Низковольтный стабилизатор напряжения

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советснии

Социалистическими

Республик

868725 (6l } Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24.01.80(2l ) 2874139/24-07 с присоединениеM заявки УЙ (23) Приоритет

Опубликовано 30.09.81. Бюллетень №36

Дата опубликования описания 02.10.81 (5()М. Кл.

605 F 1/56 теу4вретеекнык кемнтет

СССР ае далем взееретеинй и открытий (Sa) УДК 621.316. .722. 1(088.8) (54) НИЗКОВСПЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания с относительно низким уровнем выходного напряжения.

Известен низковольтный стабилизатор

5 напряжения, содержащий регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, усилитель обратной связи (УОС) и источник опорного напряжения (ИОН), I0 в качестве которого используется низковольтный стабилитрон, имеюший отрицатель. ный температурный коэффициент напряжения (ТКН). Для обеспечения высокой температурной стабильности выходного нап15 ряжения в качестве термокомпенсирующего элемента использован транзистор, коллектор которого подключен к базе транзистора первого каскада УОС, эмиттер через резистор — к одной из выходных

20 клемм стабилизатора, а база — к среднему выводу резистивного делителя, крайние выводы которого подключены к клеммам для подключения нагрузки (Ц.

Недостатки указанного стабилизатора состоят в том, что он не может обеспечить выходное напряжение меньше величины, равной сумме напряжений на опорном стабилитроне и на переходе база-эмнттер первого транзистора УОС; причем при больших токах нагрузки в нем необходимо использовать составной регулируюший транзистор, что приводит к дополнительным потерям в стабилизаторе. Кроме того, он не обеспечивает возможности плавной регулировки выходного напряжения без нарушения условия термокомпенсации.

Наиболее близким по технической cymности к предлагаемому является стабилизатор содержаший основной и дополнительный источники питания, имеющие обшую точку, регулирующий транзистор, вклк ченный последовательно с нагрузкой, и

УОС, состоящий из неинвертируюшего каскада,,выполненного на транзисторах с последовательно чередующимся типом проводимости, эмиттер первого из кото.- рых подключен к общей шине стабилиза8687

1тора, и инвертируюшего каскада, выполненного на транзисторе, проводимость которого одинакова с проводимостью регупируюшего транзистора. В стабилизатор включено также запускаюшее устройство, обеспечивающее его выход на режим при подключении первичного источника питания. Ваза транзистора инвертирунше1о каскада подключена к средней точке делителя напряжения, крайние выводы -которо- 1о го подключены к выходу стабилизатора.

Для обеспечения температурной: стабильности в нижнее плечо двигателя включен германиевый диод.

Такой стабилизатор может обеспечить более низкую величину выходного напряжения, чем стабилизатор 3., которая ограничивается только величиной падения напряжения на переходе база-эмиттер усипительного транзистора и равно примерно 0,7 -0,8 В (так как первый транзистор усилителя должен быть кремниевым), и, кроме того, он имеет более высокий КПД, так как при любых токах нагрузки не требует испопьзования составного регулируюшего транзистора )2), Основной недостаток известного стабилизатора заключается в относительно низ-кой температурной стабильности выходно- З© го напряжения. Это объясняется тем, что

ТКН термокомпенсируюшего диода не равен точно величине ТКН перехода база-эмнъ тер усилительного транзистора вспед".твне различия величин тока через эти элементы, а также из-за технологического разброса величин ТКН этих элементов от образца к образцу.

Цель изобретения — повышение температурной стабильности выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что

40 в низковольтный стабилизатор напряжения, .содержащий основной и дополнительный источники питания, имеюшие общую точку, регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, и УСС, сос45 тояший из неинвертируюшего каскада, выполненного на транзисторах с последовательно чередующимся типом проводимости эмиттер первого из которых подключен к обшей шине стабилизатора, и инвертирую-5О щего каскада, выполненного на транзисторе, проводимость которого одинакова с проводимостью регулирующего транзистора, введен трехзвеиный делитель наприжения, первое звено которого подключено 55 к разобщенному выводу дополнительного источника питания, третье звено — к обшей шине стабилизатора, первое звено

25 4 выполнено в виде стабилизатора тока, третье звено образовано резистором, при этом отгод от точки соединения второго и третьего звеньев подключен к базе первого транзистора неинвертируюшего каскада усилителя, отвод от точки соединения первого и второго звена — к коллектору транзистора ннвертирующего каскада, база и эмиттер которого через соответствуюшие резисторы соединены с клеммами для подключения нагрузки.

Это позволяет с высокой степенью точности компенсировать температурный дрейф напряжения база-эмиттер первого транзистора неинвертируюшего каскада усилителя, и следовательно, повысить температурную стабильность выходного напряжения. При этом второе звено дополнительно введенного делителя образовано нелинейным попупроводниковым элементом, например диодом, что озвопяет повысить коэффициент передачи УОС за счет уменьшения величины сопротивления в базе транзистора инвертируюшего каск ада.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого стабилизатора.

Стабилизатор содержит основной 1 и дополнительный 2 источники питания, отрицательные полюсы которых соединены между собой. Регулирующий транзистор З включен последовательно с клеммами 4 для подключения нагрузки. Неинвертируюший каскад УОС выполнен на транзисторах

5 и 6, причем транзистор 6 имеет одинаковую, а транзистор 5 - противоположную проводимость по отношению к проводимости транзистора 3.,Эмиттер транзистора

5 подключен к разобщенному выводу источника 2, а эмиттер транзистора 6 — к обшей шине стабилизатора. Инвертируюший каскад УОС выполнен на транзисторе 7, база которого через резистор 8 подключена к одной из клемм для подключения нагрузки, а эмиттер через резистор 9— к другой клемме. Дополнительно введенный трехзвенный делитель напряжения включен между положительным полюсом источника 2 и общей шиной. Первое звено делителя выполнено в виде стабилизатора

ХО тока на полевых транзисторах, второе звено образовано диодом ll, а третье— резистором 3.2. Коллектор транзистора 7 подключен к точке соединения стабилизатора 10 тока с диодом ll, а база транзистора 6 — к точке соединения,. диода 11 с резистором l2. Источник 2 питания мо868725 жет быть нестабипизированным. Стабили- затор 10 тока вь:попнен по известной схеме на полевых транзисторах с датчиком

13 тока в цепи источника первого полевого транзистора. S

Стабилизатор работает следующим ооразом.

При включении питания током стабилиЬатора 10 открывается транзистор 6. Qq- новременно с ним открываются транзисторы 5 и 3. Напряжение на выходе стабилизатора 3 начинает расти. Когда входное напряжение достигает величины напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 7 (примерно 0,25 В для германие15 вых транзисторов и 0,65 В для кремниевых,) этот транзистор открывается, шунтируя диод 11 и резистор 12. При дальнейшем увеличении выходного наппяжения ток коллектора транзистора 7, опредеряемый величиной резистора 9, растет, а напряжение на резисторе 12 и ток базы транзистора 6 уменьшаются. При достижении входным напряжением заданного значения вступает в действие отрицатель- ная обратная связь с выхода стабилизатора и выходное напряжение стабилизируется на заданном уровне.

Огличительной особенностью предлагае- ЗО мого изобретения является отсутствие

ИОН и выходного делителя напряжения, что упрощает стабилизатор. В качестве

ИОН используется переход база-эмиттер ,транзистора 6, что позволяет обеспечить у5 минимальную величину выходного напряжения на уровне 0,3....0,4 В при использовании германиевых транзисторов и на уровне 0,7....0,8 В при использовании кремниевых транзисторов(беэ использования до- 4о полнительного источника с отрицательным напряжением).

Тр анзистор 3 предотвращает попадание напряжения источника 2 на базу транзи тора 7 при воздействии случайной помехи, 4 например, на транзистор 6 ° приводящей к йась цению транзисторов 5 и 6. Если величина резистора 8 в несколько раэ меньше входного динамического сопротивления транзистора 7 (практически такое условие в большинстве случаев выполнимо), то он не ухудшает существенно параметры стабилизатора.

Нелинейный элемент (диод или стабилитрон) 11 обеспечивает необходимое нап- >> ряжение на коллекторе транзистора 7.

При этом, если вместо него использован, например резистор, то необходимая величина резистора 8 повышается, что может привести к ухудц.знию выходных параметров стабилиз тора.

Рассмотрим как выполняется в стабилиза горе условие температурной стабильности выходного напряжения. Если, например, температура окружающей среды увеличивается, то напряжения на перходе база-эмиттер транзистора 6 и на диоде

11 уменьшаются, что приводит к открыванию транзистора 5 и увеличению выходного напряжения. Температурный коэффициент (ТК) тька стабилизатора 10 регулируется с помощью резистора 12 и может быть обеспечен близким к нулю, при этом стабильность выходного тока достаточна, чтобы не ухудшать параметры стабилизагора (при необходимости стабилизатор

10 тока может быть выполнен из трех ипи более транзисторов, однако в большинстве случаев этого не требуется. При

1повышении температуры открывается так же транзистор 7, ток коллектора его увеличивается, что приводит к уменьшению тс ка через резистор 12 и к закрыванию тран- зистора 6, т.е. к уменьшению выходного напряжения (к взаимной компенсации температурной нестабильности параметров транзистора 3 и диода 11.). Путем выбора соотношения-сопротивления резисторов

9 и 12 можно обеспечить такой режим работы стабилизатора, при котором выходное напряжение остается неизменным при изменении температуры. При этом температурные иэменнния параметров транзистора 7 (коэффициент передачи, обрат ный ток коллектора) не изменяют условия термокомпенсации, так как транэисх ор Охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току.

Условие температурной компенсации стабилизатора определяется следующим выражением 01 Ьъ б, 0и ю л Кц или 12 Ь0 +Ь0 +61 к 1

I 9 От где Ь044 - ТК напряжение диода llew д0 и yQ — ТК напряжения перехода ба7 эа-э митгер, соответственно транзисторов 6 и 7;

b |,1, — ТК тока стабилизатора 10 ток &

С помощью резистора 12 всегда можно обеспечить нулевой ТК стабилизатора 10 тока (b,14о=0) путем обеспечения работы цолевых транзисторов в точке внутре

<6872;> услов««е тер- В««еT очС:нь высокую отA«>«!«!! ««<ж ! е«!.«хс д»» го токи и не ухудшает в! «х(««««! !«! í IfiQ«» !ров устройства.

Иозмож««ы следующие варианты в««««о««пения стабилизатора:

1) источники 1 и 2 питания могут быть соединены между собой раэнопо— лярными полюсами, при этом их общая ней термокомпенсации. Тогда м окомпенсации стабилизатора имеет вид

Rq2 U6+6U4

R9 7

В то же время величина выходного напряжения стабилизатора определяется из условия что после преобразования дает где 0 «««Х — выходное напряжение; — выходной ток стабилизатора о

10 тока; — напряжение база-эмиттер транЭС« зисторов 6 и 7.

Выражения (а) и (б) показывают, что, обеспечив ТК стабилизатора тока близким к нулю, применив в качестве резисторов

9 и 12 переменные резисторы с необхо,димым (расчетным или определенным практически) соотношением, можно плавно изменять выходное напряжение, не нарушая условия термокомпенсации, путем одновременного синхронного изменения сопротивлений резисторов 9 и 12. Соот6 « И что практически примерно и! «полняется, точка соединена с коллектором регулирую1О щего транзистора; о 2) вместо диода 11 может быть испольI= ! зован стабилитрон или резистор

9 3) число транзисторов неинвертирующего каскада может быть больше двух.

Температурная стабильность предлагамого стабилизатора по сравнению с из=u .к - —" эб

«вестным значительно повышается благоВЬ!Х Эд 9 ц) R «2 даря обеспечению возможности регулиров-! ки ТК выходного напряжения и взаимной температурной компенсации транзисторов

УОС. При этом схема стабилизатора практически не усложняется, так как иэ -за него исключено запускающее устройство.

Кроме того, стабилизатор может быть рассчитан на более низкое напряжение, так как в УОС могут быть применены германиевые транзисторы (минимальная величина выходного напряжения, лимитируемая напряжением база-эмиттер гермаЗО ниевого транзистора, равна в этом случае О,З....0,4 В). Между тем в известном стабилизаторе первый транзистор УОС должен быть кремниевым, так как в нижнем плече выходного делителя стоит германиношение 142 (Rg определяет также величи» 35 евый термокомпенсирующий диод, поэтому величина выходного напряжения в нем ну коэффипиента передачи по напряжению не может быть мение 0,7....0,8 В. транзистора 7 при условии По сравнению со стабилизатором l

40 при одинаково высокой температурной стабильности предлагаемый стабилизатор обеспечивает возможность плавной регулировки выходного напряжения без нару

ОЛУ К- «2 шения термокомпенсации. Кроме того он

Выражения (а) и (б) упрощенные и по- 45 может быть выполнен на более низкие лучены, в частности, при условии, что :выходные напряжения, так как не содер величина входного сопротивления транзис- жит опорного стабилитрона, имеет более тора 6 намного больше сопротивления ре- высокий КПЙ, так как в нем нет необходиэистора 12, падение напряжения на резис- мости использовать регулирующий транзис торе 8 равно нулю, динамическое сопро- 5О тор составного типа. тивление стабилизатора 10 тока равно бес-, Предлагаемый стабилизатор напряжения конечности. может быть использован в источниках пиОдной из особенностей предлагаемого тания с относительно низким выходным стабилизатора (по сравнению с известным) напряжением, например в диапазоне является также отсутствие запускающего 55 0,3 .... 2 В, когда применение схем стаустройства. При подсоединении питания билиэаторов с использованием опорных включение стабилизатора обеспечивается стабилитронов усложняет его устройство выходным током стабилизатора тока, при- и требует применения еще одного лов, чем схема стабилизатора тока обеспечи- по«!«ательного источника питания с !«олкр10

868725

ВНИИПИ Заказ 8327/69 Тираж 943 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 постыл, противоположной полярности основного источника. фор мула изобретения

1. Низковольтный стабилизатор напряжения, содержащий основной и дополнитель ный источники питания, имеющие общую точку, регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, и усилитель обратной связи, состоящий из неинвертирующего каскада, выполненного на транзисторах с последовательно чередующимся типом проводимости, эмиттер первого иэ которых подключен к общей шине стабилизатора, и инвертирующего каскада, выполненного на транзисторе проводимость которого одинакова с проводимостью регулирующего транзистора, о т л и ч а ю— шийся тем что, с целью повышения температурной стабильности выходного напряжения, в него введен трехэвенный делитель напряжения, первое звено которого выполнено в виде стабилизатора тока и подключено к разобщенному выводу дополнительного источника питания, третье звено, образованное резистором, подключено к обшей шине стабилизатора, при этом отвод от точки соединения второго и третьего звеньев подключен к базе первого транзистора неинвертируюшего каскада усилителя, отвод от точки соединения первого и второго звеньев — к коллектору

10 транзистора инвертирующего каскада, база и эмиттер которого через соот етствую. щие резисторы соединены с клеммами для подключения нагрузки.

2. Стабилизатор по и. 1 о т л и ч а ю шийся тем, что второе звено введенного делителя образовано нелинейным полупроводниковым элементом, например диодом.

Источники информации, 20 принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке Ж 271З769 кл. GO5 Г 1/56

12. О 1.7 9.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ж 2821030, кл. 605F, 1/56,, ОЗ. О 1.7 9.