ЛИНЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве сильноточного линейного стабилизатора постоянного напряжения для питания различного вида нагрузок.
Известны схемы линейных стабилизаторов постоянного напряжения на транзисторах, включенных последовательно в шины питания. При использовании в подобных схемах мощных полевых транзисторов имеют место большие потери мощности из-за большого порогового напряжения на их затворах. Для того, чтобы компенсировать это напряжение используются дополнительные источники смещения, подключенные к затворам транзисторов «500 схем для радиолюбителей. Источники питания» А.П.Сельен, Изд. Наука и техника, 2005 г. «Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе»). При питании схем от сети переменного тока дополнительные источники смещения выполняют на базе входных трансформаторов (путем подключения к дополнительным либо непосредственно к их вторичным обмоткам). Однако при питании схем от источников постоянного напряжения (не содержащих входных трансформаторов) формирование дополнительного источника смещения вызывает затруднения.
Наиболее близким к полезной модели устройством является линейный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий полевой транзистор, включенный последовательно в шину питания. К выходным выводам стабилизатора подсоединен резистивный делитель напряжения, через который часть выходного напряжения подается на блок отрицательной обратной связи (ООС), который воздействует на величину напряжения затвора транзистора (International IR Rectifier AN-970 «Применение силовых полевых транзисторов в линейных стабилизаторах с малым падением напряжения»). Недостатком известного технического решения является большое пороговое напряжение на затворе полевого транзистора, что влечет за собой большие потери мощности на транзисторе, приводящие к снижению КПД всего устройства.
Техническим результатом, которого можно достичь при реализации полезной модели, является повышение КПД за счет снижения потерь мощности на полевом транзисторе.
Технический результат достигается за счет того, что в линейном стабилизаторе постоянного напряжения на полевом транзисторе, содержащем источник постоянного напряжения, первый вывод которого соединен через силовую цепь полевого транзистора с первым выходным выводом, а второй - со вторым выходным выводом, являющимся общим выводом схемы, при этом к выходным выводам подключен делитель напряжения, точка соединения резисторов которого присоединена ко входу узла отрицательной обратной связи, выходом подключенного к затвору полевого транзистора, соединенному также с источником смещения, в состав которого входит генератор прямоугольного напряжения с выходным комплиментарным ключом, цепи питания которого связаны с выходными выводами, и узел умножения его выходного напряжения, включающий в себя первый конденсатор, соединенный через первый диод с первым выходным выводом, и через второй диод - с точкой соединения второго резистора и второго конденсатора, связанного с вторым выходным выводом, при этом свободный вывод второго резистора является выходом узла умножения напряжения. Кроме того, параллельно цепи питания генератора прямоугольного напряжения могут быть подсоединены третий конденсатор и стабилитрон соответственно, при этом указанная связь цепи питания генератора прямоугольного напряжения и второго конденсатора с выходными выводами осуществлена через третий резистор.
В проанализированных источниках информации описан способ снижения потерь мощности на полевом транзистора линейного стабилизатора путем компенсации порогового напряжения на его затворе с помощью источника смещения («500 схем для радиолюбителей. Источники питания» А.П.Сельен, Изд. Наука и техника, 2005 г.). Однако из этой информации однозначно не следует возможность выполнения компенсирующего источника при питании стабилизаторов от источников постоянного напряжения не содержащих входных трансформаторов, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».
На Фиг.1 приведена электрическая схема линейного стабилизатора постоянного напряжения низкого уровня (менее 15 В).
На Фиг.2 приведена электрическая схема линейного стабилизатора постоянного напряжения высокого уровня (более 15 В).
Устройство (Фиг.1, 2) содержит источник постоянного напряжения 1, один из выводов которого соединен с первым силовым выводом полевого транзистора 2, второй силовой вывод которого соединен с первым выходным выводом схемы, второй выходной вывод которой является общим выводом схемы. Первый силовой вывод полевого транзистора присоединен через первый резистор 3 к его затвору, подключенному также к выходу узла отрицательной обратной связи (ООС) 4 и источнику смещения. Управляющий вход узла ООС 4 присоединен к делителю напряжения на резисторах 5. Источник смещения состоит из генератора прямоугольного напряжения 6 с выходным комплиментарным ключом и узла умножения его выходного напряжения. Узел умножения включает в себя первый конденсатор 7, соединенный через первый диод 8 с первым выходным выводом и через второй диод 9 - с точкой соединения второго резистора 10 и второго конденсатора 11. Свободный вывод резистора 10 является выходом узла умножения напряжения. Параллельно цепи питания генератора прямоугольного напряжения 6 (Фиг.2) подсоединены третий конденсатор 12 и стабилитрон 13 соответственно, а связь выводов питания генератора прямоугольного напряжения и второго конденсатора 11 с выходными выводами осуществлена через третий резистор 14.
Устройство работает следующим образом.
При подключении устройства к источнику постоянного напряжения открывается регулирующий полевой транзистор 2 и на выходных выводах формируется выходное напряжение, поступающее также на выводы питания генератора прямоугольных импульсов 6. Комплиментарный ключ генератора 6 начинает коммутировать его выходное напряжение, обеспечивая заряд конденсатора 7 до уровня выходного напряжения Uвых., а конденсатора 11 - до уровня 2 Uвых. Через резистор 10 напряжение конденсатора 11 подается на затвор транзистора 2, компенсируя величину его порогового напряжения и обеспечивая его работу с минимальными потерями мощности.
Схему, изображенную на Фиг.1, целесообразно применять при относительно низких (до 15 В) значениях входного напряжения, при которых источник смещения снижает напряжение сток-исток транзистора до 20-30 мВ.
При относительно высоких постоянных напряжениях (более 15 В) использование данной схемы не целесообразно, т.к. в этом случае на выходе схемы умножения и, следовательно, затворе полевого транзистора формируется слишком большой сигнал, который препятствует открытию регулирующего транзистора.
Для обеспечения нормального функционирования схемы при высоких постоянных напряжениях питания (Фиг.2) принудительно ограничивают напряжение питания генератора 6 с помощью стабилитрона 13, шунтирующего конденсатора 12 и токоограничивающего резистора 14. После запуска генератора 6 на схему умножения поступает более низкое входное напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 13, а не Uвых. При этом на затвор регулирующего транзистора поступает напряжение источника смещения, равное удвоенному напряжению стабилизации стабилитрона 13 (≈10 В), обеспечивая его нормальную работу при напряжении сток-исток 20-30 мВ.
Таким образом, подключение источника смещения, компенсирующего пороговое напряжение на затворе полевого транзистора, позволяет снизить потери мощности на транзисторе и повысить КПД устройства, причем выполнение источника смещения в виде блока умножения напряжения и генератора прямоугольных импульсов с выходным комплиментарным ключом позволило реализовать использование этого источника в схеме линейного стабилизатора постоянного напряжения при его интегральном исполнении.
Благодаря высокому КПД полезная модель может быть рекомендована для питания широкого спектра потребителей электроэнергии стабилизированного постоянного напряжения.