Регулируемый прецизионный стабилизатор постоянного напряжения с двуполярным выходом

 

Использование: изобретение относится к вторичным источникам питания систем контроля аппаратуры. Сущность изобретения: устройство содержит интегральный двуполярный стабилизатор 1 с фиксированным напряжением. В устройство введены делители 29, 30 выходного напряжения с перестраиваемыми резисторами 25, 26, эмиттерные повторители на транзисторах 33, 34 и резисторах 35, 36, а также операционные усилители 31, 32. Эмиттеры транзисторов 33, 34 соединены с инвертирующими входами соответствующих операционных усилителей 31, 32, что позволяет уменьшить нестабильность выходного напряжения. 2 ил.

Изобретение относится ко вторичным источникам питания систем контроля аппаратуры, а именно к прецизионным стабилизаторам напряжения с двуполярным выходом, используемым для контроля порога срабатывания высокоточных пороговых устройств проверяемой аппаратуры. Может также использоваться в аппаратуре широкого применения, а также в качестве самостоятельного прецизионного стабилизатора с двуполярным симметричным по напряжению выходом.

Известны многообразные схемные технические решения однополярных высокоточных стабилизаторов напряжения непрерывного действия с нерегулируемым и регулируемым выходным напряжением. Нестабильность выходного напряжения таких стабилизаторов составляет около 1% а температурный коэффициент стабилизации по напряжению (ТКН) составляет порядка 0,2-0,5%^оС.

Однако для контроля пороговых устройств, уровня срабатывания устройств контроля напряжения первичных источников питания аппаратуры требуются эталонные (прецизионные) датчики (источники напряжения) с фиксированными значениями симметричных разнополярных напряжений с повышенной нагрузочной способностью. Таким образом для осуществления контроля требуется одновременно эталонное напряжение как положительной, так и отрицательной полярности, причем одновременно с одинаковыми (максимально симметрированными) значениями выходного напряжения.

Известно также, что развитие интегральной технологии позволило создать однополярные высокоточные и термостабильные стабилизаторы напряжения непрерывного действия с фиксированным выходным напряжением. Такие стабилизаторы относятся к прецизионным и их нестабильность выходного напряжения достигает порядка 0,1-0,2% Температурный коэффициент стабилизации по напряжению таких известных интегральных однополярных стабилизаторов достигает 0,01%^оС [1] К недостаткам таких стабилизаторов, не позволяющим их использовать в качестве эталонных источников напряжения, относится однополярность выходного напряжения. Одновременное использование двух последовательно включенных стабилизаторов интегральной технологии изготовления, например, положительной и отрицательной полярности приводит к значительной взаимной нестабильности по напряжению положительного канала по отношению к отрицательному каналу, и наоборот. Вторым же недостатком является отсутствие регулировки выходного напряжения.

Известно также, что дальнейшее совершенствование технологии изготовления интегральных стабилизаторов позволило создать интегральные стабилизаторы с согласованными разнополярными выходами. Принцип согласования выходов таких стабилизаторов сводится к тому, что изменение выходного напряжения одной полярности (по одному выходу) автоматически приводит к такому же (в пределах допустимой погрешности) изменению по абсолютной величине напряжения другой полярности (по другому его выходу).

Наиболее близким предложенному является регулируемый прецизионный стабилизатор постоянного напряжения с двуполярным входом и выходом [2] выбранный в качестве прототипа и содержащий последовательно соединенные с входом положительной полярности первый регулирующий элемент и первый датчик тока, последовательно соединенные с входом отрицательной полярности второй датчик тока и второй регулирующий элемент, включенные между вторым выходом первого датчика тока и втоpым выходом второго регулирующего элемента, цепь из последовательно соединенных между собой второго усилителя и второго сравнивающего элемента, источник опорного напряжения, цепь из последовательно соединенных первого усилителя и первого сравнивающего элемента и резистивный делитель выходного напряжения по положительной полярности.

Кроме того, включенный между вторым выходом второго регулирующего элемента и общим выводом резистивный делитель выходного напряжения по отрицательной полярности, узел запуска и тепловой защиты, первый вывод питания которого соединен с входом положительной полярности и первым входом первого регулирующего элемента, его второй вывод питания соединен с общим выводом, первый и второй входы узла запуска и тепловой защиты соединены соответственно с первыми выходами первого и второго регулирующего элемента, а его первый и второй выходы соединены с вторыми входами первого и второго регулирующих элементов соответственно; третьи входы первого и второго регулирующих элементов соединены с выходами соответствующих первого и второго усилителя, также первый и второй узлы защиты по току, входы которых соединены с выводами соответствующих первого и второго датчиков тока, а выходы с первыми входами соответствующих первого и второго сравнивающих элементов, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами источника опорного напряжения соответственно. При этом их третьи входы соединены с выходами соответствующих резистивных делителей напряжения по положительной и отрицательной полярности.

Недостатком прототипа является низкая стабильность при изменении сопротивления переменного резистора.

Целью изобретения является обеспечение регулировки (перестройки) выходного напряжения без ухудшения стабильности выходного напряжения и температурного коэффициента стабилизации по напряжению при одновременном повышении симметрии выходных напряжений двуполярного стабилизатора напряжения.

Данная цель достигается тем, что в известный прецизионный стабилизатор постоянного напряжения с двуполярным выходом введены последовательно соединенные первый перестраиваемый резистор, первый резистор, второй резистор и второй перестраиваемый резистор делителей напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй транзисторы, также последовательно соединенные третий и четвертый резисторы. При этом один из выводов первого операционного усилителя и коллектор первого транзистора соединены с первым входом резистивного делителя напряжения по положительной полярности. Общая точка соединения первого перестраиваемого резистора и первого резистора соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером первого транзистора, одним из выводов третьего резистора и выходным выходом положительной полярности. База первого транзистора соединена с выходом первого операционного усилителя, один из выводов второго перестраиваемого резистора, один из выводов второго операционного усилителя и коллектор второго транзистора соединены с вторым входом резистивного делителя напряжения по положительной полярности. Общая точка соединения второго резистора и второго перестраиваемого резистора соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером второго транзистора, одним из выходов четвертого резистора и выходным выводом отрицательной полярности, стабилизатора. База второго транзистора соединена с выходом второго операционного усилителя, при этом вторые выводы первого и второго резисторов, первого и второго операционных усилителей, третьего и четвертого резисторов соединены с общим выводом.

На фиг.1 изображена функциональная блок-схема устройства; на фиг.2 принципиальная схема части устройства общей с прототипом интегрального двуполярного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением.

Функциональная блок-схема содержит интегральный двуполярный стабилизатор 1 с фиксированным выходным напряжением, включающий регулирующие элементы РЭ 2 и 3, узел 4 запуска и тепловой защиты УЗТЗ, узлы защиты по току УЗТ 4 и 6, датчики тока 7, 8, усилители УС 9 и 10, сравнивающие элементы СЭ 11 и 12, источник 13 опорного напряжения ИОН, делитель выходного напряжения по отрицательной полярности с плечами 14, 15, согласующий элемент 16 для подключения внешнего регулирующего резистора, делитель напряжения по суммарному выходному напряжению (отрицательной и положительной полярности) с плечами 17, 18, входные выводы 19, 20, 21 положительной полярности, общей и отрицательной полярности соответственно, выходные выводы 22, 23, 24.

Устройство содержит так же перестраиваемые резисторы 25, 26 и резисторы 28, 29 делителей выходного напряжения 29, 30, операционные усилители 31-32, транзисторы 33, 34, резисторы 35, 36, выходы 37, 38 положительной и отрицательной полярностей соответственно и общую шину 39.

Принципиальные схемы узлов и элементов интегрального двуполярного стабилизатора 1 с фиксированным выходным напряжением (фиг.2) содержат УЗТ 34 транзисторы Т1-Т8, Т14, стабилитрон Д1, диоды Д2-Д4, резисторы R1-R10, R20, РЭ2 транзисторы Т9, Т10, РЭ3 транзисторы Т16, Т17, УЗТ5 транзистор Т15 и резисторы R14, R15, R17, датчики тока 7, 8 резисторы R12, R16, УС 9 транзисторы Т12, Т22 и резисторы R19, R24, УС 10 транзисторы Т13, Т21, Т27 и резисторы R18, R23, R26, СЭ 11 транзисторы Т28, Т29, Т30 и резисторы R33, R34, СЭ 12 транзисторы Т24-Т26 и резистор R29, транзисторы Т18, Т19, Т20, Т23, диоды Д5, Д6 и резисторы R21, R22, R25, R27, R28, плечи делителя напряжения по отрицательной полярности 14, 15 резисторы R31, R32, плечи делителя напряжения по суммарному выходному напряжению на резисторах R35, R36, согласующий элемент 16 резистор 30. Кроме того, выходные выводы зашунтированы защитными диодами Д7, Д8.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания на входные выводы 19, 20, 21 через резистор R1 начинает протекать ток и на базе транзистора Т1 устанавливается потенциал, равный напряжению пробоя стабилитрона Д1. Вследствие этого через транзисторы Т2, Т3 начинает протекать ток, который открывает РЭ 2 положительного канала на транзисторах Т9, Т10.

Одновременно резистивный делитель на резисторах R5, R7, T8 и транзистор Т7 в диодном включении с резистором R10 задают потенциал базы транзистора Т14, коллекторный ток которого через диоды Д2, Д3 производит запуск транзисторов Т19, Т20, входящих в состав ИОН 13, транзистора Т21 открывающего последовательно транзисторы Т27 и Т13 усилителя УС 10.

Далее транзистор Т13 открывает RЭ 3 отрицательного канала на транзисторах Т16, Т17. При открытом RЭ 3 отрицательного канала начинает работать ИОН 13, через транзистор Т19 и диоды Д5, Д6 которого начинает протекать ток. В результате открывается транзистор Т18 и через делитель на резисторах R25, R27, транзисторе Т23 в диодном включении и резисторе R28 начинает протекать ток, который открывает транзисторы Т24, Т30 соответственно, а также открывает транзистор Т25 СЭ 11 и транзистор Т28 СЭ 12. После запуска напряжение на выходе отрицательного канала нарастает до тех пор, пока напряжение в средней точке делителя на резисторах R32, R31 не станет равно опорному напряжению на базе транзистора Т25.

Напряжение на выходе положительного канала увеличивается вслед за ростом отрицательного напряжения (ведомого стабилизатора вслед за ведущим стабилизатором), так как база транзистора Т28 СЭ 12 соединена с общей шиной, а база транзистора Т29 с обоими выходами через одинаковые резисторы R33, R35, R36, а далее через усилитель УС 9 на транзисторах Т22, Т12 воздействует на РЭ 2 положительного канала.

Таким образом, интегральный двуполярный стабилизатор 1 поддерживает неизменным выходное напряжение отрицательного канала за счет высокого коэффициента усиления СЭ 11 и УС 10 и глубокой обратной связи, осуществляемой делителем на резисторах R32, R31. Выходное положительное напряжение поддерживается равным отрицательному благодаря обратной связи через делитель на резисторах R35, R36 и отрабатывает в следящем режиме любые изменения отрицательного напряжения.

Выходное напряжение положительной полярности интегрального двуполярного стабилизатора 1 поступает на делитель выходного напряжения 29 на первом перестраиваемом резисторе 25 и первом резисторе 27, а с их общей точки соединения поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя ОУ 31.

Выходное напряжение отрицательной полярности интегрального двуполярного стабилизатора 1 поступает на делитель выходного напряжения 30 на втором резисторе 28 и втором перестраиваемом резисторе 26, а с их общей точки соединения поступает на неинвертирующий вход второго операционного усилителя ОУ 32. Отличительной особенностью предлагаемого перестраиваемого прецизионного стабилизатора является использование в делителях выходных напряжений 29, 30 высокоточных термостабильных резисторов, например, типа С2-36, имеющих допускаемое отклонение от номинала ±0,5% (выбираемое настройкой выходного напряжения стабилизатора) и высокое значение температурного коэффициента сопpотивления (ТКС), равного ±75˙10^{- 6} 1/^оС.

Перестраиваемые резисторы 25, 26 позволяют в широких пределах (изменять) перестраивать выходное напряжение стабилизатора практически с прецизионной точностью. Напряжение с выходов первого 31 и второго 32 операционных усилителей поступает на базы эмиттерных повторителей, выполненных соответственно на транзисторах 33, 34 и резисторах 35, 36. Введение эмиттерных повторителей на транзисторах 33, 34 и резисторах 35, 36 позволило повысить нагрузочную способность перестраиваемого прецизионного стабилизатора.

Отличительной особенностью предлагаемого перестраиваемого стабилизатора является соединение эмиттеров транзисторов 33, 34 с инвертирующим входом соответственно ОУ 31 и ОУ 32.

Постановка эмиттерного повторителя по отрицательному выходу 38 и положительному выходу 37 приводит к появлению ошибки в выходном напряжении стабилизатора на величину падения напряжения на базо-эмиттерном (U_бэ) переходе транзисторов 33, 34 по каждому из каналов. Кроме того, с изменением температуры окружающей среды величина U_бэ будет изменяться, что существенно будет сказываться на выходном напряжении стабилизатора. Включение нелинейного элемента, например полупроводникового диода в прямом направлении по отношению к базоэмиттерному переходу транзисторов 33, 34, не позволяет достаточно скомпенсировать влияние температуры на изменения U_бэ из-за неидентичности характеристик перехода база-эмиттер транзистора и полупроводникового диода в прямом направлении. Согласно предложенному техническому решению выходное напряжение стабилизатора U_вых и входное напряжение на неинвертирующем входе каждого из операционных усилителей 31, 32 U_вх связаны соотношением: U_вых= U_вх- где И_бэ падение напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора (33 или 34), К_оу коэффициент усиления операционного усилителя (31 или 32).

Таким образом, нестабильность выходного напряжения стабилизатора будет определяться соотношением: U_вх-U_вых= Защита по току в устройстве осуществляется следующим образом. При превышении величины тока, например, по положительной полярности открывается транзистор Т11, что приводит к подзакрыванию транзисторов Т9, Т10 РЭ 2. Аналогично работает узел защиты по току ТЗ 5 канала отрицательной полярности.

УЗТЗ 4 работает следующим образом. При превышении температуры мощных транзисторов Т10 или Т17 РЭ 2 и 3 открывается один из транзисторов Т4 или Т5, напряжение на базы которых подается с делителя R7, R8. При этом открываются транзисторы Т6, Т8 и этим шунтируется переход транзистора Т13 СЭ 11 и запираются транзисторы Т16, Т17 РЭ 3 отрицательного канала, а выходное напряжение ведомого стабилизатора положительного канала соответственно уменьшается с уменьшением напряжения ведущего стабилизатора, т.е. в следящем режиме.

Формула изобретения

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ДВУПОЛЯРНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий последовательно соединенные с входом положительной полярности первый регулирующий элемент и первый датчик тока, последовательно соединенные с входом отрицательной полярности второй датчик тока и второй регулирующий элемент, включенные между вторым выходом первого датчика тока и вторым выходом второго регулирующего элемента, цепь из последовательно соединенных между собой второго усилителя и второго сравнивающего элемента, источник опорного напряжения, цепь из последовательно соединенных первого усилителя и первого сравнивающего элемента и резистивный делитель выходного напряжения по положительной полярности, кроме того, включенный между вторым выходом второго регулирующего элемента и общим выводом резистивный делитель выходного напряжения по отрицательной полярности, узел запуска и тепловой защиты, первый вывод питания которого соединен с входом положительной полярности и первым входом первого регулирующего элемента, его второй вывод питания соединен с общим выводом, первый и второй входы узла запуска и тепловой защиты соединены соответственно с первыми выходами первого и второго регулирующих элементов, а его первый и второй выходы соединены с вторыми входами первого и второго регулирующих элементов соответственно, третьи входы первого и второго регулирующих элементов соединены с выходами соответствующих первого и второго усилителей, также первый и второй узлы защиты по току, входы которых соединены с выводами соответствующих первого и второго датчиков тока, а выходы соединены с первыми входами соответствующих первого и второго сравнивающих элементов, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами источника опорного напряжения соответственно, при этом их третьи входы соединены с выходами соответствующих резистивных делителей напряжения по положительной и отрицательной полярности, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулирования выходного напряжения без ухудшения его стабильности и температурного коэффициента стабилизации и при одновременном повышении симметрии выходных напряжений, введены последовательно соединенные первый перестраиваемый резистор, первый резистор, второй резистор и второй перестраиваемый резистор делителей напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй транзисторы, последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, при этом один из выводов первого операционного усилителя и коллектор первого транзистора соединены с первым входом резистивного делителя напряжения по положительной полярности, общая точка соединения первого перестраиваемого резистора и первого резистора соединена с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером первого транзистора, одним из выводов третьего резистора и выходным выводом положительной полярности, база первого транзистора соединена с выходом первого операционного усилителя, одним из выводов второго перестраиваемого резистора, один из выводов второго операционного усилителя и коллектор второго транзистора соединены с вторым входом резистивного делителя напряжения по положительной полярности, общая точка соединения второго резистора и второго перестраиваемого резистора соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером второго транзистора, одним из выводов четвертого резистора и выходным выводом отрицательной полярности, база второго транзистора соединена с выходом второго операционного усилителя, при этом вторые выводы первого и второго резисторов, первого и второго операционных усилителей, третьего и четвертого резисторов соединены с общим выводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 13-2003

(73) Патентообладатель:ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт точного машиностроения" (RU)

Договор № 15835 зарегистрирован 08.01.2003

Извещение опубликовано: 10.05.2003