Электронный стабилизатор постоянного напряжения
ELECTRONIC DIRECT-CURRENT VOLTAGE REGULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Уровень техники
Известен электронный стабилизатор постоянного напряжения (патент RU №2542673, МПК: G05F 1/569) содержащий: балластный резистор; нагрузку; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одного стабилитрона, и двух резисторов, которые образуют 2 плеча, причем по крайней мере, один стабилитрон и резистор образуют одно плечо делителя обратной связи, а другое плечо составляет второй резистор; регулирующий элемент, выполненный из двух последовательно соединенных биполярных транзисторов.
Недостатком данного устройства являются низкая надежность при ограниченных функциональных возможностях.
Низкая надежность обусловлена реализацией регулирующего элемента на базе биполярных транзисторов, приборов,  управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока.
Ограниченные функциональные возможности обусловлены:
- 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 коэффициентом стабилизации;
- низким коэффициентом полезного действия.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является электронный стабилизатор постоянного напряжения (патент RU №162020, МПК: G05F 1/569).
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
n-p-n
Электронный стабилизатор постоянного напряжения содержит: балластный резистор; нагрузку; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов, при этом его первым выводом служит первый вывод первого резистора, вторым выводом служит второй вывод второго резистора, третьим выводом служит соединение второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора; регулирующий элемент, выполненный из двух последовательно соединенных биполярных транзисторов  типа, при этом коллектор и база первого биполярного транзистора  типа служат, соответственно, первым и третьим выводами регулирующего элемента, эмиттер и база второго биполярного транзистора  типа служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента, а эмиттер первого биполярного транзистора  типа подключен к коллектору второго биполярного транзистора  типа; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов, и двух резисторов, которые образуют два плеча, причем первый резистор и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов образуют первое плечо, а второй резистор образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона первой пары однотипных лавинных стабилитронов, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи является второй вывод второго резистора, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод первого резистора, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения соединен с третьим выводом регулирующего элемента, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи.
Недостатком данного устройства являются низкая надежность при ограниченных функциональных возможностях.
Низкая надежность обусловлена реализацией регулирующего элемента на базе биполярных транзисторов, приборов,  управляемых током, собственное энергопотребление которых, а значит, и тепловой режим напрямую связан с величиной коммутируемого тока.
Ограниченные функциональные возможности обусловлены:
- низким коэффициентом стабилизации;
- низким коэффициентом полезного действия.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности при одновременном расширении функциональных возможностей.
n
n
n
n
p
n
p
n
p
n
Технический результат достигается тем, что в электронный стабилизатор постоянного напряжения содержащий: балластный резистор; нагрузку; регулирующий элемент; выравнивающий делитель напряжения, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов, при этом его первым выводом служит первый вывод первого резистора, вторым выводом служит второй вывод второго резистора, третьим выводом служит соединение второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора; делитель обратной связи, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов, и двух резисторов, которые образуют два плеча, причем первый резистор и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов образуют первое плечо, а второй резистор образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона первой пары однотипных лавинных стабилитронов, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи является второй вывод второго резистора, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод первого резистора, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи, причем вход отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки, первые выводы которых соединены со вторым выводом балластного резистора, первый вывод которого служит входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; третий вывод выравнивающего делителя напряжения соединен с третьим выводом регулирующего элемента, четвертый вывод которого соединен с третьим выводом делителя обратной связи, введены: защитный резистор, два МДП транзистора со встроенным каналом -типа, при этом первый вывод защитного резистора служит первым выводом регулирующего элемента, третьим выводом которого служит затвор первого МДП транзистора со встроенным каналом -типа, второй вывод защитного резистора соединен со стоком первого МДП транзистора со встроенным каналом -типа, исток которого соединен со стоком второго МДП транзистора со встроенным каналом -типа, исток и затвор которого служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента; входной регулирующий элемент, содержащий два резистора, МДП транзистор со встроенным каналом -типа, МДП транзистор со встроенным каналом -типа, при этом соединение первого вывода первого резистора, истока МДП транзистора со встроенным каналом -типа и стока МДП транзистора со встроенным каналом -типа служит первым выводом входного регулирующего элемента, третьим выводом которого служит сток МДП транзистора со встроенным каналом -типа, затвор которого соединен со вторым выводом первого резистора, первым выводом второго резистора и истоком МДП транзистора со встроенным каналом -типа, затвор которого служит четвертым выводом входного регулирующего элемента, вторым выводом которого служит второй вывод второго резистора, причем третий вывод входного регулирующего элемента подключен ко второму выводу балластного резистора и первым выводам  выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки; первый вывод входного регулирующего элемента подключен к первому выводу балластного резистора, служащего входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; второй вывод входного регулирующего элемента соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения, регулирующего элемента, делителя обратной связи, нагрузки и входом отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора; четвертый вывод входного регулирующего элемента подключен к четвертому выводу делителя обратной связи образованному соединением первого вывода первого резистора и анода лавинного стабилитрона, по крайней мере, последней пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена функциональная схема электронного стабилизатора постоянного напряжения.
Осуществление изобретения
p
n
p
n
p
n
n
n
n
n
Электронный стабилизатор постоянного напряжения (фиг.) содержит: балластный резистор 1; входной регулирующий элемент 2, выполненный с использованием МДП транзистора со встроенным каналом -типа 3, МДП транзистора со встроенным каналом -типа 4, резисторов 5 и 6, при этом соединение первого вывода резистора 5, истока МДП транзистора со встроенным каналом -типа 3 и стока МДП транзистора со встроенным каналом -типа 4 служит первым выводом входного регулирующего элемента 2, третьим выводом которого служит сток МДП транзистора со встроенным каналом -типа 3, затвор которого соединен со вторым выводом резистора 5, первым выводом резистора 6 и истоком МДП транзистора со встроенным каналом -типа 4, затвор которого служит четвертым выводом входного регулирующего элемента 2, вторым выводом которого служит второй вывод резистора 6; выравнивающий делитель напряжения 7, выполненный из двух последовательно соединенных резисторов 8 и 9, при этом его первым выводом служит первый вывод резистора 8, вторым выводом служит второй вывод резистора 9, третьим выводом служит соединение второго вывода резистора 8 и первого вывода резистора 9; регулирующий элемент 10, выполненный с использованием защитного резистора 11 и двух МДП транзисторов со встроенным каналом -типа 12 и 13, при этом первый вывод защитного резистора 11 служит первым выводом регулирующего элемента 10, третьим выводом которого служит затвор МДП транзистора со встроенным каналом -типа 12, второй вывод защитного резистора 11 соединен со стоком МДП транзистора со встроенным каналом -типа 12, исток которого соединен со стоком МДП транзистора со встроенным каналом -типа 13, исток и затвор которого служат, соответственно, вторым и четвертым выводами регулирующего элемента 10; делитель обратной связи 14, состоящий из последовательно соединенных, по крайней мере, одной пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов 15 и 16 (15.1÷15.n, 16.1÷16.n) и резисторов 17, 18,  которые образуют два плеча, причем резистор 17 и по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов 15, 16 образуют первое плечо, а резистор 18 образует второе плечо, при этом анод лавинного стабилитрона 15.1, первой пары однотипных лавинных стабилитронов 15.1, 16.1, служащий первым выводом первого плеча, является первым выводом делителя обратной связи 14, вторыми выводами второго плеча и делителя обратной связи 14 является второй вывод резистора 18, первый вывод которого и соединенный с ним второй вывод резистора 17, служат, соответственно, первым и вторым выводами второго и первого плеч, являясь, при этом, третьим выводом делителя обратной связи 14, четвертым выводом которого служит соединение первого вывода резистора 17 и анода лавинного стабилитрона 16, по крайней мере, последней пары встречно включенных (катод к катоду) однотипных лавинных стабилитронов 15 и 16 (15.n, 16.n); нагрузку 18, причем третий вывод входного регулирующего элемента 2 подключен ко второму выводу балластного резистора 1 и первым выводам  выравнивающего делителя напряжения 7, регулирующего элемента 10, делителя обратной связи 14, нагрузки 19; первый вывод входного регулирующего элемента 2 подключен к первому выводу балластного резистора 1, служащего входом положительной полярности напряжения питания стабилизатора; второй вывод входного регулирующего элемента 2 соединен со вторыми выводами выравнивающего делителя напряжения 7, регулирующего элемента 10, делителя обратной связи 14, нагрузки 19 и входом отрицательной полярности напряжения питания стабилизатора; четвертый вывод входного регулирующего элемента 2 подключен к четвертому выводу делителя обратной связи 14, третий вывод которого соединен с четвертым  выводом регулирующего элемента 10, третий вывод которого соединен с третьим выводом выравнивающего делителя напряжения 7.
Электронный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.
На входные клеммы (+Е, -Е) поступает нестабилизированное напряжение, которое через балластный резистор 1 и параллельно подключенное ему проходное сопротивление входного регулирующего элемента 2 поступает на нагрузку 19, к клеммам которой подключены параллельно три функциональных элемента:
выравнивающий делитель 7;
регулирующий элемент 10;
делитель обратной связи 14.
n
p
p
При среднем значении входного напряжения , обеспечивающего заданные параметры напряжения на нагрузке 19, МДП транзисторы со встроенным каналом -типа 4, 12, 13 и МДП транзистор со встроенным каналом -типа 3 находятся в режиме обогащения канала в приоткрытом состоянии, обеспечивая заданные величины проходного сопротивления входного регулирующего элемента 2 (сопротивления канала сток – исток МДП транзистора со встроенным каналом -типа 3) и проходного тока регулирующего элемента 10, а значит, выполнение условия (1)
,                        (1)
где  напряжение на нагрузке 19,
токи выравнивающего делителя 7, регулирующего элемента 10, делителя обратной связи 14, нагрузки 19;
сопротивление балластного резистора 1;
p
проходное сопротивление входного регулирующего элемента 2 (сопротивление канала исток – сток МДП транзистора со встроенным каналом -типа 3).
n
Управление проходным током регулирующего элемента 10 обеспечивается напряжениями поступающими с третьих выводов выравнивающего делителя 7 и делителя обратной связи 14 на затворы МДП транзисторов со встроенным каналом -типа 12 и 13 регулирующего элемента 5.
n
Управление проходным сопротивлением входного регулирующего элемента 2 обеспечивается напряжением поступающим с четвертого вывода делителя обратной связи 14 на затвор МДП транзистора со встроенным каналом -типа 4.
Отклонение входного напряжения от среднего значения обеспечивающего заданные параметры напряжения на нагрузке 19, приводит к изменению выходных напряжений выравнивающего делителя 7 и делителя обратной связи 14.
n
p
В случае отклонения входного напряжения от среднего значения в сторону увеличения, выходные напряжения выравнивающего делителя 7 и делителя обратной связи 14 возрастают, МДП транзисторы со встроенным каналом -типа 4, 12, 13 приоткрываются, МДП транзистор со встроенным каналом -типа 3 призакрывается, что в свою очередь вызывает увеличение проходного тока регулирующего элемента 10 и проходного сопротивления входного регулирующего элемента 2, способствующих выполнению условия (1).
n
p
В случае отклонения входного напряжения от среднего значения в сторону уменьшения, выходные напряжения выравнивающего делителя 7 и делителя обратной связи 14 понижаются. МДП транзисторы со встроенным каналом -типа 4, 12, 13 призакрываются, а МДП транзистор со встроенным каналом -типа 3 приоткрывается, что в свою очередь вызывает понижение проходного тока регулирующего элемента 10 и проходного сопротивления входного регулирующего элемента 2, способствующих выполнению условия (1).
Используемая в устройстве, по крайней мере, одна пара встречно включенных однотипных лавинных стабилитронов 15 и 16 обеспечивает взаимную компенсацию температурных коэффициентов напряжения стабилизации стабилитронов 15 и 16 (15.1÷15.n; 16.1÷16.n) и способствует расширению диапазона как рабочих температур устройства, так и выходных напряжений.
В случае прототипа имеет место относительно низкий КПД. Это обусловлено реализацией схемы регулирующего элемента 10 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 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 регулирующего элемента 10 которого использованы МДП транзисторы 12 и 13, при той же величине проходного тока регулирующего элемента 10, что и в случае прототипа, будет характеризоваться более высоким значением коэффициентов как КПД, так и, прежде всего, надежности.
Немаловажный вклад в повышение как надежности, так и КПД предлагаемого устройства вносит факт возможности использования:
- высокоомных резисторов как в составе выравнивающего делителя 7, так  и делителя обратной связи 14;
- однотипных лавинных стабилитронов 15 и 16 (15.1÷15.n; 16.1÷16.n) с малым током пробоя,
так как токи управления МДП транзисторов 12 и 13 практически равны нулю.
Использование в схеме регулирующего элемента 10 защитного резистора 11 способствует повышению как надежности, так и высоковольтности предлагаемого электронного стабилизатора постоянного напряжения.
Введение в состав устройства входного регулирующего элемента 2 выполненного на базе МДП транзисторов 3 и 4, с возможностью использования высокоомных резисторов 5 и 6 не приводит к существенному снижению КПД устройства (токи резисторов 5, 6 и МДП транзистора 4 крайне малы), но способствует как повышению надежности (снижает требования к нагрузочной способности регулирующего элемента 10), так и, прежде всего, повышению коэффициента стабилизации.
Фактически разработанное устройство, сохраняя достоинства параллельных стабилизаторов, обладает характеристиками сравнимыми с характеристиками компенсационных последовательных стабилизаторов, в плане КПД и коэффициента стабилизации, а значит характеризуется расширенными функциональными возможностями.
Кроме того, в случае прототипа имеет место значительное время установления выходного стабилизированного напряжения, сопровождаемое скачком напряжения на нагрузке, а значит и снижение надежности нагрузки.
Это обусловлено тем, что вследствие последовательного соединения биполярных транзисторов, время прямого смещения эмиттерных переходов существенно возрастает и чем больше ток базы (больше допустимая мощность рассеивания), тем больше.
В предлагаемом устройстве использованы МДП транзисторы со встроенным каналом 3, 4, 12 и 13, характеризуемые нормированным сопротивлением сток - исток при отсутствии напряжения на затворе. А значит и нормированной  величиной проходного тока регулирующего элемента 10 в момент подачи входного напряжения. Что обеспечивает снижение как времени установления выходного стабилизированного напряжения, так и  амплитуды скачка напряжения на нагрузке, а значит и повышение надежности нагрузки.