Стабилизатор напряжения питания электронных схем
ELECTRONIC CIRCUITS SUPPLY VOLTAGE STABILIZER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием.
Уровень техники
Известен 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.
Недостатком данного устройства является значительная сложность схемной реализации.
Известен стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2727713, МПК G05F 3/16).
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит: регулирующий биполярный транзистор n-p-n типа в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, 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 биполярного 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.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом полезного действия по мощности;
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2755670, МПК G05F 1/565).
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержащий нестабильный источник напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом, первый и второй резисторы, полевой транзистор с индуцированным n-каналом, нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства, исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине источника напряжения.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом полезного действия по мощности;
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низким коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению.
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 питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; резистор; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом; исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом через нагрузку подключен к общей шине устройства, введены полевой транзистор с р-n-переходом и р-каналом, второй и третий резисторы, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через второй резистор подключен к затворам полевых транзисторов с р-n-переходом как n-, так и р-каналами, а также ко второму выводу первого резистора; исток полевого транзистора с р-n-переходом и р-каналом через третий резистор соединен с общей шиной устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения питания электронных схем.
На фиг.2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре -40 °С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.2.а); 9 В (фиг.2.б); 12 В (фиг.2.в).
На фиг.3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 25°С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.3.а); 9 В (фиг.3.б); 12 В (фиг.3.в).
На фиг.4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 50°С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг.4.а); 9 В (фиг.4.б); 12 В (фиг.4.в).
Осуществление изобретения
Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник 1 напряжения; полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом; полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом; полевой транзистор 4 с индуцированным n-каналом; резисторы 5, 6 и 7; нагрузку 8, причем сток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника 1 напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора 4 с индуцированным n-каналом и через резистор 5 к затворам полевых транзисторов 2, 3 с р-n-переходом и n- и р-каналами, первому выводу резистора 6, второй вывод которого соединен со стоком полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом; исток полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом через резистор 7 соединен с общей шиной устройства.
Стабилизатор напряжения питания электронных схем работает следующим образом.
Полевой транзистор 2 с р-n-переходом и n-каналом и резистор 5 представляют собой стабилизатор тока, нагрузкой которого служат полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом, и резисторы 6, 7.
Фактически полевой транзистор 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторы 6, 7 выполняют роль регулируемого сопротивления.
С учетом стабилизации тока напряжение, снимаемое с последовательно соединенных резистора 5 и регулируемого сопротивления, поступающее на затвор полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом, оказывает стабилизирующее воздействие. За счет отрицательной обратной связи при постоянном напряжении на затворе транзистора 4 с индуцированным n-каналом величина изменения напряжения в нагрузке 8 оказывается существенно меньше величины прироста напряжения источника 1 и, таким образом, осуществляется стабилизация уровня выходного напряжения.
Максимальная величина выходного напряжения стабилизатора при минимальном напряжении источника 1 может быть только такой, чтобы их разность поддерживала полевые транзисторы 2, 3 и 4 в активном режиме.
Исходя из требуемой величины выходного напряжения стабилизатора и тока нагрузки 8, по коэффициенту усиления полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом определяется необходимое напряжение на затворе. Величины сопротивления резистора 5 и регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7 выбираются таким образом, чтобы ток через них (напряжение падения на них) обеспечивал поддержание полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме.
При минимально возможном напряжении источника 1 подбирается величина резистора 5 таким образом, чтобы при увеличении напряжения источника 1 изменение уровня напряжения на истоке полевого транзистора 4 с р-n-переходом и n-каналом и, соответственно, на затворе полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом не превышало плюс 5% от первоначальной величины. При этом величина напряжения между истоком и затвором полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом, является напряжением отсечки, которое определяется током делителя образованного сопротивлением канала полевого транзистора 2 и резистора 5. Как правило, эта величина напряжения оказывается недостаточной для поддержания полевого транзистора 4 с индуцированным n-каналом в активном режиме, поэтому для установки необходимого напряжения в нагрузке 8 и используется дополнительное сопротивление. В данном случае регулируемое сопротивление на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7.
Ток стока полевых транзисторов 2, 3, 4, используемых в схеме стабилизатора, характеризуется температурной зависимостью. Причем если в случае полевых транзисторов 2 и 3 в силу незначительной величины протекающего тока и стабилизирующего эффекта температурные изменения тока стока крайне малы, то в случае полевого транзистора 4, ток стока которого имеет существенную величину, температурный режим оказывает более значительное влияние (фиг.2, 3, 4 (а), фиг.2, 3, 4 (б), фиг.2, 3, 4 (в)). При этом степень «значительности» может быть существенно снижена при обеспечении работы полевого транзистора 4 в режиме нахождения рабочей точки в окрестностях точки с нулевым температурным коэффициентом смещения (термостабильной точки) (П.Хоровиц, У.Хилл. «Искусство схемотехники», М.: БИНОМ, 2014 г., с.130, рис.3.13). Однако при этом следует учесть, что «термостабильный режим» жестко связан с напряжением источника 1, током стока и напряжением на затворе транзистора 4, сопротивлением нагрузки 8, а значит, в условиях применения нестабильного источника 1 напряжения полная реализация «термостабильного режима» достаточно проблематична.
Как показали результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица), использование в составе схемы устройства регулируемого сопротивления на базе полевого транзистора 3 с р-n-переходом и р-каналом и резисторов 6, 7, в отличие от резистора постоянного сопротивления, как в прототипе, обеспечивает существенный выигрыш, в частности:
- по «Коэффициенту полезного действия по мощности» в среднем на 6,3%.
- по «Коэффициенту стабилизации по напряжению» в среднем на 9,3%;
- по «Коэффициенту стабилизации тока по входному напряжению» в среднем на 1,8%,
при практически неизменном температурном коэффициенте напряжения.
Что позволяет сделать вывод, что в целом предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.
Таблица 1 - Результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом
Температура, °С
Напряжение источника, В
Токисточника,мА
Напряжениена нагрузке,В
Токв нагрузке,мА
КПДпо мощности,%
Коэффициент стабилизации по напряжению
Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению
ТКН,%
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
Разр.
Прот.
-40
7,7
63,30
57,929
6,896
6,305
62,687
57,316
88,691
81,015
332,2
303,7
292,2
285,6
-0,0137
-0,0138
9
63,331
57,958
6,899
6,308
62,718
57,345
75,914
69,348
-----
-----
-----
-----
-0,0137
-0,0138
12
63,403
58,025
6,906
6,315
62,789
57,411
56,993
52,068
328,5
300,4
294,5
289,6
-0,0133
-0,0133
25
7,7
62,741
57,422
6,835
6,249
62,128
56,808
87,899
80,288
329,2
301,0
256,5
248,8
-----
-----
9
62,776
57,454
6,838
6,252
62,163
56,841
75,236
68,725
-----
-----
-----
-----
-----
-----
12
62,856
57,528
6,847
6,261
62,242
56,914
56,501
51,618
253,3
231,6
262,3
259,6
-----
-----
50
7,7
62,550
57,249
6,813
6,230
61,937
56,636
87,613
80,043
246,2
225,1
248,7
248,1
-0,0129
-0,0122
9
62,586
57,283
6,817
6,234
61,973
56,669
75,003
68,524
-----
-----
-----
-----
-0,0123
-0,0115
12
62,668
57,360
6,825
6,242
62,055
56,746
56,319
51,460
284,0
259,8
251,9
245,3
-0,0129
-0,0121
* Разр. - разработанный стабилизатор напряжения
** Прот. - прототип
*** В схеме предлагаемого стабилизатора напряжения, как и в прототипе, применены: полевой транзистор (2) с р-n переходом и n-каналом типа BFR30; полевой транзистор (4) с индуцированным n-каналом типа 2SK133; резистор (5) сопротивлением 3 кОм; нагрузка (8) сопротивлением 110 Ом. А также: полевой транзистор (3) с р-n переходом и р-каналом типа 2N3332; резистор (6) сопротивлением 1 кОм; резистор (7) сопротивлением 6,5 кОм.
**** Расчет параметров проводился с опорой на напряжение 9 В и температуру 25°С.