КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
DEGENERATIVE VOLTAGE STABILISER

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания.
Известны стабилизаторы напряжения (СН) с компенсационно-параметрическими каналами [Старченко Е.И. Стабилизаторы напряжения с компенсационно-параметрическими каналами: монография.- Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. (рис.4.9)], имеющие относительно низкую температурную стабильность.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является стабилизатор напряжения (СН), приведенный на фиг.1 [Пат.2152640 РФ. Стабилизатор напряжения / И.В.Барилов, Д.А.Бондаренко, Е.И.Старченко. - Опубл. 10.07.2000, Бюл. №19.]. К основным недостаткам прототипа можно отнести увеличенное значение минимальной разности напряжения «вход-выход» (равное утроенному значению напряжения база-эмиттер) и необходимость использования в составном регулирующем элементе двух одинаковых сильноточных транзисторов, включенных последовательно.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заявляемого технического результата - повышении температурной стабильности выходного напряжения и уменьшении минимальной разности напряжения «вход-выход».
Для достижения заявляемого технического результата в схему прототипа, содержащую первый и второй транзисторы, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор, подключенный эмиттером ко второму выводу первого резистора, третий резистор, подключенный первым выводом к точке соединения базы первого с коллектором третьего транзисторов, четвертый транзистор, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода третьего резистора с эмиттером четвертого транзистора, база и коллектор второго транзистора подключены ко второму выводу четвертого резистора, пятый резистор, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы четвертого транзистора со вторым выводом второго резистора, пятый и шестой транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору шестого транзистора, седьмой транзистор, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока, включенный между шиной питания и точкой соединения базы восьмого транзистора с коллекторами первого и пятого транзисторов, введен шестой резистор, включенный между базами второго и третьего транзисторов, коллектор восьмого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора, база седьмого транзистора подключена к базе восьмого транзистора, эмиттер седьмого транзистора подключен к выходной клемме.
Схема прототипа приведена на фиг.1, а заявляемого устройства - на фиг.2.
Заявляемый СН (фиг.2) содержит первый и второй транзисторы 1 и 2, подключенные эмиттерами к общей шине, первый и второй резисторы 3 и 4, подключенные первыми выводами к общей шине, третий транзистор 5, подключенный эмиттером ко второму выводу резистора 3, третий резистор 6, подключенный первым выводом к точке соединения базы транзистора 1 с коллектором транзистора 5, четвертый транзистор 7, подключенный коллектором к выходной клемме, четвертый резистор 8, подключенный первым выводом к точке соединения второго вывода резистора 6 с эмиттером транзистора 7, база и коллектор транзистора 2 подключены ко второму выводу резистора 8, пятый резистор 9, подключенный первым выводом к выходной клемме, а вторым - к точке соединения базы транзистора 7 со вторым выводом резистора 4, пятый 10 и шестой 11 транзисторы, подключенные эмиттерами к шине питания, а базами - к коллектору транзистора 11, седьмой транзистор 12, подключенный коллектором к шине питания, восьмой транзистор 13, подключенный эмиттером к выходной клемме, источник тока 14, включенный между шиной питания и точкой соединения базы транзистора 13 с коллекторами транзисторов 1 и 10, шестой резистор 15, включенный между базами транзисторов 2 и 5, коллектор транзистора 13 подключен к коллектору транзистора 11, база транзистора 12 подключена к базе транзистора 13, эмиттер транзистора 12 подключен к выходной клемме.
1
1
Работа заявляемого устройства (фиг.2). во многом аналогична схеме прототипа. Транзисторы 10-13 играют роль составного регулирующего элемента (РЭ), охваченного обратной связью по току нагрузки. Роль датчика тока при этом играет транзистор 13, площадь эмиттера которого в N раз меньше площади эмиттера транзистора 12. Поэтому можно считать, что ток коллектора транзистора 13 в N раз меньше тока коллектора транзистора 12 и пропорционален току нагрузки.
∑
Можно показать, что результирующий коэффициент передачи РЭ по току β определяется следующим выражением:
<mrow><msub><mi>β</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mrow><mi>B</mi><mi>X</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
H
BX∑
1
2
2
∑
где ΔI и ΔI -приращения, соответственно, выходного и входного тока составного РЭ; β и β - коэффициенты передачи по току, соответственно, транзисторов 13 (12) и 11 (10); N - коэффициент передачи по току повторителя на транзисторах 10 и 11. Условие настройки, при котором β обращается в бесконечность:
<mrow><msub><mi>β</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
1
1
которое при N=1 и β>>1 приводится к виду N+1=β.
Существенное отличие заявляемого устройства заключается во введении резистора 15 в источнике опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния, совмещенного с усилителем сигнала рассогласования (элементы 1-9). Ток базы транзистора 5 создает на резисторе 15 падение напряжения, влияние которого на выходное напряжение сказывается, в основном, при низких температурах, поскольку зависимость β (коэффициента передачи по току) транзистора от температуры T выражается следующим образом:
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>T</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
0
где β - значение коэффициента усиления β при комнатной температуре T. Таким образом, наличие дополнительной температурной зависимости позволяет скомпенсировать составляющую температурного дрейфа выходного напряжения второго порядка.
На фиг.3 представлен график, показывающий изменение выходного напряжения заявляемого СН при изменении температуры, а на фиг.4 - результаты моделирования схемы прототипа. Из результатов моделирования можно сделать следующий вывод: абсолютное изменение выходного напряжения заявляемого СН по крайней мере в семь раз меньше, чем у прототипа, а относительный температурный дрейф - примерно в четыре раза меньше.
БЭ
БЭ
Очевидно, что минимальная разность напряжений вход-выход для схемы прототипа составляет 3U, а в схеме заявляемого СН-2U, причем выходное сопротивление в схеме заявляемого СН также может принимать нулевое значение.
Таким образом, и проведенный анализ, и данные схемотехнического моделирования подтверждают, что достигается заявляемый технический результат - снижение температурного коэффициента выходного напряжения.