Импульсный стабилизатор напряжения
PULSE VOLTAGE STABILIZER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение 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.
Известен импульсный стабилизатор напряжения содержащий шину начальной установки, входную шину, ключевой элемент, фильтр, схему сравнения, схему управления, выходную шину. Ключевой элемент содержит первый транзистор p-n-p-типа, второй транзистор n-p-n-типа, первый и второй резисторы. Фильтр содержит диод и конденсатор. Схема сравнения содержит транзистор p-n-p-типа, стабилитрон, диод, первый и второй резисторы. Схема управления содержит генератор импульсов, RS-триггер, инвертор с открытым стоком (патент RU №2216765, МПК G05F 1/56).
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низкой температурной стабильностью выходного напряжения (узким диапазоном рабочих температур) в случае широкого диапазона выходных напряжений;
- узким диапазоном выходных напряжений при высокой температурной стабильности (широком диапазоне рабочих температур);
- низким 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;
- низкой точностью установления выходного напряжения;
- отсутствием защиты от перегрузки.
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 р-n-р-типа, второй транзистор n-p-n-типа, фильтр содержит диод и конденсатор. Схема сравнения содержит первый резистор, диод, транзистор р-n-р-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 являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким 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;
- низкой точностью установления выходного напряжения;
- отсутствием защиты от перегрузки.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
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 р-n-р-типа, первый и второй стабилитроны, первый и второй резисторы; схему управления; 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 р-n-р-типа и через первый резистор, соединен с базой транзистора р-n-р-типа, катодом первого стабилитрона, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон, соединен с общей шиной, а коллектор транзистора р-n-р-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 - формирователь импульса начальной установки; элемент 2-ИЛИ с открытым стоком, одновибратор, причем первый вход элемента 2-ИЛИ с открытым стоком, выход которого служит выходом схемы управления, соединен с выходом формирователя импульса начальной установки, а второй вход соединен с выходом одновибратора, вход которого служит входом 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 фиг. 1 представлена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы функционирования импульсного стабилизатора напряжения:
- фиг. 2.а - временные диаграммы на выходе формирователя импульсов 20 начальной установки;
- фиг. 2.б - временные диаграммы на выходе элемента 2-ИЛИ 21 с открытым стоком;
- фиг. 2.в - временные диаграммы на выходе одновибратора 22;
- фиг. 2.г - временные диаграммы на выходе схемы 4 сравнения (резистора 19);
- фиг. 2.д - временные диаграммы на выходной шине 6 (конденсаторе 14).
Осуществление изобретения
Импульсный стабилизатор напряжения (фиг. 1) 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 р-n-р-типа, первый стабилитрон 17, второй стабилитрон 18, второй резистор 19.
Схема 5 управления содержит формирователь импульса 20 начальной установки; элемент 2-ИЛИ 21 с открытым стоком, одновибратор 22.
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 р-n-р-типа и через первый резистор 15, соединен с базой транзистора 16 р-n-р-типа, катодом первого стабилитрона 17, анод которого, через встречно включенный второй стабилитрон 18, соединен с общей шиной 7 устройства, а коллектор транзистора 16 р-n-р-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 с выходом одновибратора 22, выход которого соединен со вторым входом элемента 2-ИЛИ с открытым стоком, выход которого служит выходом схемы 5 управления, а вход соединен с выходом формирователя импульса 20 начальной установки.
В качестве формирователя импульса 20 начальной установки может быть использован триггер Шмитта, осуществляющий формирование положительного импульса при включении питания (https://stadopedia.su/9_5389_primenenie-logicheskih-elementov.html, рис. 2-38).
В качестве одновибратора 22 может быть использован ждущий мультивибратор, переводимый в неустойчивое состоянием с высоким уровнем напряжения на выходе при подачи на вход высокого уровня напряжения (https://vpayaem.ru/informationl 8.html, рис. 9).
Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом.
0
2
На момент подачи постоянного напряжения питания на входную шину 1 и на блоки схемы 5 управления (цепи питания последних не показаны), ключевой элемент 2 закрыт, напряжение на выходной шине 6 отсутствует, на выходе схемы 4 сравнения и входе схемы 5 управления (на входе одновибратора 22) - низкий потенциал. В то же время при подачи напряжения питания выходной сигнал формирователя импульса 20 начальной установки (фиг. 2.а), (независимо от состояния одновибратора 22 (переходных процессов в момент включения, (фиг. 2.в))) посредством элемента 2-ИЛИ 21 с открытым стоком (фиг.2.б), обеспечивает поддержание на выходе схемы 5 управления, в течение фиксированного интервала времени [t; t], высокий потенциал (уровень «лог.1»), обеспечивающий поддержание МДП транзистора 11 с индуцированным каналом n-типа в открытом состоянии, а МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа в закрытом состоянии, так как на затворе МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа, потенциал остается близким к потенциалу земли. Вследствие закрытого состояния МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа, конденсатор 12 заряжается до напряжения близкого к напряжению источника питания, за вычетом падения напряжения на диоде 9 и нагрузке ключевого элемента 2.
1
К моменту времени t, переходные процессы в одновибраторе 22 завершаются. Одновибратор 22 переходит в устойчивое состояние, на выходе устанавливается уровень «лог.0».
2
С момента времени t, на выходе формирователя импульса 20 начальной установки устанавливается уровень «лог.0», а на выходе элемента 21 ИЛИ с открытым стоком (на выходе схемы 5 управления) устанавливается потенциал, близкий к потенциалу земли, 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.
3
3
4
Открытие МДП транзистора 10 с индуцированным каналом n-типа сопровождается зарядом конденсатора 14 (фиг. 2.д) 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 (резисторе 19, фиг. 2.г) – 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 (момент времени t, фиг. 2.д), приводящий в неустойчивое состояние одновибратор 22. На выходе схемы 5 управления, в течение фиксированного интервала времени [t; t] (фиг. 2.б), поддерживается высокий потенциал (уровень «лог.1»), обеспечивающий запирание ключевого элемента 2 и подзаряд конденсатора 12.
3
4
В интервале времени [t; t] 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.
4
В момент времени t одновибратор 22 переходит в устойчивое состояние, на выходе устанавливается уровень «лог.0», обеспечивающий перевод ключевого элемента 2 в открытое состояние и подзаряд конденсатора 14.
В дальнейшем, алгоритм работы стабилизатора повторяется. Причем в силу жесткой обратной связи длительности устойчивого состояния одновибратора 22 (периода следования управляющих импульсов) со скоростью заряда конденсатора 14 (сопротивлением нагрузки стабилизатора, скачкообразных колебаний напряжения на входной шине 1) предлагаемое устройство характеризуется:
- более высокой точностью установления выходного напряжения в сравнении с прототипом, так как, в случае прототипа, как нестабильность сопротивления нагрузки, так и скачкообразные колебания напряжения на входной шине, не оказывают влияние на период следования управляющих импульсов;
- наличием защиты по току.
В случае перегрузки по току (значительного уменьшения сопротивления нагрузки, вплоть до короткого замыкания) - стабилитрон 17, а значит и ключевой элемент 2, будут оставаться в закрытом состоянии.
В случае прототипа, защита по току не предусмотрена - ключевой элемент переводится в открытое состояние независимо от сопротивления нагрузки, что существенно снижает надежность устройства.
Кроме того, в случае прототипа, имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы ключевого элемента на базе биполярных транзисторов. 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 надежности. 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).
В целом предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.