулирующего элемента и первые выводы источника опорного напряжения, первого каскада усилителя рассогласования, делителя выходного напряжения, выходного конденсатора, катод диода, подключены к выходному выводу положительной полярности стабилизатора; вторые выводы источника опорного напряжения, первого каскада усилителя рассогласования, делителя выходного напряжения, выходного конденсатора, катод защитного биполярного транзистора p-n-p-типа, второй вывод резистора, являющегося вторым выводом второго каскада усилителя рассогласования, подключены к выводу отрицательной полярности стабилизатора; эмиттер защитного биполярного транзистора p-n-p-типа подключен к третьему выводу источника опорного напряжения, четвертый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора n-p-n-типа, служащей третьим выводом второго каскада усилителя рассогласования; третий вывод составного регулирующего элемента соединен с коллектором биполярного транзистора n-p-n-типа, служащим первым выводом второго каскада усилителя рассогласования, четвертый вывод которого, образованный соединением первого вывода резистора и эмиттера биполярного транзистора n-p-n-типа, соединен с катодом разделительного диода; анод разделительного диода соединен с третьим выводом первого каскада усилителя рассогласования, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя выходного напряжения; база защитного биполярного транзистора p-n-p-типа через резистор соединена с анодом диода.
Составной регулирующий элемент содержит силовой и согласующий транзисторы p-n-p-типа, два резистора и конденсатор, при этом эмиттер силового транзистора p-n-p-типа и первые выводы обоих резисторов служат первым выводом регулирующего элемента, вторым выводом которого служат коллекторы обоих транзисторов и второй вывод конденсатора, а третьим выводом, являющимся входом управления, служат первый вывод конденсатора, второй вывод второго резистора и база согласующего транзистора p-n-p-типа, эмиттер которого соединен с базой силового транзистора p-n-p-типа и вторым выводом первого резистора.
Источник опорного напряжения содержит два резистора и стабилитрон, при этом анод стабилитрона служит вторым выводом источника опорного напряжения, а катод, совместно со вторым выводом первого резистора и первым выводом второго резистора - третьим выводом, второй вывод второго резистора - четвертым выводом, первый вывод первого резистора - первым выводом источника опорного напряжения.
Делитель выходного напряжения содержит три резистора, второй из которых переменного сопротивления, при этом первый вывод первого резистора и второй вывод третьего резистора служат, соответственно, первым и вторым выводами делителя выходного напряжения, третьим выводом которого является соединение второго вывода первого резистора, первого и второго выводов второго резистора, третий вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора.
Первый каскад усилителя рассогласования содержит резистор, стабилитрон, биполярный транзистор p-n-p-типа, при этом катод стабилитрона служит первым выводом первого каскада усилителя рассогласования, вторым выводом которого служит первый вывод резистора, второй вывод которого соединен с анодом стабилитрона и эмиттером биполярного транзистора p-n-p-типа, катод и база которого служат, соответственно, третьим и четвертым выводами первого каскада усилителя рассогласования.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низкой надежностью.
Низкая надежность обусловлена:
- реализацией составного регулирующего элемента на базе биполярных транзисторов, приборов, управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока;
- неэффективным управлением процесса запирания составного регулирующего элемента в случае перегрузки стабилизатора.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения содержащий: источник опорного напряжения, в состав которого входит резистор, первый вывод которого служит первым выводом источника опорного напряжения, а второй вывод подключен к четвертому выводу источника опорного напряжения; первый каскад усилителя рассогласования выполненный с использованием резистора, стабилитрона, биполярного транзистора p-n-p-типа, при этом катод стабилитрона служит первым выводом первого каскада усилителя рассогласования, вторым выводом которого служит первый вывод резистора, второй вывод которого соединен с анодом стабилитрона и эмиттером биполярного транзистора p-n-p-типа, катод и база которого служат, соответственно, третьим и четвертым выводами первого каскада усилителя рассогласования; делитель выходного напряжения, содержащий три резистора, второй из которых переменного сопротивления, при этом первый вывод первого резистора и второй вывод третьего резистора служат, соответственно, первым и вторым выводами делителя выходного напряжения, третьим выводом которого является соединение второго вывода первого резистора, первого и второго выводов второго резистора, третий вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора; выходной конденсатор; разделительный диод; второй каскад усилителя рассогласования, в состав которого входит биполярный транзистор n-p-n-типа, резистор, второй вывод которого служит вторым выводом второго каскада усилителя рассогласования, а первый вывод совместно с эмиттером биполярного транзистора n-p-n-типа подключен к четвертому выводу второго каскада усилителя рассогласования, к первому выводу которого подключен коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа, при этом: первые выводы первого каскада усилителя рассогласования, делителя выходного напряжения, выходного конденсатора подключены к выходному выводу положительной полярности стабилизатора; вторые выводы источника опорного напряжения, первого каскада усилителя рассогласования, делителя выходного напряжения, выходного конденсатора подключены к выводу отрицательной полярности стабилизатора; четвертый вывод источника опорного напряжения соединен с третьим выводом второго каскада усилителя рассогласования; четвертый вывод второго каскада усилителя рассогласования соединен с катодом разделительного диода, анод которого соединен с третьим выводом первого каскада усилителя рассогласования; четвертый вывод первого каскада усилителя рассогласования соединен с третьим выводом делителя выходного напряжения, введены: блок защиты; регулирующий элемент, содержащий резистор, МДП транзистор с индуцированным каналом р-типа, причем исток МДП транзистора с индуцированным каналом р-типа, соединенный с первым выводом резистора, служит первым выводом регулирующего элемента, сток - вторым, а затвор, соединенный со вторым выводом резистора - третьим; в источник опорного напряжения - управляемый программируемый стабилитрон, анод которого служит вторым выводом источника опорного напряжения, управляющий электрод - третьим, а катод подключен к четвертому выводу источника опорного напряжения; во второй каскад усилителя рассогласования - второй резистор и второй биполярный транзистор n-p-n-типа, позволяющих реализовать схему Дарлингтона, при этом коллектор второго биполярного транзистора n-p-n-типа и второй вывод второго резистора подключены, соответственно, к первому и четвертому выводам второго каскада усилителя рассогласования, база второго биполярного транзистора n-p-n-типа служит третьим вывод второго каскада усилителя рассогласования, а база и эмиттер, соответственно, первого и второго биполярных транзисторов n-p-n-типа соединены с первым выводом второго резистора; в делитель выходного напряжения - четвертый вывод, сформированный соединением третьего вывода второго резистора и первого вывода третьего резистора, причем: четвертый вывод делителя выходного напряжения соединен с третьим выводом источника опорного напряжения, первый вывод которого соединен со вторым выводом блока защиты и первым выводом регулирующего элемента; первый вывод второго каскада усилителя рассогласования соединен с третьим выводом регулирующего элемента, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого каскада усилителя рассогласования, делителя выходного напряжения, выходного конденсатора и выходным выводом положительной полярности стабилизатора; первый вывод блока защиты подключен к входному выводу положительной полярности стабилизатора, а третий, четвертый и пятый - к выводу отрицательной полярности стабилизатора; шестой вывод блока защиты соединен со вторым выводом второго каскада усилителя рассогласования.
Блок защиты содержит: восемнадцать резисторов; операционный усилитель; два диода; биполярный транзистор p-n-p-типа; три биполярных транзистора n-p-n-типа; два оптрона, представляющих собой оптопары по типу светодиод-фототранзистор; полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа, причем первые выводы первого, второго, десятого, двенадцатого, тринадцатого резисторов, вывод питания положительной полярности операционного усилителя, коллектор третьего биполярного транзистора n-p-n-типа, коллекторы фототранзисторов первого и второго оптронов служат первым выводом блока защиты; второй вывод первого резистора и база биполярного транзистора p-n-p-типа служат вторым выводом блока защиты; вторые выводы третьего, восьмого, одиннадцатого, четырнадцатого, пятнадцатого, шестнадцатого, восемнадцатого резисторов, первый вывод шестого резистора, вывод питания отрицательной полярности операционного усилителя служат третьим выводом блока защиты; первый вывод четвертого резистора служит четвертым выводом блока защиты; исток и сток полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа служат, соответственно, пятым и шестым выводами блока защиты; второй вывод второго резистора соединен с эмиттером биполярного транзистора p-n-p-типа, коллектор которого соединен с первыми выводами третьего и пятого резисторов; вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом шестого резистора и первым выводом седьмого резистора; выход операционного усилителя соединен со вторым выводом седьмого резистора и анодом первого диода, катод которого соединен с первыми выводами восьмого и девятого резисторов; второй вывод девятого резистора соединен со вторым выводом десятого резистора, первым выводом одиннадцатого резистора, базой первого биполярного транзистора n-p-n-типа и катодом второго диода, анод которого через семнадцатый резистор подключен к эмиттеру фототранзистора второго оптрона; коллектор первого биполярного транзистора n-p-n-типа соединен с базой второго биполярного транзистора n-p-n-типа и вторым выводом двенадцатого резистора, а эмиттер - с эмиттером второго биполярного транзистора n-p-n-типа и первым выводом четырнадцатого резистора; коллектор второго биполярного транзистора n-p-n-типа соединен с базой третьего биполярного транзистора n-p-n-типа, вторым выводом тринадцатого резистора и первым выводом пятнадцатого резистора; эмиттер третьего биполярного транзистора n-p-n-типа соединен с анодом фотодиода первого оптрона, катод которого соединен с анодом фотодиода второго оптрона; катод фотодиода второго оптрона соединен с первым выводом шестнадцатого резистора; эмиттер фототранзистора первого оптрона соединен с первым выводом восемнадцатого резистора и затвором полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг. 2 представлена модель исследования параметров схемы заявляемого устройства в нормальном рабочем режиме - при отсутствии перегрузки регулирующего элемента 1 (сопротивление нагрузки 2 Ом).
вх
На фиг. 3 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения питания (U=[19,5÷24,5]) при сопротивлении нагрузки .
вх
На фиг. 4 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения питания (U=[19,5÷24,5]) при сопротивлении нагрузки .
вх
На фиг. 5 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения питания (U=[19,5÷24,5]) при сопротивлении нагрузки .
вх
На фиг. 6 представлены результаты схемотехнического моделирования прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения питания (U=[19,5÷24,5]) при сопротивлении нагрузки .
На фиг. 7 представлена схемотехническая модель прототипа (сопротивление нагрузки 2 Ом).
На фиг. 8 представлена модель исследования параметров схемы заявляемого устройства в режиме защиты регулирующего элемента 1 (изменение сопротивления нагрузки с 2 Ом на 0,1 Ом).
вх
На фиг. 9 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства и прототипа - зависимость выходного напряжения стабилизатора при изменении сопротивления нагрузки с 2 Ом на 0,1 Ом (напряжение питания U=20 В).
вх
На фиг. 10 представлены результаты схемотехнического моделирования заявляемого устройства и прототипа - зависимость выходного тока стабилизатора при изменении сопротивления нагрузки с 2 Ом на 0,1 Ом (напряжение питания U=20 В).
Осуществление изобретения
Стабилизатор напряжения (фиг. 1) содержит: регулирующий элемент 1; источник опорного напряжения 2; выходной конденсатор 3; делитель выходного напряжения 4; первый каскад усилителя рассогласования 5; разделительный диод 6; второй каскад усилителя рассогласования 7; блок защиты 8, при этом: второй вывод блока защиты 8 соединен с первыми выводами источника опорного напряжения 2 и регулирующего элемента 1, второй вывод которого и первые выводы первого каскада усилителя рассогласования 5, делителя выходного напряжения 4, выходного конденсатора 3 подключены к выходному выводу положительной полярности стабилизатора; вторые выводы источника опорного напряжения 2, первого каскада усилителя рассогласования 5, делителя выходного напряжения 4, выходного конденсатора 3 и третий, четвертый, пятый выводы блока защиты 8 подключены к выводу отрицательной полярности стабилизатора; четвертый вывод источника опорного напряжения 2 соединен с третьим выводом второго каскада усилителя рассогласования 7, первый вывод которого соединен с третьим выводом регулирующего элемента 1; четвертый вывод второго каскада усилителя рассогласования 7 соединен с катодом разделительного диода 6, анод которого соединен с третьим выводом первого каскада усилителя рассогласования 5; четвертый вывод первого каскада усилителя рассогласования 5 соединен с третьим выводом делителя выходного напряжения 4, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом источника опорного напряжения 2; второй вывод второго каскада усилителя рассогласования 7 соединен с шестым выводом блока защиты 8.
Регулирующий элемент 1 содержит резистор 10 и МДП транзистор с индуцированным каналом р-типа 9, исток которого и первый вывод резистора 10 служат первым выводом регулирующего элемента 1, сток - вторым, а затвор, соединенный со вторым выводом резистора 10 - третьим.
Источник опорного напряжения 2 содержит резистор 11, первый вывод которого служит первым выводом источника опорного напряжения 2, управляемый программируемый стабилитрон 12, анод которого служит вторым выводом источника опорного напряжения 2, управляющий электрод - третьим, а катод, соединенный со вторым выводом резистора 11, - четвертым.
Делитель выходного напряжения 4 содержит резисторы 13, 15 и 14, который является резистором переменного сопротивления, при этом первый вывод резистора 13 и второй вывод резистора 15 служат, соответственно, первым и вторым выводами делителя выходного напряжения 4, третьим выводом которого является соединение второго вывода резистора 13, первого и второго выводов резистора 14, третий вывод которого соединен с первым выводом резистора 15 и служит четвертым выводом делителя выходного напряжения 4.
Первый каскад усилителя рассогласования 5 содержит стабилитрон 16, катод которого служит первым выводом первого каскада усилителя рассогласования 5, резистор 17, первый вывод которого служит вторым выводом первого каскада усилителя рассогласования 5, биполярный транзистор p-n-p-типа 18, катод и база которого служат, соответственно, третьим и четвертым выводами первого каскада усилителя рассогласования 5, а эмиттер соединен со вторым выводом резистора 17 и анодом стабилитрона 16.
Второй каскад усилителя рассогласования 7 содержит резистор 22, второй вывод которого служит вторым выводом второго каскада усилителя рассогласования 7, резистор 21 и биполярные транзисторы n-p-n-типа 19, 20, соединенные по схеме Дарлингтона, при этом коллекторы транзисторов 19, 20 служат первым выводом второго каскада усилителя рассогласования 7, база транзистора 19 - третьим выводом, эмиттер транзистора 20, соединенный с первым выводом резистора 22 и вторым выводом резистора 21, - четвертым выводом второго каскада усилителя рассогласования 7, а эмиттер транзистора 19 соединен с базой транзистора 20 и первым выводом резистора 21.
Блок защиты 8 содержит: резисторы 23÷40; биполярный транзистор p-n-p-типа 41; операционный усилитель 42; диоды 43, 44; биполярные транзисторы n-p-n-типа 45÷47; оптроны 48, 49, представляющие собой оптопары по типу светодиод-фототранзистор; полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50, при этом: первые выводы резисторов 23, 24, 32, 34, 35, вывод питания положительной полярности операционного усилителя 42, коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа 47, коллекторы фототранзисторов оптронов 48, 49 служат первым выводом блока защиты 8; второй вывод резистора 23 и база биполярного транзистора p-n-p-типа 41 служат вторым выводом блока защиты 8; вторые выводы резисторов 25, 30, 33, 36, 37, 38, 40, первый вывод резистора 28, вывод питания отрицательной полярности операционного усилителя 42 служат третьим выводом блока защиты 8; первый вывод резистора 26 служит четвертым выводом блока защиты 8; исток и сток полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50 служат, соответственно, пятым и шестым выводами блока защиты 8; второй вывод резистора 24 соединен с эмиттером биполярного транзистора p-n-p-типа 41, коллектор которого соединен с первыми выводами резисторов 25, 27; вторые выводы резисторов 26, 27 соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя 42, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом резистора 28 и первым выводом резистора 29; выход операционного усилителя 42 соединен со вторым выводом резистора 29 и анодом диода 43, катод которого соединен с первыми выводами резисторов 30, 31; второй вывод резистора 31 соединен со вторым выводом резистора 32, первым выводом резистора 33, базой биполярного транзистора n-p-n-типа 45 и катодом диода 44, анод которого, через резистор 39, подключен к эмиттеру фототранзистора оптрона 49; коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа 45 соединен с базой биполярного транзистора n-p-n-типа 46 и вторым выводом резистора 34, а эмиттер - с эмиттером биполярного транзистора n-p-n-типа 46 и первым выводом резистора 36; коллектор биполярного транзистора n-p-n-типа 46 соединен с базой биполярного транзистора n-p-n-типа 47, вторым выводом резистора 35 и первым выводом резистора 37; эмиттер биполярного транзистора n-p-n-типа 47 соединен с анодом фотодиода оптрона 48, катод которого соединен с анодом фотодиода оптрона 49; катод фотодиода оптрона 49 соединен с первым выводом резистора 38; эмиттер фототранзистора оптрона 48 соединен с первым выводом резистора 40 и затвором полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50.
Резистор 23, включенный в силовую шину последовательно с регулирующим элементом 1, выполняет функцию входного токосъемного сопротивления усилительного каскада на биполярном транзисторе p-n-p-типа 41 с сопротивлениями в цепи эмиттера - резистор 24, в цепи коллектора - резистор 25. Снятие и последующее усиление сигнала обеспечивается вычитающим (дифференциальным) усилителем на базе операционного усилителя 42 и резисторов 26÷29.
В целом, усилительные каскады на биполярном транзисторе p-n-p-типа 41 и операционном усилителе 42 выполняют функцию датчика тока регулирующего элемента 1.
Делитель сопротивления на базе резисторов 30, 31 выступает в качестве согласующего элемента с триггерным каскадом на базе транзисторов n-p-n-типа 45, 46 и резисторов 32÷36, нагруженного на эмиттерный повторитель на базе биполярного транзистора n-p-n-типа 47, резисторов 37÷40, оптронов 48, 49. Диоды 43, 44 выполняют функцию разделительных диодов.
Стабилизатор напряжения работает следующим образом.
В нормальном рабочем режиме (при отсутствии перегрузки регулирующего элемента 1) выходное напряжение датчика тока не приводит к срабатыванию триггера. Фототранзисторы оптронов 48, 49 пребывают в закрытом состоянии, обеспечивая приоткрытое состояние канала полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50 (напряжение на затворе 141,8 мВ, фиг. 2).
В момент подачи на вход стабилизатора входного напряжения на выходе источника опорного напряжения 2 появляется напряжение, несколько меньшее, чем стабильное, которое, поступая на базу составного транзистора Дарлингтона второго каскада усилителя рассогласования 7, приоткрывает его, а тот, в свою очередь, с учетом приоткрытого состояния канала полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50, приоткрывает регулирующий элемент 1. При этом через регулирующий элемент 1 начинает протекать ток, заряжая выходной конденсатор 3. Поскольку в момент заряда конденсатора 3 выходное напряжение мало, напряжение на выходах делителя 4 недостаточно для полного открывания управляемого программируемого стабилитрона 12 источника опорного напряжения 2, а так же биполярного транзистора p-n-p-типа 18 первого каскада усилителя рассогласования 5 и разделительного диода 6. Что в свою очередь, обеспечивает развязку первого и второго каскадов усилителя рассогласования 5, 7, но прежде всего, исключает недопустимое скачкообразное изменение тока при заряде конденсатора 3 и возможность перегрузки регулирующего элемента 1.
При заряде конденсатора 3 до уровня близкого к номинальному значению выходного напряжения стабилизатор переходит в режим стабилизации выходного напряжения:
- на выходе источника 2 устанавливается стабильное напряжение, обеспечивающее посредством составного транзистора Дарлингтона перевод регулирующего элемента 1 в режим стабилизации;
- вступают в работу первый каскад усилителя рассогласования 5, разделительный диод 6.
В зависимости от уровня напряжения на третьем выводе делителя выходного напряжения 4, посредством первого каскада усилителя рассогласования 5 и разделительного диода 6, перешедшего в открытое состояние, осуществляется изменение напряжения на резисторе 22. А значит и базо-эмиттерном переходе составного транзистора Дарлингтона, что в конечном итоге, приводит к изменению напряжения на затворе МДП транзистора с индуцированным каналом р-типа 9 регулирующего элемента 1, компенсируя изменившееся выходное напряжение.
Так как второй каскад усилителя рассогласования 7 выполнен на базе составного транзистора Дарлингтона, то это обеспечивает более высокую чувствительность каскада к изменению напряжения база-эмиттер при меньшей величине, как тока базы, так и тока коллектора составного транзистора, нежели в случае прототипа.
Тем более что регулирующий элемент 1, выполненный на базе МДП транзистора с индуцированным каналом р-типа 9, управляемый лишь напряжением, не создает второму каскаду усилителя рассогласования 7, в отличие от прототипа, шунтирующего эффекта.
вх
На фиг. 3÷6 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения напряжения питания (U=[19,5÷24,5]) и сопротивления нагрузки () предлагаемого стабилизатора напряжения, фиг. 3, фиг. 4 и прототипа, фиг. 5, фиг. 6. Анализ параметров прототипа осуществлялся на базе схемотехнической модели, представленной на фиг. 7.
Предлагаемый стабилизатор напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации по напряжению:
- 10987 при сопротивлении нагрузки 2 Ом;
- 17521 при сопротивлении нагрузки 200 Ом.
А прототип:
- 136 при сопротивлении нагрузки 2 Ом.
- 145 при сопротивлении нагрузки 200 Ом;
То есть имеет место выигрыш в коэффициенте стабилизации по напряжению:
- 80 раз при сопротивлении нагрузки 2 Ом;
- 120 раз при сопротивлении нагрузки 200 Ом.
В случае перегрузки регулирующего элемента 1 выходное напряжение датчика тока приводит к срабатыванию триггера и запиранию канала полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа 50 (напряжение на затворе 19,9 В, фиг. 8), что приводит к полному закрытию регулирующего элемента 1, фиг. 9, кривая 1.
В то время как в прототипе имеет место переходный процесс, фиг. 9, кривая 2, в течении которого имеет место значительная перегрузка составного регулирующего элемента, фиг. 10, кривая 2, что несомненно снижает надежность прототипа.
При включении стабилизатора на заранее короткозамкнутую нагрузку блок защиты 8 исключает возможность включения стабилизатора и, следовательно, прохождения через регулирующий элемент 1 броска тока.
В случае прототипа имеет место относительно низкая надежность. Это обусловлено реализацией составного регулирующего элемента на базе биполярных транзисторов. Так как биполярные транзисторы - это приборы, управляемые током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока. А попытка снижения транзисторами собственного энергопотребления (повышения КПД устройства) за счет использования транзисторов с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания - неизбежно повысит требования к увеличению теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.
В то же время МДП транзисторы с индуцированным каналом характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с. 19):
- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);
- высокая скорость переключения;
- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);
- очень малая вероятность теплового саморазогрева;
- очень малая вероятность вторичного пробоя;
- допустимость резкого изменения тока стока.
А значит, предлагаемое устройство при той же величине стабилизируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высокой надежностью. Что в свою очередь, с учетом более высокого коэффициента стабилизации по напряжению способствует расширению функциональных возможностей предлагаемого устройства.