Стабилизатор напряжения питания электронных схем
Владельцы патента RU 2755670:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с p-n-переходом и n-каналом; два резистора; полевой транзистор с индуцированным n-каналом; нагрузку. 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием.
Уровень техники
Известен стабилизатор постоянного напряжения, [SU А.С. №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 являются значительная сложность схемной реализации.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения питания электронных схем (патент RU №2727713, МПК G05F 3/16).
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержит регулирующий биполярный транзистор n-р-n типа в виде эмиттерного повторителя, коллектор которого подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения, полевой транзистор с р-n-переходом и n-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, и нагрузку, включенную между эмиттером биполярного транзистора и общей шиной источника, 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 коэффициентом стабилизации тока по входному напряжению;
- низким коэффициентом полезного действия по мощности.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения питания электронных схем содержащий: нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с p-n-переходом и n-каналом; два резистора; нагрузку, причем сток полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к первому выводу первого резистора, а затвор подключен к точке соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора; второй вывод второго резистора соединен с общей шиной; второй вывод нагрузки подключен к общей шине источника, введен полевой транзистор с индуцированным n-каналом, причем: сток полевого транзистора с индуцированным n-каналом подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения и стоку полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом; затвор полевого транзистора с индуцированным n-каналом подключен к первому выводу первого резистора и истоку полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом; исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом, соединен с первым выводом нагрузки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизатора напряжения питания электронных схем.
На фиг. 2 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре -40°С и напряжении источника 1:7,7 В (фиг. 2.а); 9 В (фиг. 2.б); 12 В (фиг. 2.в).
На фиг. 3 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 25°С и напряжении источника 1: 7,7 В (фиг. 3.а); 9 В (фиг. 3.б); 12 В (фиг. 3.в).
На фиг. 4 представлена модель исследования параметров схемы устройства при температуре 50°С и напряжении источника 1:7,7 В (фиг. 4.а); 9 В (фиг. 4.б); 12 В (фиг. 4.в).
Осуществление изобретения
Стабилизатор напряжения питания электронных схем содержащий: нестабильный источник 1 напряжения; полевой транзистор 2 с p-n-переходом и n-каналом; резисторы 3 и 4; полевой транзистор 5 с индуцированным n-каналом; нагрузку 6, причем сток полевого транзистора 2 с р-n-переходом и n-каналом соединен со стоком полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом и потенциальным выходом нестабильного источника 1 напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора 2 с p-n-переходом и n-каналом подключен к затвору транзистора 5 с индуцированным n-каналом и первому выводу резистора 3, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора 2 с p-n-переходом и n-каналом и первым выводом резистора 4, второй вывод которого соединен с общей шиной; исток полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом, через нагрузку 6, подключен к общей шине источника 1 напряжения.
Стабилизатор напряжения питания электронных схем работает следующим образом.
Полевой транзистор 2 с p-n-переходом и n-каналом, и резистор 3 представляют собой стабилизатор тока, нагрузкой которого служит резистор 4. С учетом стабилизации тока, напряжение снимаемое с последовательно соединенных резисторов 3, 4 и поступающее на затвор полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом оказывает стабилизирующее воздействие. За счет отрицательной обратной связи при постоянном напряжении на затворе транзистора 5 с индуцированным n-каналом величина изменения напряжения в нагрузке 6 оказывается существенно меньше величины прироста напряжения источника и, таким образом, осуществляется стабилизация уровня выходного напряжения.
Максимальная величина выходного напряжения стабилизатора при минимальном напряжении источника 1 может быть только такой, чтобы их разность поддерживала полевые транзисторы 2 и 5 в активном режиме.
Исходя из требуемой величины выходного напряжения стабилизатора и тока нагрузки 6, по коэффициенту усиления полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом определяется необходимое напряжение на затворе. Величины резисторов 3, 4 выбираются таким образом, чтобы ток через резисторы 3, 4 (напряжение падения на резисторах 3, 4) обеспечивал поддержание полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом в активном режиме.
При минимально возможном напряжении источника 1 подбирается величина резистора 3 таким образом, чтобы при увеличении напряжения источника 1 изменение уровня напряжения на истоке полевого транзистора 2 с p-n-переходом и n-каналом и, соответственно, на затворе полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом не превышало плюс 5% от первоначальной величины. При этом величина напряжения между истоком и затвором, полевого транзистора 2 с p-n-переходом и n-каналом, является напряжением отсечки, которое определяется током делителя образованного сопротивлением канала полевого транзистора 2 и резистора 3. Как правило, эта величина напряжения оказывается недостаточной для поддержания полевого транзистора 5 с индуцированным n-каналом в активном режиме, поэтому для установки необходимого напряжения в нагрузке 6 служит дополнительно включенный резистор 4.
Ток стока полевых транзисторов 2, 5 используемых в схеме стабилизатора характеризуется температурной зависимостью. Причем если в случае полевого транзистора 2, в силу незначительной величины протекающего тока и стабилизирующего эффекта, температурные изменения тока стока крайне малы, то в случае полевого транзистора 5, ток стока которого имеет существенную величину, температурный режим оказывает более значительное влияние (фиг. 2, 3, 4 (а)), фиг. 2, 3, 4 (б)), фиг. 2, 3, 4 (в)). При этом степень «значительности» может быть существенно снижена при обеспечении работы полевого транзистора 5 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, током стока и напряжением на затворе транзистора 5 и сопротивлением нагрузки 6, а значит в условиях применения нестабильного источника 1 напряжения, полная реализация «термостабильного режима» достаточно проблематична. Как показали результаты моделирования предлагаемого стабилизатора напряжения в сравнении с прототипом (таблица) его температурной коэффициент напряжения
стабилизации в интервале высоких температур (в интервале максимально вероятного использования [25; 50]°С, в среднем, в 3 раза лучше, а в интервале низких температур (в интервале минимально вероятного использования [-40; 25]°С, в среднем, в 3 раза хуже.
По остальным параметрам имеет место существенный выигрыш, в частности:
- по «Коэффициенту стабилизации по напряжению», в среднем, в 15 раз;
- по «Коэффициенту стабилизации тока по входному напряжению», в среднем, в 15 раз;
- по «Коэффициенту полезного действия по мощности», в среднем, на 10,7%.
Что позволяет сделать вывод, что, в целом, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями в сравнении с прототипом.
Стабилизатор напряжения питания электронных схем, содержащий нестабильный источник напряжения; полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом; два резистора; нагрузку, причем сток полевого транзистора с р-n-переходом и n-каналом подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения, второй выход которого служит общей шиной устройства; исток полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом подключен к первому выводу первого резистора, а затвор подключен к точке соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора; второй вывод второго резистора соединен с общей шиной; второй вывод нагрузки подключен к общей шине источника; отличающийся тем, что в устройство введен полевой транзистор с индуцированным n-каналом, причем сток полевого транзистора с индуцированным n-каналом подключен к потенциальному выходу нестабильного источника напряжения и стоку полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом; затвор полевого транзистора с индуцированным n-каналом подключен к первому выводу первого резистора и истоку полевого транзистора с p-n-переходом и n-каналом; исток полевого транзистора с индуцированным n-каналом соединен с первым выводом нагрузки.
