Линейный стабилизатор напряжения

Область применения
Заявленное техническое решение относится к электронной технике. Предназначено для питания различных изделий. В частности может быть использовано для стабилизации напряжения с КМОП транзистором в качестве регулирующего элемента в цепях электропитания микроконтроллеров.
Уровень техники
Известен линейный стабилизатор напряжения, представляющий собой часть устройства [1]. Устройство содержит первый входной вывод, соединенный через силовую цепь КМОП транзистора n-типа с первым выходным выводом, второй входной вывод - со вторым выходным выводом, являющимся общим выводом схемы, первый выходной вывод присоединен к входу узла отрицательной обратной связи выходом подключенного к затвору КМОП транзистора и соединенному также через резистор с плюсовым выводом источника смещения напряжения, отрицательный вывод которого соединен с общим выводом схемы, выводы питания узла отрицательной обратной связи подключены между первым и вторым входными выводами.
Недостатком устройства является наличие внешнего источника смещения напряжения. Вследствие чего имеет место затруднение применения устройства в объектах, например, состав которых ограничен одним источником напряжения (подключаемого к первому и второму входным выводам).
Прототип
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности является линейный стабилизатор постоянного напряжения на полевом транзисторе [2] по фиг. 1, который согласно формуле полезной модели содержит 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 к 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 комплементарным 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 со вторым выходным выводом, при этом свободный вывод второго резистора является выходом узла умножения напряжения.
При этом из текста описания устройства следует - первый резистор включен между затвором и первым силовым выводом полевого транзистора. Свободный вывод второго резистора (согласно фиг. 1) соединен с затвором полевого транзистора. Делитель напряжения выполнен на двух резисторах. Соответственно резистор, соединенный со вторым выходным выводом, можно обозначить как третий резистор. Кроме того, из рассмотрения фиг. 1 устройства для стабилизации положительного напряжения следует, что полевой транзистор есть КМОП транзистор n-типа. Также по фиг. 1 прототипа общий вывод узла отрицательной обратной связи соединен с общим выводом схемы. Признак «первый вывод источника постоянного напряжения» далее именуется как «первый входной вывод» и «второй вывод источника постоянного напряжения» - как «второй входной вывод».
Введение в стабилизатор напряжения источника смещения с узлом умножения напряжения позволило устранить затруднение применения известного [1] и аналогичных устройств в виде необходимости для них наличия дополнительного внешнего источника повышенного напряжения.
см
вых
вых
Недостатками устройства являются сложность и повышенное энергопотребление, обусловленные введением в него источника смещения напряжения U=2⋅U с умножителем напряжения в виде блока преобразования выходного напряжения U.
Цель полезной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в упрощении устройства и снижении его энергопотребления.
Поставленная цель достигается за счет того, что исключен блок преобразования выходного напряжения, КМОП транзистор n-типа заменен на КМОП транзистор р-типа, введен р-n-р транзистор, первый выходной вывод соединен с входом узла отрицательной обратной связи, второй вывод первого резистора соединен с выходом узла отрицательной обратной связи и с базой р-n-р транзистора, эмиттер которого соединен с первым силовым выводом КМОП транзистора, а коллектор - со вторым выводом второго резистора, второй вывод третьего резистора соединен с затвором КМОП транзистора, другой вывод питания узла отрицательной обратной связи соединен с первым входным выводом.
Сущность полезной модели
Устройство иллюстрируется фиг. 1 и ее техническим эквивалентом - фиг. 2. На фиг. 1 устройство содержит первый входной вывод 1, соединенный с первым силовым выводом цепи КМОП транзистора 2 (р-типа) и вторым ее выводом - с первым выходным выводом 3, а второй входной вывод 4 соединен с вторым выходным выводом 5, являющимся общим выводом схемы. Первый выходной вывод 3 соединен с входом узла отрицательной обратной связи 6. Первый резистор 7 включен между первым силовым выводом КМОП транзистора 2 и базой р-n-р транзистора 8, которая соединена также с выходом узла отрицательной обратной связи 6. Первый силовой вывод КМОП транзистора 2 соединен также с одним выводом питания узла отрицательной обратной связи 6 и с эмиттером р-n-р транзистора 8. Другой вывод питания узла отрицательной обратной связи 6 соединен с общим выводом схемы. Затвор КМОП транзистора 2 соединен с первым выводом второго резистора 9, второй вывод которого соединен с коллектором р-n-р транзистора 8. Первый вывод третьего резистора 10 соединен с общим выводом схемы, второй вывод третьего резистора 10 соединен с затвором КМОП транзистора 2. Между первым и вторым входными выводами 1 и 4, а также между первым и вторым выходными выводами 3 и 5 включены фильтрующие конденсаторы 11 и 12 соответственно.
9
10
Устройство по фиг. 2 отличается подключением резисторов 9, 10 и является техническим эквивалентом устройства по фиг. 1 на основании соотношения величин их сопротивлений R<<R и отсутствию при этом какого-либо положительного эффекта относительно устройства по фиг. 1.
вх
вых
зи
вых
вых
вых
зи
зи
вх
Работа линейного стабилизатора напряжения осуществляется следующим образом. При подаче напряжения U (фиг. 1, фиг. 2) в первый момент времени выходное напряжение U=0. Соответственно величина тока выходной цепи узла отрицательной обратной связи 6 равна нулю, р-n-р транзистор 8 - закрыт. При этом его надежное закрытое состояние обеспечено первым резистором 7 согласно рекомендации завода-изготовителя транзистора. По мере заряда входной емкости С КМОП транзистора 2 до значения его порогового значения, напряжение U конденсатора 12 начинает увеличиваться. При приближении величины U к заданному значению (величина опорного напряжения узла отрицательной обратной связи 6) в цепи базы транзистора 8 появляется ток, вследствие чего он приоткрывается, КМОП транзистор 2 переходит в режим регулирования (изменение сопротивления сток-исток). При этом за счет отработки узла отрицательной обратной связи 6 стабилизируются U на заданном уровне и величина напряжения U КМОП транзистора 2 на уровне его порогового значения. Второй резистор 9 предназначен для ограничения тока разряда емкости С в режиме динамического изменения U или тока нагрузки устройства. Работа узла отрицательной обратной связи 6, например, с его внутренней структурой по фиг. 1 детально представлена в многочисленной технической литературе и специальных пояснений не требует.
Технический эффект
Замена КМОП транзистора n-типа на КМОП транзистор р-типа, а также источника смещения (напряжения) с узлом умножения напряжения прототипа на р-n-р транзистор и соответствующим изменением связей трех резисторов позволило упростить устройство и уменьшить его энергопотребление. При этом рабочие характеристики прототипа и предлагаемого линейного стабилизатора напряжения равноценны. Способность нормально функционировать при напряжении до 30÷50 мВ между сток-исток КМОП транзистора позволяет эффективно (с малыми потерями мощности) использовать стабилизатор напряжения в качестве фильтра питания микроконтроллеров.
По техническому эквиваленту устройство может быть использовано для стабилизации отрицательного напряжения при замене типа проводимости транзисторов на противоположный и полярности включения стабилитрона из состава узла отрицательной обратной связи.
Источники информации
1. Рамка БК, схема электрическая принципиальная, ИНАЯ.301229.219 Э3, 2017 г.
2. Описание полезной модели к патенту RU 114182, МПК: G05F 1/44, Бюл. №7, 2012 г.