Импульсный стабилизатор напряжения
SWITCHING VOLTAGE REGULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.
Уровень техники
Известны транзисторные импульсные стабилизаторы напряжения, которые содержат ключевой элемент, дроссель и конденсатор фильтра, обратный диод и устройство управления (Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др. Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - с. 306-318).
Недостатком импульсных стабилизаторов является большой уровень пульсаций выходного напряжения и, при низком допустимом коэффициенте пульсаций напряжения на нагрузке, их сглаживающий фильтр имеет большие объем и массу.
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является импульсный стабилизатор напряжения (патент RU №2767171, МПКG05F 1/565).
Импульсный стабилизатор напряжения содержит: ключевой элемент (биполярный транзистор n-p-n типа); дроссель; обратный диод; выходной конденсатор; устройство управления; нагрузку; регулирующий транзистор (биполярный транзистор n-p-n типа); операционный усилитель; резисторный датчик тока; источник опорного напряжения; разделительный конденсатор; балластный резистор, причем входной вывод положительной полярности стабилизатора подключен к коллектору ключевого элемента, к базе которого подключен выход устройства управления, эмиттер ключевого элемента соединен с катодом обратного диода и входом дросселя, к выходу которого подключены первые выводы балластного резистора, разделительного конденсатора, выходного конденсатора, нагрузки, вход положительной полярности источника опорного напряжения и первый вход устройства управления; входной вывод отрицательной полярности стабилизатора подключен к аноду обратного диода, вторым выводам резисторного датчика тока, выходного конденсатора, нагрузки, второму входу устройства управления, третьему выводу неинвертирующего входа операционного усилителя, входу отрицательной полярности источника опорного напряжения; первый вывод резисторного датчика тока соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и эмиттером регулирующего транзистора, коллектор которого соединен со вторым выводом балластного резистора, а база с выходом операционного усилителя, первый вывод неинвертирующего входа которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора, а второй вывод неинвертирующего входа операционного усилителя соединен с выходом источника опорного напряжения.
Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная:
- реализацией ключевого элемента и регулирующего транзистора на базе биполярных транзисторов, приборов, управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока;
- повышенными требованиями к величине выходного тока устройства управления и операционного усилителя в силу значительных токов базы биполярных транзисторов используемых в качестве ключевого элемента и регулирующего транзистора.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности.
n
n
Технический результат достигается тем, что в импульсный стабилизатор напряжения содержащий: дроссель; обратный диод; выходной конденсатор; устройство управления; нагрузку; операционный усилитель; резисторный датчик тока; источник опорного напряжения; разделительный конденсатор; балластный резистор, причем катод обратного диода соединен с входом дросселя, к выходу которого подключены первые выводы балластного резистора, разделительного конденсатора, выходного конденсатора, нагрузки, вход положительной полярности источника опорного напряжения и первый вход устройства управления; входной вывод отрицательной полярности стабилизатора подключен к аноду обратного диода, вторым выводам резисторного датчика тока, выходного конденсатора, нагрузки, второму входу устройства управления, третьему выводу неинвертирующего входа операционного усилителя, входу отрицательной полярности источника опорного напряжения; первый вывод резисторного датчика тока соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, первый вывод неинвертирующего входа которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора, а второй вывод неинвертирующего входа операционного усилителя соединен с выходом источника опорного напряжения, введены: МДП транзистор с индуцированным каналом -типа, выполняющий функции ключевого элемента, сток которого служит входным вывод положительной полярности стабилизатора, исток соединен с катодом обратного диода и входом дросселя, а затвор подключен к выходу устройства управления; МДП транзистор со встроенным каналом -типа, выполняющий функции регулирующего транзистора, сток которого соединен со вторым выводом балластного резистора, исток соединен с первый выводом резисторного датчика тока и инвертирующим входом операционного усилителя, а затвор подключен к выходу операционного усилителя.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения.
Осуществление изобретения
n
n
n
n
Импульсный стабилизатор напряжения (см. чертеж) содержит: МДП транзистор 1 с индуцированным каналом -типа, выполняющий функции ключевого элемента; дроссель 2; обратный диод 3; выходной конденсатор 4; устройство управления 5; нагрузку 6; МДП транзистор 7 с встроенным каналом -типа, выполняющий функции регулирующего транзистора; операционный усилитель 8; резисторный датчик тока 9; источник опорного напряжения 10; разделительный конденсатор 11; балластный резистор 12, причем входной вывод положительной полярности стабилизатора подключен к стоку МДП транзистора 1 с индуцированным каналом -типа, выполняющего функции ключевого элемента, затвор которого подключен к выходу устройства управления 5, а исток соединен с катодом обратного диода 3 и входом дросселя 2, к выходу которого подключены первые выводы балластного резистора 12, разделительного конденсатора 11, выходного конденсатора 4, нагрузки 6, вход положительной полярности источника опорного напряжения 10 и первый вход устройства управления 5; входной вывод отрицательной полярности стабилизатора подключен к аноду обратного диода 3, вторым выводам резисторного датчика тока 9, выходного конденсатора 4, нагрузки 6, второму входу устройства управления 5, третьему выводу неинвертирующего входа операционного усилителя 8, входу отрицательной полярности источника опорного напряжения 10; первый вывод резисторного датчика тока 9 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 8 и истоком МДП транзистора 7 с встроенным каналом -типа, выполняющим функции регулирующего транзистора, сток которого соединен со вторым выводом балластного резистора 12, а затвор с выходом операционного усилителя 8, первый вывод неинвертирующего входа которого соединен со вторым выводом разделительного конденсатора 11, а второй вывод неинвертирующего входа операционного усилителя 8 соединен с выходом источника опорного напряжения 10.
Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом.
Стабилизатор имеет три контура регулирования.
n
Первый контур, образующий собственно импульсный стабилизатор, состоит из МДП транзистора 1 с индуцированным каналом -типа, выполняющего функции ключевого элемента, дросселя 2, обратного диода 3, выходного конденсатора 4 и устройства управления 5. Этот контур обеспечивает стабилизацию среднего значения выходного напряжения при изменении напряжения питания и тока нагрузки и предварительное сглаживание пульсаций выходного напряжения. При замкнутом ключевом элементе происходит передача энергии от первичного источника питания в нагрузку 6 и подзаряд дросселя 2 и выходного конденсатора 4. При разомкнутом ключевом элементе энергия, накопленная в дросселе 2 и выходном конденсаторе 4, передается в нагрузку 6 через обратный диод.
n
Второй контур регулирования, состоящий из операционного усилителя 8, датчика тока 9 и источника опорного напряжения 10, обеспечивает работу МДП транзистора 7 с встроенным каналом -типа, выполняющим функции регулирующего транзистора, в непрерывном режиме, т.е. поддерживает неизменной величину постоянной составляющей тока регулирующего транзистора при любом режиме работы стабилизатора. Эта составляющая больше, чем амплитуда переменной составляющей тока, обусловленной пульсациями напряжения на выходе первого контура регулирования.
n
Третий контур, состоящий из МДП транзистора 7 с встроенным каналом -типа, выполняющим функции регулирующего транзистора, операционного усилителя 8 и разделительного конденсатора 11, осуществляет окончательное сглаживание пульсаций выходного напряжения стабилизатора.
В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией ключевого элемента и регулирующего транзистора 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 случае использования МДП транзисторов 1 и 7 в качестве ключевого элемента и регулирующего транзистора, при той же величине коммутируемой мощности, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением как КПД, так и, прежде всего, надежностью.
Немаловажный вклад в повышение как надежности, так и КПД предлагаемого устройства вносит факт упрощения схем устройства управления 5 и операционного усилителя 8, так как токи управления МДП транзисторов 1 и 7 практически равны нулю.