Низковольтный стабилизатор напряжения

О П И С А Н И Е (и 868725ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветснивСоцналнстнческизРеспубликс присоединением заявки УЙ 3 ЪеуааретеекныИ кемнтет СССР ае далем взебретеинк в открытейЗАТО ние относится к электротехнибыть использовано в источнис относительно низким уровИзобрет ке и может ках питани нем выход го напряжения. и 15ющеИзвестен низковольтный стабилизаторнапряжения, содержащий регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, усилитель обратной связи (УОС и источник опорного напряжения (ИОН), в качестве которого используется низковольтный стабилитрон, имеющий отрицатель ный температурный коэффициент напряжения (ТКН), Для обеспечения высокой температурной стабильности выходного на ряжения в качестве термокомпенсиру го элемента использован транзистор, коллектор которого подключен к базе транзистора первого каскада УОС, эмиттер через резистор - к одной из выходных 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 ов 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 регулирующий транзистор, что приводит к дополнительным потерям в стабилизаторе. Кроме того, онне обеспечивает возможности плавной регулировки выходного напряжения без нарушения условия термокомпенсации.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являетсястабилизатор содержащий основной и дополнительный источники питания, имеющие общую точку, регулирующий транзистор, вклк ченный последовательно с нагрузкой, и УОС, состоящий из неинвертируюшего каскадавыполненного на транзисторах с последовательно чередующимся типом проводимости, эмиттер первого из кото.рых подключен к общей шине стабилиза8687 тора, и инвертируюшего каскада, выполненного на транзисторе, проводимость которого одинакова с проводимостью регупируюшего транзистора, В стабилизаторвключено также запускаюшее устройство,обеспечивающее его выход на режим приподключении первичного источника питания. Ваза транзистора инвертируюшеГокаскада подключена к средней точке делителя напряжения, крайние выводы которо ого подключены к выходу стабилизатора.Для обеспечения температурной: стабильности в нижнее плечо двигателя включенгерманиевый диод. 15Такой стабилизатор может обеспечитьболее низкую величину выходного напряжения, чем стабилизатор 1, которая ограничивается только величиной падения напряженияиа переходе база-эмиттер усилительноготранзистора и равно примерно 0,7 -0,8 В(так как первый транзистор усилителя должен быть кремниевым), и, кроме того, онимеет более высокий КПД, так как прилюбых токах нагрузки не требует испопьзования составного регулирующего транзистора 21,Основной недостаток известного стабилизатора заключается в относительно нив-.кой температурной стабильности вьцидного напряжения. Это объясняется тем, чтоТКН термокомпенсирующего диода не равенточно величине ТКН перехода база-эмнзтер усилительного транзистора вслед".твнеразличия величин тока через эти элементы,а также из-за технологического разбросавеличин ТКН этих элементов от образцак образцу,Цель изобретения - повышение температурной стабильности выходного напряжения,Поставленная цель достигается тем, что40в низковольтный стабилизатор напряжения,,содержащий основной и дополнительныйисточники питания, имеюшие общую точку,регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, и УСС, сос 45тояший из неинвертируюшего каскада, выпопненного на транзисторах с поспедова .тельно чередующимся типом проводимостиэмиттер первого из которых подключенк обшей шине стабилизатора, и инвертируюОщего каскада, выполненного на транзисторе, проводимость которого одинакова спроводимостью регулирующего транзистора, введен трехзвеиный делитель напражения, первое звено которого подключено 55к разобщенному выводу дополнительногоисточника питания, третье звено - к общей шине стабилизатора, первое звено 25 4выполнено в виде стабилизатора тока,третье звено образовано резистором, приэтом отгод от точки соединения второгои 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 степеньюточности компенсировать температурныйдрейф напряжения база-эмиттер первоготранзистора неинвертирующего каскадаусилителя, и следовательно, повыситьтемпературную стабильность выходногонапряжения. При этом второе звено дополнительно введенного делителя образовано нелинейным попупроводниковым элементом, например диодом, что позволяетповысить коэффициент передачи УОС засчет уменьшения величины сопротивленияв базе транзистора инвертируюшего каскадаа,На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого стабилизатора.Стабилизатор содержит основной 1 и допопнительный 2 источники питания, отрицательные полюсы которых соединены между собой. Регулирующий транзистор 3 включен последовательно с клеммами 4 для подключения нагрузки, Неинвертирующий каскад УОС выполнен на транзисторах 5 и 6, причем транзистор 6 имеет одинаковую, а транзистор 5 - противоположнуюпроводимость по отношению к проводимости транзистора 3.,Эмиттер транзистора 5 подключен к разобщенному выводу источника 2, а эмиттер транзистора 6 - к обшей шине стабилизатора. Инвертируюшийкаскад УОС выполнен на транзисторе 7,база которого через резистор 8 подключена к одной из клемм для подключениянагрузки, а эмиттер через резистор 9 -к другой клемме. Дополнительно введенный трехзвенный делитель напряжениявключен между положительным полюсомисточника 2 и общей шиной. Первое звеноделителя выполнено в виде стабилизатора10 тока на полевых транзисторах, второезвено образовано диодом 11, а третье -резистором 12. Коллектор транзистора 7 подключен к точке соединения стабилизатора 10 тока с диодом 11, а база транзистора 6 - к точке соединения, диода 11 срезистором 12. Источник 2 питания может быть нестабипизированным. Стабили-затор 10 тока вь:попнен по известной схеме на полевых транзисторах с датчиком 13 тока в цепи источника первого полевого транзистора, 5Стабилизатор работает следующим обра. зом.При включении питания током стабилиЬатора 10 открывается транзистор 6. Одновременно 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 германие 15 вых транзисторов и 0,65 В для кремниевых,) этот транзистор открывается, шунтируя диод 11 и резистор 12. При дальнейшем увеличении выходного напряжения 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- ЗОмого изобретения является отсутствиеИОН и выходного делителя напряжения,что упрощает стабилизатор. В качествеИОН используется переход база-эмиттер,транзистора 6, что позволяет обеспечить Бминимальную величину выходного напряжения на уровне 0,30,4 В при использовании германиевых транзисторов и на уровне 0,70,8 В при использовании кремниевых транзисторов(без использования дополнительного источника с отрицательнымнапряжением ),Тр анзистор 3 предотвращает попаданиенапряжения источника 2 иа базу транзитора 7 при воздействии случайной помехи, 45например, на транзистор 6, приводящей кйасыщению транзисторов 5 и 6. Есливеличина резистора 8 в несколько раэменьше входного динамического сопротивления транзистора 7 (практически такоеусловие в большинстве случаев выполнимо), то ои не ухудшает существенно параметры стабилизатора.Нелинейный элемент (диод или стабилитрон) 11 обеспечивает необходимое напряжение на коллекторе транзистора 7.При этом, если вместо него использован, например резистор, то необходимаявеличина резистора 8 повышается, что может привести к ухудцднию выходныхпараметров стабилизатора.Рассмотрим как выполняется в стабилиза горе условие температурной стабиль.ности выходного напряжения. Если, например, температура окружающей среды увеличивается, то напряжении на перходебаза-эмиттер транзистора 6 и на диоде11 уменьшаются, что приводит к открыванию транзистора 5 и увеличению выходного напряжения. Температурный коэффициент(ТК) тька стабилизатора 10 регулируетсяс помощью резистора 12 и может бытьобеспечен близким к нулю, при этом стабильность выходного тока достаточна,чтобы не ухудшать параметры стабилизагора (при необходимости стабилизатор10 тока может быть выполнен из трехипи более транзисторов, однако в большинстве случаев этого не требуется. Приповышении температуры открывается также транзистор 7, ток коллектора его увеличивается, что приводит к уменьшению тска через резистор 12 и к закрыванию тран-зистора 6, т.е. к уменьшению выходногонапряжения (к взаимной компенсации температурной нестабильности параметровтранзистора 3 и диода 11.), Путем выбора соотношения. сопротивления резисторов9 и 12 можно обеспечить такой режимработы стабилизатора, при котором выходное напряжение остается неизменнымпри изменении температуры, При этомтемпературные иэменнния параметров транзистора 7 (коэффициент передачи, обратный ток коллектора) не изменяют условиятермокомпевсации, так как транзисйор хвачен глубокой отрицательной обратнойсвязью по току,Условие температурной компевсацни стабилизатора определяется следующим выражениемЫ 1 Ь 16 дв ю п Кили ЬО +60 +Ь К;1 Ц Ф 9 т где Ь 044 - ТК напряжение диода 11 ЬЦ 14 ЬО - ТК напряжения перехода ба 7эа-э митгер, соответственно транзисторов 6 и 7;Ь 4, - ТК тока стабилизатора 10тока,С помощью резистора 12 всегда можно обеспечить нулевой ТК стабилизатора 10 тока (Д 1 о=0) путем обеспечения работы полевых транзисторов в точке внутре6872;.условие тер- Вает :ц высокук стя(1 Ыс е:хсдгс токи и не ухудшает вхсол."ров устройства.Возможны следующие варианты во цения стабилизатора:1) источники 1 и 2 питания могутбыть соединены между собой разнопо -лярными полюсами, при этом их общая ней термокомпенсвции. Тогда м окомпенсации стабилизатора имеет вид ЪО в+6049 В то же время величина выходного напряжения стабилизатора определяется из условия что после преобразования дает где О 1 Х - выходное напряжение;- выходной ток стабилизатора10 тока;, - напряжение база-эмиттер транЭОзисторов 6 и 7.Еырвжения (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. Соотг 6И чтопрактически примерно вьуполняется, точка соединена с коллектором регулирую 1 Ощего транзистора;и 2) вместо диода 11 может быть исполь 1 йзоввн ствбилитрон или резистор19 3) число транзисторов неинвертирующего каскада может быть больше двух.Температурная стабильность предлагаемого стабилизатора по сравнению с из 0 -0 +Р 9 1эб вестным значительно повышается благоВЫХ эд 9 10 й12 даря обеспечению возможности регулировки ТК выходного напряжения и взаимнойтемпературной компенсации транзисторовУОС. При этом схема стабилизатора практически не усложняется, так как из -занего исключено запускающее устройство.Кроме того, стабилизаторможет бытьрассчитан на более низкое напряжение,так как в УОС могут быть примененыгерманиевые транзисторы (минимальнаявеличина выходного напряжения лимитируемая напряжением база-эмиттер гермаЗО ниевого транзистора, равна в этом случае 0,30,4 В). Между тем в известном стабилизаторе первый транзистор УОСдолжен быть кремниевым, так как в нижнемплече выходного делителя стоит германиношение 142 Ъ определяет также величи евый термокомпенсируюший диод, поэтомувеличина выходного напряжения в нем ну коэффициента передачи по напряжению не может быть мение 0,7,0,8 В. транзистора 7 при условии По сравнению со стабилизатором 140при одинаково высокой температурнойстабильности предлагаемый стабилизаторобеспечивает возможность плавной регулировки выходного напряжения без нару олу К -цс 1 Кс- шения термокомпенсации, Кроме того он Оырвжения (а) и (б) упрощенные и по может быть выполнен на более низкие лучены, в частности, при условии, что выходные напряжения, твк как не содер величина входного сопротивления транзис- жит порного стабилитрона, имеет более тора 6 намного больше сопротивления ре-, высокий КПД, так как в нем нет необходизистора 12, падение напряжении на резис- мости использовать регулирующий транзисторе 8 равно нулю, динамическое сопро- О 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 0,32 В, когда применение схем стаустройства. При подсоединении питания билизаторов с использованием опорных включение стабилизатора обеспечивается стабилитронов усложняет его устройство выходным током стабилизатора тока, при- и требует применения еше одного до - ,чем схема стабилизатора тока обеспечи- поивтельного источника питания с полкр868725 Подпис ВНИИПИ Заказ 8327/69 Тираж 94 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,1 постыл, противоположной полярности основного источника. фор мула изобретения 1. Низковольтный стабилизатор напряжения, содержащий основной и дополнигель ный источники питания, имеющие общую точку, регулирующий транзистор, включенный последовательно с нагрузкой, и усилитель обратной связи, состоящий из неинвертируюшего каскада, выполненного на транзисторах с последовательно чередующимся типом проводимости,эмиттер первого иэ которых подключен к общей шине стабилизатора, и инвертируюшего каскада, выполненного на транзисторе проводимость которого одинакова с проводимостью регулирующего транзистора, о т л и ч а ю - ш и й с я 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 выводудополнительного источника питания, третьезвено, образованное резистором, подключено к общей шине стабилизатора, при этомотвод от точки соединения второго итретьего звеньев подключен к базе первоготранзистора неинвертируюшего каскадаусилителя, отвод от точки соединенияпервого и второго звеньев - к коллектору1 о транзистора инвертируюшего каскада, база и эмиттер которого через соотетствую- шие резисторы соединены с клеммамидля подключения нагрузки.2. Стабилизатор по и. 1 о т л и ч а ющ и й с я тем, что второе звено введенного делителя образовано нелинейнымполупроводниковым элементом, напримердиодом,Источники информации,20принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР позаявке Ж 2713769 кл. 505 Г 1/6612.01.79.2. Авторское свидетельство СССР позаявке Ж 2821030, кл Й 05% 1/5603,01.79.