ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель 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. 2-8б).
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 №154069, МПК G05F 1/56).
Импульсный стабилизатор напряжения содержит входную шину, ключевой элемент, фильтр, схему сравнения, схему управления, выходную шину, общую шину, шину начальной установки. Ключевой элемент содержит первый резистор, второй резистор, первый транзистор p-n-p-типа, второй транзистор n-p-n-типа, фильтр содержит диод и конденсатор. Схема сравнения содержит первый резистор, диод, транзистор p-n-p-типа, первый стабилитрон, второй стабилитрон, второй резистор. 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 первого стабилитрона, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон, соединен с общей шиной устройства, а коллектор транзистора, являющийся выходом схемы сравнения, через второй 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 является низкий КПД, в силу реализации ключевого элемента на базе биполярных транзисторов, приборов управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению КПД.
Технический результат достигается тем, что в импульсный стабилизатор напряжения содержащий: входную шину; выходную шину; общую шину; ключевой элемент - содержащий резистор; фильтр - содержащий диод и конденсатор; схему сравнения - содержащую транзистор p-n-p-типа, первый и второй стабилитроны, первый и второй резисторы; схему управления - содержащую генератор импульсов; причем, входная шина подключена к входу ключевого элемента, выход которого соединен с входами фильтра и схемы сравнения, выход которой соединен со входом схемы управления, выход которой соединен с входом управления ключевого элемента; вход схемы сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора p-n-p-типа и через первый резистор, соединен с базой транзистора p-n-p-типа, катодом первого стабилитрона, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон, соединен с общей шиной, а коллектор транзистора p-n-p-типа, являющийся выходом схемы сравнения, через второй 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; введены: в состав схемы управления - элемент ИЛИ с открытым стоком, причем первый вход элемента ИЛИ с открытым стоком соединен с выходом генератора импульсов, второй вход служит входом схемы управления, а выход - выходом схемы управления; в состав ключевого элемента - диод, первый и второй МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа, конденсатор, причем анод диода и сток первого МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа служат входом ключевого элемента, катод диода соединен с первыми выводами резистора и конденсатора, второй вывод которого и исток первого МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединены с выходом ключевого элемента, второй вывод резистора и затвор первого МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединены со стоком второго МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, затвор которого соединен с входом управления ключевого элемента, а исток - с общей шиной.
Краткое описание чертежей
На фигуре 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.
Ключевой элемент 2 содержит резистор 8, диод 9, первый МДП транзистор 10 с индуцированным каналом n-типа, второй МДП транзистор 11 с индуцированным каналом n-типа, конденсатор 12.
Фильтр 3 содержит диод 13 и конденсатор 14.
Схема 4 сравнения содержит первый резистор 15, транзистор 16 p-n-p-типа, первый стабилитрон 17, второй стабилитрон 18, второй резистор 19.
Схема 5 управления содержит генератор 20 импульсов, элемент 21 ИЛИ с открытым стоком.
Входная шина 1 подключена к входу ключевого элемента 2, выход которого соединен с входами схемы 4 сравнения и фильтра 3. Выход схемы 4 сравнения соединен со входом схемы 5 управления, выход которой соединен с входом управления ключевого элемента 2.
Вход ключевого элемента 2 соединен с анодом диода 9 и стоком первого МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа, катод диода 9 соединен с первыми выводами резистора 8 и конденсатора 12, второй вывод которого и исток первого МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа соединены с выходом ключевого элемента 2, второй вывод резистора 8 и затвор первого МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа соединены со стоком второго МДП транзистора 11 с индуцированным каналом n-типа, затвор которого соединен с входом управления ключевого элемента 2, а исток - с общей шиной 7.
Вход схемы 4 сравнения соединен непосредственно с эмиттером транзистора 16 p-n-p-типа и через первый резистор 15, соединен с базой транзистора 16 p-n-p-типа, катодом первого стабилитрона 17, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон 18, соединен с общей шиной 7 устройства, а коллектор транзистора 16 p-n-p-типа, являющийся выходом схемы 4 сравнения, через второй резистор 19, 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.
Вход схемы 5 управления соединен со вторым входом элемента ИЛИ 21 с открытым стоком, первый вход которого соединен с выходом генератора 20 импульсов, а выход - с выходом схемы 5 управления.
В качестве генератора 20 может быть использован любой автогенератор 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.
В момент подачи постоянного напряжения питания на входную шину 1 и на блоки схемы 5 управления, ключевой элемент 2 закрыт, напряжение на выходной шине 6 отсутствует, на выходе схемы 4 сравнения и входе схемы 5 управления (на втором входе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком) - низкий потенциал.
Подача напряжения питания на генератор 20 импульсов инициализирует формирование на его выходе импульса напряжения («лог.1») - на выходе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком устанавливается уровень «лог.1», осуществляющий перевод МДП транзистора 11 с индуцированным каналом n-типа в открытое состояние. На затворе МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа, устанавливается потенциал близкий к потенциалу земли, обеспечивая, тем самым запирание МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа (запирание ключевого элемента 2) и заряд конденсатора 12 до напряжения близкого к напряжению источника питания за вычетом падения напряжения на диоде 9 и нагрузке ключевого элемента 2.
В момент паузы следования импульсов с выхода генератора 20 импульсов, на выходе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком устанавливается уровень «лог.0» (на втором входе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком низкий потенциал), осуществляющий перевод МДП транзистора 11 с индуцированным каналом n-типа в закрытое состояние. Что приводит к нарастанию напряжения на затворе МДП транзистора 10 с индуцированным каналом «n-типа до напряжения питания минус падение напряжения на диоде 9. Последующее приращение напряжения на истоке МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа передается на его затвор через конденсатор 12, так как диод 9 запирается, МДП транзистор 10 с индуцированным каналом n-типа открывается. В общем случае, поддержание МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа в открытом состоянии обеспечивается зарядом конденсатора 12.
Открытие МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа сопровождается зарядом конденсатора 14 и возрастанием напряжения на эмиттере транзистора 16. Однако ток базы транзистора 16 отсутствует, поскольку стабилитрон 17 имеет высокое сопротивление (стабилитрон 18 открыт), транзистор 16 закрыт; на выходе схемы 4 сравнения - потенциал близкий к нулевому. При достижении, на входе схемы 4 сравнения, напряжения обеспечивающего пробой (открытие) стабилитрона 17, открывается транзистор 16. На выходе схемы 4 сравнения появляется высокий потенциал приводящий к установлению уровня «лог.1» на выходе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком и запиранию ключевого элемента 2.
В дальнейшем, до момента открывания ключевого элемента 2, питание нагрузки импульсного стабилизатора напряжения осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторе 14.
Резистор 15 осуществляет привязку потенциала базы транзистора 16 к потенциалу его эмиттера. Резистор 19 является коллекторной нагрузкой транзистора 16. Стабилитроны 17 и 18 однотипные, лавинные, обеспечивают взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации, а значит и расширение диапазона рабочих температур устройства.
Потенциал на входе схемы 4 сравнения снижается практически до нулевого, транзистор 16 закрывается, потенциал на втором входе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком также становится близким к нулевому, обеспечивая, тем самым, готовность схемы 5 управления (в случае паузы следования импульсов с выхода генератора 20 импульсов) к переключению ключевого элемента 2 в открытое состояние и подзаряда конденсатора 12. В дальнейшем процессы, происходящие в схеме импульсного стабилизатора напряжения, повторяются.
Период следования и скважность импульсов генератора 20 выбираются исходя из величины допустимой пульсации напряжения на выходе 6 схемы и времени необходимого для заряда конденсатора 12.
В случае прототипа, имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы ключевого 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, в схеме ключевого элемента 2 которого использованы МДП транзисторы, при той же величине коммутируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением как КПД, так и надежностью. Тем более, что в случае прототипа в составе схемы ключевого элемента необходимо использовать два однотипных биполярных транзистора (например, большой мощности), а в предлагаемом устройстве - разнотипные (например, большой мощности - МДП транзистор 10 и малой мощности - МДП транзистор 11).