СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE STABILISER

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано в различных устройствах электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Известны стабилизаторы постоянного напряжения с защитой по а.с. 928325, G05F 1/58 и а.с. 1173398, G05F 1/569, обеспечивающие запуск и защиту от короткого замыкания на выходе. Недостатком стабилизаторов является увеличение нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения.
Известны также стабилизаторы постоянного напряжения а.с. 1272325, G95F 1/569 и а.с.1509851, G05F 1/569, обеспечивающие запуск без ухудшений выходных параметров.
Недостатком этих стабилизаторов является наличие сравнительно большого количества элементов, выполняющих только функцию запуска.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является стабилизатор напряжения по а.с. 1423991, G05F 1/569, принятый за прототип.
Схема стабилизатора-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - составной элемент;
2 - источник опорного напряжения;
3 - выходной конденсатор;
4 - делитель выходного напряжения;
5 - первый каскад усилителя рассогласования;
6 - разделительный диод;
7 - коллекторный резистор;
8 - транзистор второго каскада усилителя рассогласования;
9 - транзистор первого каскада усилителя рассогласования;
10 - стабилитрон;
11 - резистор;
12 - силовой транзистор составного регулирующего элемента;
13 - согласующий транзистор составного регулирующего элемента;
14 - резистор источника опорного напряжения;
15 - стабилитрон источника опорного напряжения;
16 - резистор делителя напряжения;
17 - диод управляющего напряжения;
18 - резистор управляющего напряжения.
Стабилизатор-прототип содержит включенный последовательно в силовую шину составной регулирующий элемент 1, источник опорного напряжения 2, подключенный параллельно входным выводам, выходной конденсатор 3, включенный параллельно выходным выводам, делитель выходного напряжения 4, выход которого подключен к входу первого каскада усилителя рассогласования 5, подключенного выходом через разделительный диод 6 к коллекторном резистору 7 и к эмиттеру транзистора второго каскада усилителя рассогласования 8, база которого соединена с выходом источника опорного напряжения 2, а коллектор подключен к составному регулирующему элементу 1.
упр
Первый каскад усилителя рассогласования 5 содержит транзистор 9, эмиттер которого подключен к стабилитрону 10 и резистору 11. При этом база транзистора 9 используется как входной вывод первого каскада усилителя рассогласования 5, коллектор - как его выходной вывод, а свободные выводы стабилитрона 10 и резистора 11 - как его питающие выводы. Составной регулирующий элемент 1 содержит силовой транзистор 12 и согласующий транзистор 13. Источник опорного напряжения 2 содержит резистор 14, стабилитрон 15 и делитель напряжения 16, вывод которого является выходом источника опорного напряжения 2. Кроме того, выход делителя напряжения 16 может являться точкой приложения управляющего напряжения U, с помощью которого можно дистанционно управлять включением стабилизатора через диод 17 и резистор 18.
Стабилизатор-прототип работает следующим образом.
При подаче на вход стабилизатора входного напряжения на выходе источника 2 появляется стабильное напряжение, которое, поступая на базу транзистора второго каскада усилителя рассогласования 8, открывает его, а тот, в свою очередь, открывает составной регулирующий элемент 1. При этом через регулирующий элемент 1 начинает протекать ток, заряжая выходной конденсатор 3. Поскольку в момент заряда конденсатора 3 выходное напряжение мало, напряжение на выходе делителя 4 недостаточно для того, чтобы открылся транзистор 9 первого каскада усилителя рассогласования 5, поэтому разделительный диод 6 находится в закрытом состоянии. Транзистор 8 оказывается развязанным от каскада 5, то есть транзистор 8 находится в это время в режиме генератора стабильного тока, а составной регулирующий элемент 1 работает как усилитель стабильного тока с коэффициентом усиления по току, равным произведению коэффициентов передачи по току транзисторов, составляющих регулирующий элемент 1. Следовательно, до момента времени, когда выходное напряжение стабилизатора достигнет уровня, достаточного для открывания транзистора 9, выходной конденсатор 3 заряжается стабилизированным током открытого составного регулирующего элемента 1. При этом исключено недопустимое скачкообразное изменение тока при заряде конденсатора 3 в период включения стабилизатора-прототипа, и исключается возможность перегрузки регулирующего элемента 1. При заряде конденсатора 3 до уровня, близкого к номинальному значению выходного напряжения, стабилизатор переходит в режим стабилизации выходного напряжения: вступает в работу первый каскад усилителя рассогласования 5, который в зависимости от уровня напряжения на выходе делителя выходного напряжения 4 через разделительный диод 6, перешедший в проводящее состояние, изменяет напряжение на коллекторном резисторе 7. При этом изменяется напряжение на базо-эмиттерном переходе транзистора 8, а следовательно, изменяется его коллекторный ток и напряжение на составном регулирующем элементе 1, компенсируя изменившееся выходное напряжение.
При коротком замыкании в нагрузке усилитель рассогласования на транзисторе 9 отключается, после чего первый каскад 5 на работу транзистора 8 влияния не оказывает, и транзистор 8 переходит в режим генератора стабильного тока. Это означает, что ток регулирующего элемента 1 стабилизируется и не превышает заданного значения.
Недостатком стабилизатора-прототипа является то, что при коротком замыкании на выходе регулирующий элемент работает в линейном режиме, то есть переходит в режим стабилизации тока. Мощность рассеяния регулирующего элемента в этом режиме обычно превышает мощность рассеяния в рабочем режиме, поэтому замыкание приводит к выходу из строя регулирующего элемента. Кроме того, при большой выходной мощности, ток и мощность короткого замыкания достигают значительных величин, что ограничивает область его применения.
Задача - повышение надежности стабилизатора.
Для решения поставленной задачи в стабилизаторе, содержащем составной регулирующий элемент, последовательно включенный в силовую шину, источник опорного напряжения, подключенный параллельно входным выводам, включенные параллельно выходным выводам выходной конденсатор и делитель выходного напряжения, выходом подключенный к базе транзистора первого каскада усилителя рассогласования, эмиттер которого подключен к первым выводам резистора и стабилитрона, второй вывод резистора подключен к общему выводу, второй вывод стабилитрона - к выходному выводу, а коллектор через разделительный диод - к коллекторному резистору и к эмиттеру транзистора второго каскада усилителя рассогласования, база которого через резистор подключена к выходу источника опорного напряжения, а коллектор - к управляющему входу регулирующего элемента, а также резистор и диод, согласно изобретению введен защитный транзистор того же типа проводимости, что и регулирующий транзистор, эмиттерно-коллекторный переход защитного транзистора шунтирует стабилитрон источника опорного напряжения, а база через последовательно соединенные резистор и диод подключена к выходному выводу.
Схема предлагаемого стабилизатора напряжения приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - составной регулирующий элемент;
2 - источник опорного напряжения;
3 - выходной конденсатор;
4 - делитель выходного напряжения;
5 - первый каскад усилителя рассогласования;
6 - разделительный диод;
7 - коллекторный резистор;
8 - транзистор второго каскада усилителя рассогласования;
9 - транзистор первого каскада усилителя рассогласования;
10 - стабилитрон первого каскада усилителя рассогласования;
11 - резистор первого каскада усилителя рассогласования;
12 - силовой транзистор составного регулирующего;
13 - согласующий транзистор составного регулирующего элемента;
14, 16 - первый и второй резисторы источника опорного напряжения;
15 - стабилитрон источника опорного напряжения;
17 - диод;
18 - резистор;
19 - защитный транзистор.
Предлагаемый стабилизатор напряжения содержит включенный последовательно в силовую шину составной регулирующий элемент 1, состоящий из силового 12 и согласующего 13 транзисторов, источник опорного напряжения 2, включенный параллельно входным выводам, состоящий из первого 14 и второго 16 резисторов и стабилитрона 15, а также подключенные параллельно выходным выводам выходной конденсатор 3 и делитель выходного напряжения 4, выходом подсоединенный к базе транзистора 9 первого каскада усилителя рассогласования 5, эмиттер которого подключен к первым выводам резистора 11 и стабилитрона 10, второй вывод резистора 11 подключен к общему выводу, второй вывод стабилитрона 10 - к выходному выводу, а коллектор транзистора 9 через разделительный диод 6 - к коллекторному резистору 7 и к эмиттеру транзистора второго каскада усилителя рассогласования 8, база которого через резистор 16 подключена к выходу источника опорного напряжения 2, а коллектор - к управляющему входу регулирующего элемента 1, кроме того, эмиттерно-коллекторный переход защитного резистора 19 шунтирует стабилитрон 15 источника опорного напряжения 2, а база через последовательно соединенные резистор 18 и диод 17 подключена к выходному выводу.
Предлагаемый стабилизатор напряжения работает следующим образом.
При подаче на вход стабилизатора входного напряжения на выходе источника 2 появляется стабильное напряжение, которое, поступая на базу транзистора 8 второго каскада усилителя рассогласования, открывает его, а тот, в свою очередь, открывает составной регулирующий элемент 1. При этом через регулирующий элемент 1 начинает протекать ток, заряжая выходной конденсатор 3. Поскольку в момент заряда конденсатора 3 выходное напряжение мало, напряжение на выходе делителя 4 недостаточно для того, чтобы открылся транзистор 9 первого каскада усилителя рассогласования 5, поэтому разделительный диод 6 находится в закрытом состоянии. Транзистор 8 оказывается развязанным от каскада 5, то есть транзистор 8 находится в это время в режиме генератора стабильного тока, а составной регулирующий элемент 1 работает как усилитель стабильного тока с коэффициентом усиления по току, равным произведению коэффициентов передачи по току транзисторов 12 и 13, составляющих регулирующий элемент 1. Следовательно, до момента времени, когда выходное напряжение стабилизатора достигнет уровня, достаточного для открывания транзистора 9, выходной конденсатор 3 заряжается стабилизированным током открытого составного регулирующего элемента 1. При этом исключено недопустимое скачкообразное изменение тока при заряде конденсатора 3 в период включения стабилизатора, и исключается возможность перегрузки регулирующего элемента 1. При заряде конденсатора 3 до уровня близкого к номинальному значению выходного напряжения стабилизатор переходит в режим стабилизации выходного напряжения: вступает в работу первый каскад усилителя рассогласования 5, который в зависимости от уровня напряжения на выходе делителя выходного напряжения 4 изменяет напряжение на коллекторном резисторе 7 через разделительный диод 6, перешедший в открытое состояние. При этом изменяется напряжение на базо-эмиттерном переходе транзистора 8, а следовательно, изменяется его коллекторный ток и напряжение на составном регулирующем элементе 1, компенсируя изменившееся выходное напряжение.
При коротком замыкании на выходе стабилизатора усилитель рассогласования на транзисторе 9 закрывается, при этом катод диода 17 соединяется с общим выводом, вследствие этого защитный транзистор 19 открывается и своим эмиттерно-коллекторным переходом шунтирует стабилитрон 15 источника опорного напряжения 2, транзистор 8 второго каскада усилителя рассогласования закрывается, что приводит к полному закрытию регулирующего элемента 1, а значит, ток регулирующего элемента 1 практически равен нулю, в то время как в прототипе через регулирующий элемент 1 протекает ток, определяемый источником тока на транзисторе 8 и источником опорного напряжения 2. После устранения короткого замыкания стабилизатор автоматически запускается, и происходит аналогичный процесс ограничения тока через регулирующий элемент 1, как и при подаче входного напряжения. При включении стабилизатора на заранее короткозамкнутую нагрузку, открытое состояние транзистора 19 исключает возможность включения стабилизатора и, следовательно, прохождения через регулирующий элемент 1 броска тока.
Таким образом, предлагаемый стабилизатор напряжения позволяет значительно снизить мощность рассеяния регулирующего элемента 1 в режиме короткого замыкания путем полного его запирания, тем самым расширить область применения устройства.