Стабилизатор напряжения питания электронных схем
ELECTRONIC CIRCUIT SUPPLY VOLTAGE STABILIZER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания различных электронных устройств.
Уровень техники
Известен стабилизатор постоянного напряжения [SU АС № 1129594. Стабилизатор постоянного напряжения], содержащий включенный в силовую цепь регулирующий транзистор, узел обратной связи, входы которого подключены к выходному выводу и общей шине, а выход к базе регулирующего транзистора и через регулируемый двухполюсник к входному выводу, причем регулируемый двухполюсник выполнен в виде параллельно соединенных потенциометра и λ-транзистора, состоящего из двух включенных последовательно полевых транзисторов разного типа проводимости, при этом сток первого транзистора подключен к входному выводу, затвор первого транзистора соединен со стоком второго транзистора и базой регулирующего транзистора, затвор второго транзистора является управляющим выводом λ-транзистора и подключен к средней точке потенциометра, крайние выводы которого подключены между входным выводом и базой регулирующего транзистора.
Недостатком данного устройства является значительная сложность схемной реализации.
Известен стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2727713, МПК G05F 3/16).
n-p-n
р-n
n-
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит: регулирующий биполярный транзистор  типа в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения; полевой транзистор с -переходом и каналом, сток которого соединен с коллектором регулирующего транзистора; потенциометр в виде двух последовательно соединенных резисторов, при этом свободный вывод первого резистора присоединен к базе регулирующего транзистора; нагрузку, включенную между эмиттером биполярного транзистора и общей шиной источника; два полупроводниковых диода, причем исток полевого транзистора подключен к точке соединения базы биполярного транзистора и первого резистора; затвор полевого транзистора подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а свободный вывод второго резистора соединен с общей шиной через два последовательно включенных в прямом направлении полупроводниковых диода.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низким температурным коэффициентом напряжения;
- отсутствием самозащиты от перегрузки.
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU № 2755670, МПК G05F 1/565).
р-n
n-
n
р-n
n-
n
р-n
n-
n
р-n
n-
n
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с -переходом и каналом; первый и второй резисторы; полевой транзистор с индуцированным -каналом; нагрузку, причем сток полевого транзистора с -переходом и каналом соединен со стоком полевого транзистора с индуцированным -каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с -переходом и каналом подключен к затвору транзистора с индуцированным -каналом и первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора с -переходом и каналом и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной; исток полевого транзистора с индуцированным -каналом через нагрузку подключен к общей шине источника напряжения.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные:
- низким коэффициентом стабилизации по напряжению;
- низким температурным коэффициентом напряжения;
- отсутствием самозащиты от перегрузки.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
n
n
n
n
p-n-p
n
n
p-n-p
n
n
n
p-n-p
p-n-p
Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с индуцированным -каналом; два резистора; нагрузку, причем сток полевого транзистора с индуцированным -каналом соединен с потенциальным выходом нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с индуцированным -каналом, через нагрузку подключен к общей шине устройства; второй вывод второго резистора соединен с общей шиной устройства, введены: второй полевой транзистор с индуцированным -каналом, биполярный транзистор  типа, стабилитрон, диод, конденсатор третий резистор, причем первый вывод первого резистора соединен со стоком первого полевого транзистора с индуцированным -каналом и потенциальным выходом нестабильного источника напряжения; второй вывод первого резистора, сток второго полевого транзистора с индуцированным -каналом, коллектор биполярного транзистора  типа соединены с затвором первого полевого транзистора с индуцированным -каналом; исток второго полевого транзистора с индуцированным -каналом подключен к общей шине устройства, а затвор соединен с катодом диода и первым выводом второго резистора; анод диода соединен с анодом стабилитрона, катод которого соединен с истоком первого полевого транзистора с индуцированным -каналом, первым выводом нагрузки и первым выводом конденсатора; второй вывод конденсатора соединен с базой биполярного транзистора  типа и первым выводом третьего резистора; эмиттер биполярного транзистора  типа и второй вывод третьего резистора подключены к общей шине устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения питания электронных схем.
Т
На фиг.2 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость напряжения обратной связи от изменения температурного режима работы устройства ( = [-40; 80] ).
Т
На фиг.3 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость усиленного напряжения обратной связи от изменения температурного режима работы устройства ( = [-40; 80] ).
Т
На фиг.4 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = [-40; 80] ), при входном напряжении  и сопротивлении нагрузки .
Т
На фиг.5 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = [-40; 80] ),  при входном напряжении  и сопротивлении нагрузки .
На фиг.6 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре -40°С, входном напряжении  = [18; 32] В  и сопротивлении нагрузки  110 Ом; 200 Ом.
На фиг.7 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 25°С, входном напряжении  = [18; 32] В  и сопротивлении нагрузки  110 Ом; 200 Ом.
На фиг.8 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 50°С, входном напряжении  = [18; 32] В  и сопротивлении нагрузки  110 Ом; 200 Ом.
На фиг.9 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора при температуре 80°С, входном напряжении  = [18; 32] В  и сопротивлении нагрузки  110 Ом; 200 Ом.
Осуществление изобретения
n
p-n-p
n
n
p-n-p
n
n
n
p-n-p
p-n-p
Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий: нестабильный источник 1 напряжения; полевые транзисторы 2, 3 с индуцированным -каналом; биполярный транзистор 4  типа; стабилитрон 5 с лавинным типом пробоя; диод 6; конденсатор 7; резисторы 8, 9, 10; нагрузку 11, причем потенциальный выход нестабильного источника 1 напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства, соединен с первым выводом резистора 8 и стоком полевого транзистора 2 с индуцированным -каналом; исток полевого транзистора 2 с индуцированным -каналом соединен с первым выводом конденсатора 7, катодом стабилитрона 5 и через нагрузку 11 с общей шиной устройства; второй вывод резистора 8 соединен с коллектором биполярного транзистора 4  типа, стоком полевого транзистора 3 с индуцированным -каналом и затвором полевого транзистора 2 с индуцированным -каналом; исток полевого транзистора 3 с индуцированным -каналом подключен к общей шине устройства, а затвор соединен с катодом диода 6 и первым выводом резистора 10, второй вывод которого подключен к общей шине устройства; анод диода 6 соединен с анодом стабилитрона 5; второй вывод конденсатора 7 соединен с базой биполярного транзистора 4  типа и первым выводом резистора 9; эмиттер биполярного транзистора 4  типа и второй вывод резистора 9 подключены к общей шине устройства.
Стабилизатор напряжения питания электронных схем работает следующим образом.
p-n-p
До подачи входного напряжения конденсатор 7 не заряжен. Сопротивление резистора 8 () и сопротивление коллектор-эмиттерного  перехода биполярного транзистора 4 ()  типа образовывают делитель входного напряжения.
n
n
В момент подачи входного напряжения полевой транзистор 2 с индуцированным -каналом переходит в открытое состояние - входное напряжение через верхнее плечо (резистор 8) делителя входного напряжения прикладывается к затвору полевого транзистора 2. По мере открывания полевого транзистора 2 с индуцированным -каналом осуществляется:
p-n-p
1) заряд конденсатора 7 и запирание биполярного транзистора 4   типа, что обуславливает выполнение условия (1)
,                                                  (1)
n
2) пробой стабилитрона 5 и приоткрытие полевого транзистора 3 с индуцированным -каналом, что обуславливает выполнение условия (2)
,                                                 (2)
n
где  сопротивление сток-исток полевого транзистора 3 с индуцированным -каналом,
и формирование обратной связи, способствующей переводу стабилизатора в номинальный режим работы без скачка выходного напряжения.
При дальнейшей работе после пуска конденсатор 7 не оказывает влияния на работу стабилизатора, а при снятии входного напряжения разряжается через резистор 9.
При номинальном режиме работы стабилитрон 5 совместно с диодом 6 и резистором 10 выполняют ряд функций:
1) формирования напряжения обратной связи за счет падения напряжения на резисторе 10 ();
2) термокомпенсации непосредственно выходного напряжения;
3) термокомпенсации напряжения обратной связи.
Выполнение второй и третьей функций осуществляется в силу совместного использования термозависимых элементов: стабилитрона 5 и диода 6.
Используемый в схеме устройства стабилитрон 5 является стабилитроном с лавинным типом пробоя, характеризуемым положительным температурным коэффициентом напряжения () (см. П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники», М.: Мир, 1998 г., с. 351) при обратном включении. А значит, падение напряжения на стабилитроне 5 с увеличением температуры будет возрастать.
Диод 6 характеризуется отрицательным температурным коэффициентом напряжения (). А значит, падение напряжения на диоде 6 с увеличением температуры будет уменьшаться.
Однако в силу условия (3)
(3)
падение напряжения на резисторе 10 (), являющееся напряжением обратной связи, с увеличением температуры будет уменьшаться (фиг.2), обеспечивая тем самым термокомпенсацию напряжения обратной связи.
Кроме того, общее сопротивление цепи (стабилитрон 5, диод 6, резистор 10) с увеличением температуры будет уменьшаться, обеспечивая тем самым перераспределение выходного тока устройства и термокомпенсацию непосредственно выходного напряжения.
n
Полевой транзистор 3 с индуцированным -каналом совместно с резистором 8 выполняют основную функцию - усиления напряжения обратной связи.
n
Полевой транзистор 2 с индуцированным -каналом выполняет основную функцию - регулируемого сопротивления.
Вместе с тем ток стока полевых транзисторов 2, 3, используемых в схеме стабилизатора, характеризуется температурной зависимостью. Что, в свою очередь, обеспечивает выполнение дополнительных функций:
- термокомпенсации усиливаемого напряжения обратной связи, снимаемого со стока полевого транзистора 3 (), фиг.3;
- термокомпенсации выходного напряжения, снимаемого с истока полевого транзистора 2 (), фиг.4.
Величина температурной зависимости тока стока полевых транзисторов 2, 3 может быть весьма значительна. При этом степень «значительности» может быть существенно снижена при обеспечении работы полевых транзисторов 2, 3 в режиме нахождения рабочей точки в окрестностях точки с нулевым температурным коэффициентом смещения (термостабильной точки) (П.Хоровиц, У.Хилл. «Искусство схемотехники», М.: БИНОМ, 2014 г., с.130, рис.3.13). Однако при этом следует учесть, что «термостабильный режим» жестко связан с напряжением источника 1, напряжением на затворах полевых транзисторов 2, 3 и сопротивлением нагрузки 11, а значит, в условиях применения нестабильного источника 1 напряжения полная реализация «термостабильного режима» достаточно проблематична.
Т
На фиг.5 представлены результаты схемотехнического моделирования - зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения температурного режима работы устройства ( = [0; 80] ), при входном напряжении  и сопротивлении нагрузки 11 ().
Как показали результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица) имеет место существенный выигрыш, в частности:
- по «Коэффициенту стабилизации по напряжению», в интервале максимально вероятного использования [25; 50] , в среднем, в 380 раз, а в интервале минимально вероятного использования [-40; 25] , в среднем, в 114 раз;
- по «Температурному коэффициенту напряжения», в интервале максимально вероятного использования [25; 50] , в среднем, в 50 раз, а в интервале минимально вероятного использования [-40; 25] , в среднем, в 24 раза.
Как показали результаты моделирования (фиг.6÷9), достигнутые параметры сохраняются и в случае изменения сопротивления нагрузки 11 ( 110 Ом; 200 Ом.).
p-n-p
n
В случае перегрузки (изменения сопротивления нагрузки 11 вплоть до короткого замыкания) биполярный транзистор 4  типа под действием напряжения заряда конденсатора 7 открывается. Напряжение на затворе полевого транзистора 2 с индуцированным -каналом падает, транзистор 2 закрывается, выходное напряжение стабилизатора уменьшается до нуля. После устранения перегрузки стабилизатор остается в нерабочем состоянии. Чтобы привести стабилизатор в рабочее состояние, необходимо снять с его выхода напряжение на время, достаточное для разряда конденсатора 7, после чего вновь подать напряжение на вход стабилизатора.
Таким образом, предлагаемый стабилизатор обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.