Импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения

Полезная модель относится к преобразовательной технике, в частности к импульсным стабилизированным источникам отрицательного напряжения, и может быть использована для питания электронных устройств. Техническим результатам полезной модели является расширение диапазона выходного напряжения до значений, необходимых для работы высоковольтных устройств (1000 В и более), а также расширение функциональных возможностей устройства.
Импульсный стабилизированный источник напряжения содержит, как правило, широтно-импульсный преобразователь и усилитель ошибки, включающий операционный усилитель и прецизионный источник опорного напряжения. Усилитель ошибки сравнивает напряжение источника опорного напряжения с выходным напряжением широтно-импульсного преобразователя (или частью его, снимаемого с выходного делителя напряжения) и формирует сигнал ошибки. Сигнал ошибки поступает на вход управления широтно-импульсного преобразователя непосредственно или через элемент гальванической развязки (например, оптопару) и, изменяя режим работы широтно-импульсного преобразователя, обеспечивает стабилизацию выходного напряжения.
В качестве усилителя ошибки широко используется регулируемый стабилитрон, содержащий однополярный операционный усилитель, источник опорного напряжения и транзистор, выполняющий функцию регулирующего элемента [1]. Регулируемый стабилитрон фактически представляет собой маломощный регулируемый параллельный стабилизатор напряжения. Известны два типа регулируемых стабилитронов [2]. В первом типе регулируемых стабилитронов внутренний источник опорного напряжения стабилитрона включен между входом операционного усилителя и выводом «нуля» питания операционного усилителя, т.е. включен относительно анода регулируемого стабилитрона. Это микросхемы TL431 (Texas Instruments), 142EH19 (АО «Научно-производственное предприятие «ЭлТом»). Во втором типе регулируемых стабилитронов внутренний источник опорного напряжения включен между входом операционного усилителя и «плюсом» питания операционного усилителя, т.е. включен относительно катода регулируемого стабилитрона. К данному типу относятся микросхемы AMS3100AM (Advanced Monolithic Systems), LM4041-ADJ (Texas Instruments). В обоих типах регулируемых стабилитронов второй вход операционного усилителя является управляющим входом регулируемого стабилитрона.
Известен импульсный стабилизированный источник напряжения [3], включающий широтно-импульсный преобразователь типа UC3842, регулируемый стабилитрон типа TL431 с оптопарой и резистивный делитель напряжения. Схема включения и тип регулируемого стабилитрона ограничивает максимальную величину выходного напряжения и не позволяет использовать широтно-импульсный преобразователь с отрицательным напряжением на выходе. Кроме того, функциональные возможности устройства ограничены, т.к. изменение величины выходного напряжения не может регулироваться электронным способом при помощи управляющего напряжения.
Известен импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения [4], содержащий широтно-импульсный преобразователь, регулируемый стабилитрон типа TL431 с оптопарой и резистивный делитель напряжения. Широтно-импульсный преобразователь содержит дополнительный узел формирования низковольтного положительного напряжения. Именно по величине дополнительного положительного напряжения и осуществляется стабилизация выходного отрицательного напряжения.
Недостатком устройства является его сложность, а также низкая стабильность выходного отрицательного напряжения (особенно при изменении тока нагрузки по этой цепи) из-за того, что его стабилизация осуществляется опосредованно через стабилизацию положительного напряжения, не зависящего от указанного тока нагрузки.
Известен импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения [5], включающий широтно-импульсный преобразователь, регулируемый стабилитрон типа TL431 с оптопарой и резистивный делитель напряжения. Широтно-импульсный преобразователь содержит дополнительный узел формирования положительного напряжения, по которому, как и в выше описанном устройстве, производится общая стабилизация устройства. Для повышения же стабильности отрицательного напряжения в выходной каскад широтно-импульсного преобразователя введен дополнительный линейный стабилизатор типа 7912.
Недостатком данного устройства является его сложность, узкий диапазон выходного отрицательного напряжения и низкий КПД из-за особенности схем линейных стабилизаторов напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения [6], который и принят в качестве прототипа.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: широтно-импульсный преобразователь, регулируемый стабилитрон, элемент нагрузки регулируемого стабилитрона, связанный с входом управления преобразователя и соединенный одним выводом с общей шиной преобразователя, и делитель напряжения, первый вывод которого подключен к отрицательной шине преобразователя, а средний вывод соединен с управляющим входом регулируемого стабилитрона.
В прототипе используется регулируемый стабилитрон, выполненный с внутренним источником опорного напряжения, включенным относительно анода стабилитрона (тип TL431). Элемент нагрузки регулируемого стабилитрона состоит из последовательно соединенных резистора и светодиода оптопары. Выход оптопары связан оптическим сигналом с входом управления преобразователя и тем самым обеспечивает гальваническую развязку по «общей» шине между входной и выходной цепями устройства. Дополнительно оптопара преобразует сигнал ошибки отрицательного напряжения, формируемый на катоде регулируемого стабилитрона, в сигнал положительного напряжения, необходимый для входа управления преобразователя. Если гальваническая развязка не нужна или не может быть реализована из-за конструктивных особенностей прибора, в котором применяется данный источник напряжения, то в качестве элемента нагрузки регулируемого стабилитрона используется просто резистор [7].
Недостатком прототипа является узкий диапазон выходного отрицательного напряжения.
Это объясняется тем, что при начальном включении устройства, до момента достижения выходным напряжением своего номинального значения (минус 9 В), регулируемый стабилитрон заперт (не проводит ток) и все выходное напряжение устройства прикладывается к переходу катод-анод стабилитрона. Для регулируемых стабилитронов максимально допустимое напряжение катод-анод невелико - десятки вольт (для TL431 - 36 В), поэтому такой же величиной ограничено и выходное напряжение прототипа. Однако для ряда применений требуются источники отрицательного напряжения величиной до 1000 В и более.
Попытка ограничения напряжения на переходе катод-анод регулируемого стабилитрона, например, при помощи параллельного включения дополнительного стабилитрона или резистора не позволяет расширить диапазон выходного напряжения. Это объясняется тем, что при больших выходных напряжениях и малых токах нагрузки, что часто имеет место на практике, мощность, рассеиваемая токоограничивающим резистором в цепи катода регулируемого стабилитрона из-за сравнительно большого тока светодиода оптопары (порядка 3-5 мА), будет велика и сравнима с мощностью, отдаваемой источником напряжения в нагрузку. Это приводит к проблеме с тепловыделением и с энергоэкономичностью устройства, а также (даже без оптопары) к конструктивной проблеме расположения мощного и высоковольтного токоограничивающего резистора в цепи катода регулируемого стабилитрона. Использование же дополнительного низковольтного источника отрицательного напряжения для «питания» анода регулируемого стабилитрона данного типа (TL431), во-первых, усложнит устройство и, во-вторых, приведет к большой нестабильности выходного напряжения, особенно при больших его значениях. Указанные причины также ограничивают диапазон отрицательного выходного напряжения прототипа.
Другим недостатком прототипа является невозможность изменения величины выходного напряжения при помощи внешнего источника напряжения. Это ограничивает функциональные возможности устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является расширение диапазона выходного отрицательного напряжения и расширение функциональных возможностей устройства.
Указанный технический результат в импульсном стабилизированном источнике отрицательного напряжения, включающем широтно-импульсный преобразователь, регулируемый стабилитрон, элемент нагрузки регулируемого стабилитрона, связанный с входом управления широтно-импульсного преобразователя и соединенный одним выводом с общей шиной широтно-импульсного преобразователя, и делитель напряжения, первый вывод которого подключен к отрицательной шине широтно-импульсного преобразователя, а средний вывод соединен с управляющим входом регулируемого стабилитрона, достигается тем, что другой вывод элемента нагрузки регулируемого стабилитрона соединен с анодом регулируемого стабилитрона, катод которого подключен к положительной шине дополнительного источника напряжения и второму выводу делителя напряжения. При этом регулируемый стабилитрон выполнен с внутренним источником опорного напряжения, включенным относительно катода регулируемого стабилитрона.
Сущность заявленной полезной модели поясняется неограничивающими чертежами. На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - функциональная схема регулируемого стабилитрона с внутренним источником опорного напряжения, включенным относительно катода регулируемого стабилитрона.
Импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения на фиг. 1 содержит широтно-импульсный преобразователь 1; регулируемый стабилитрон 2 с анодом А, катодом К и управляющим входом У и с внутренним источником опорного напряжения, включенным относительно катода (например, LM4041-ADJ); элемент 3 нагрузки регулируемого стабилитрона, выполненный, например, в виде резистора; делитель 4 напряжения, состоящий, например, из двух резисторов R1 и R2; вход 5 управления, общую шину 6 и отрицательную шину 7 широтно-импульсного преобразователя 1; положительную шину 8 дополнительного источника напряжения (сам дополнительный источник на фиг. 1 не показан).
Широтно-импульсный преобразователь 1 может быть построен по разным схемам: без гальванической развязки (прямоходовые, обратноходовые), с гальванической развязкой (однотактные, двухтактные) и т.д. [8]. В качестве элемента 3 нагрузки может использоваться просто резистор или светодиод оптопары с последовательно соединенным резистором или без него. Делитель 4 напряжения может быть как чисто резистивный, так и содержать дополнительные элементы: диоды, стабилитроны, конденсаторы.
На фиг. 2 приведена схема регулируемого стабилитрона 2, который содержит операционный усилитель 9, внутренний источник 10 опорного напряжения, включенный относительно катода регулируемого стабилитрона 2 (плюсом и минусом обозначена полярность источника 10 опорного напряжения) и транзистор 11. Буквами А, К и У обозначены соответственно анод, катод и управляющий вход регулируемого стабилитрона 2.
Импульсный стабилизированный источник отрицательного напряжения работает следующим образом.
R2
ОП
В режиме стабилизации падение напряжения U на резисторе R2 делителя 4 напряжения с высокой степенью точности равно напряжению U внутреннего источника 10 опорного напряжения регулируемого стабилитрона 2. Т.е. уравнение стабилизации запишется в виде:
ВЫХ
ДОП
где U и U - напряжение на шинах 7 и 8 соответственно, R1 и R2 - сопротивление резисторов делителя 4 напряжения.
При этом регулируемый стабилитрон 2 проводит ток, значение которого определяет величину падения напряжения на элементе 3 нагрузки, т.е. величину напряжения ошибки (+Uoш). Напряжение ошибки, поступающее на вход 5 управления широтно-импульсного преобразователя 1, определяет номинальный режим его работы и, следовательно, номинальное напряжение на выходе импульсного стабилизированного источника отрицательного напряжения, которое, как следует из (1), равно:
Таким образом, величина стабилизированного отрицательного выходного напряжения практически определяется значением Uoп внутреннего источника 10 опорного напряжения регулируемого стабилитрона 2 и отношением сопротивлений резисторов R1/R2 делителя 4 напряжения. При этом максимально возможное значение Uвых импульсного стабилизированного источника отрицательного напряжения ограничивается только предельными параметрами широтно-импульсного преобразователя 1.
R2
При изменении, например увеличении (по абсолютной величине) по какой-либо причине выходного напряжения устройства, падение напряжения U на резисторе R2 увеличивается. Это вызывает увеличение напряжения на выходе операционного усилителя 9 и увеличение тока транзистора 11, т.е. увеличение тока катод-анод регулируемого стабилитрона 2. В результате напряжение ошибки Uош на элементе 3 нагрузки увеличивается. При этом режим работы широтно-импульсного преобразователя 1 изменяется таким образом, что длительность такта передачи энергии от входного источника напряжения во вторичную цепь (цепь нагрузки) широтно-импульсного преобразователя 1 уменьшается. В результате, выходное напряжение уменьшается, т.е. «возвращается» к своему номинальному значению, определяемому формулой (2).
Нестабильность выходного напряжения ΔUвых импульсного стабилизированного источника отрицательного напряжения определяется формулой:
где ΔUoп - погрешность внутреннего источника 10 опорного напряжения регулируемого стабилитрона 2, ΔUдоп - погрешность напряжения на шине 8.
Как следует из (3), нестабильность импульсного стабилизированного источника отрицательного напряжения при больших выходных напряжениях определяется фактически погрешностью ΔUоп источника опорного напряжения (из-за большой величины отношения R1/R2), а вклад погрешности ΔUдоп дополнительного источника мал.
Достижение заявленного технического результата - расширение диапазона выходного отрицательного напряжения - объясняется тем, что в заявленном импульсном стабилизированном источнике отрицательного напряжения режимы работы регулируемого стабилитрона 2 и элемента 3 нагрузки и при начальном включении, и в процессе стабилизации не зависят от величины выходного напряжения и, следовательно, не накладывают ограничений на его максимальную величину. Так, в импульсном стабилизированном источнике отрицательного напряжения, при его работе, напряжение на переходе катод-анод регулируемого стабилитрона 2 не превышает значения Uдоп на шине 8 (для регулируемого стабилитрона 2 типа LM4041-ADJ - не более 10 В), а напряжения на управляющем входе регулируемого стабилитрона 2 и на элементе 3 нагрузки не превышают соответственно значений Uоп и Uош (единицы вольт). Кроме того, большие значения выходного напряжения не вызывают (в отличие от прототипа) необходимости применения в составе элемента 3 нагрузки мощных и высоковольтных компонентов.
Расширение функциональных возможностей в заявленном импульсном стабилизированном источнике отрицательного напряжения путем получения возможности изменения выходного напряжения при помощи внешнего источника напряжения следует из формулы (2) и обеспечивается изменением напряжения Uдоп на шине 8 дополнительного источника напряжения. Изменение напряжения Uдоп в пределах диапазона допустимых значений напряжения катод-анод регулируемого стабилитрона 2 позволяет подстраивать или модулировать по необходимому закону величину выходного напряжения. В зависимости от решаемой технической задачи дополнительный источник напряжения может быть выполнен по любой известной схеме в составе импульсного стабилизированного источника отрицательного напряжения или вне его и управляться с использованием гальванической развязки или без нее.
Практический образец полезной модели с использованием регулируемого стабилитрона типа LM4041-ADJ, при входном напряжении - плюс 24 В ± 10%, выходном напряжении - минус 1500 В и токе нагрузки 5 мА показал КПД более 90% и нестабильность выходного напряжения менее 0,1%.
Источники информации
1. В.И. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера, 2005. - 632 с. (стр. 507-510).
2. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2007. - 528 с., ил. (стр. 243).
3. Патент Китая № CN 203968000 U, Н02М 7/217, Н02М 3/155, публикация 26.11.2014.
4. Design of a TL431-Based Controller for a Flyback Converter. Dr. John Schonberger. Plexim GmbH.
5. Патент Китая № CN 204349830U, H02M 3/335, H02M 7/217, публикация 20.05.2015.
6. Application Note. Feedback Isolation Augments Power-Supply Safety and Performance. (fig. 3) … Jan 22, 2001. Maxim Integrated Products, Inc. (https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/664) (прототип).
7. Патент США №5.982.641, H02M 3/335 (fig. l, R16).
8. В.И. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера, 2005. - 632 с.
Перечень позиций
1 - широтно-импульсный преобразователь;
2 - регулируемый стабилитрон с анодом А, катодом К и управляющим входом У;
3 - элемент нагрузки регулируемого стабилитрона;
4 - делитель напряжения, состоящий из двух резисторов R1 и R2;
5 - вход управления широтно-импульсного преобразователя 1;
6 - общая шина широтно-импульсного преобразователя 1;
7 - отрицательная шина широтно-импульсного преобразователя 1;
8 - положительная шина дополнительного источника напряжения;
9 - операционный усилитель регулируемого стабилитрона 2;
10 - источник опорного напряжения регулируемого стабилитрона 2 с обозначенной плюсом и минусом полярностью;
11 - транзистор регулируемого стабилитрона 2;
А - анод регулируемого стабилитрона 2;
К - катод регулируемого стабилитрона 2;
У - управляющий вход регулируемого стабилитрона 2.