Стабилизатор напряжения постоянного тока

(19) (1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ к 3 Стабилизаторч а ю щ и й с я тезистор подключен исклемме силовой шинырезистору делителявенин,по и. 1, о т л и м, что третий тр током к выходной , а стоком - к выходного напрян УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ.(53) 621.316.722. 1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР й 763870, кл, С 05 Г 1/58, 1980.2. Узберг Н,П. Источник питания с бестрансформаторным входом, Сб. Полупроводниковая электроника в тех" нике связи, Под ред. И.ф. Николаевского, И., "Связь", вып ,19, 1978, с. 204-209, рис.(54)(57) 1. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий датчик тока, включенный в силовую шину по" следовательно с регулирующим элементом, подключенным выводом управляющей цепи к выходу схем управления, вхо.- ды которой соединены с выводом источ. ника опорного напряжения и выходом резистивного делителя выходного на" пряжения, входом подключенного к выходным клеммам, выходной фильтр и узел стабилизации напряжения по току нагрузки, о т л и ч а ю щ й й с я тем, что, с целью уменьшения нестабильности выходного напряжения при изменении тока нагрузки, а также повышения устойчивости стабилизатора и его КПД, в узел стабилизации по -току нагрузки введены две пары после,довательно включенных резисторов,первая из которых включена между общей шиной и стоком первого транзистора упомянутого узла стабилизациипо току нагрузки, а вторая - междувыходной клеммой силовой шины и стоком второго транзистора, исток которого соединен с общей шиной и однойиз обкладок конденсатора, а затвор.с другой обкладкой конденсатора иточкой соединения резисторов первойпары, при этом точка соединения ре"зисторов второй пары подключеназатвору третьего транзистора.2. Стабилизатор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что входнаяцепь узла стабилизации по току нагрузки состоит из соединенных последовательно диода и двух резисторов,параллельно одному из которых, несоединенному с диодом, подключеныконденсатор и затвор-исток первоготранзистора, при этом к выводу датчика тока и. входной клемме силовойшины подключен анод диода,а к другому выводу датчика тока, обкладкефильтрующего конденсатора и регулирующему элементу подключены обьединенные выводы резистора и конденсатора, а также исток первого транзистора,а1 103722изобретение относится к электротехнике и может быть использованов источниках вторичного электропитания устройств автоматики и вычислительной техники.5Известен стабилизированный истоц"ник питания, в котором элемент продольной ветви входного сглаживающегофильтра является одновременно датчиком этого блока защиты стабилизатора 1 Оот перегрузок по току и коротких за. мыканий, Параллельно датчику тока вблоке защиты подключена последовательная цепь диода, резистора и параЛлельно соединенные резисторы, конденсатора и цепи затвор-исток униполярного транзистора с изолированнымзатвором, причем катод диода упомя"нутой цепи подключен к выводу датчикатока, обьединенному с обкладкой фильт.2 ррующего конденсатора, и силовым вы- .водом регулирующего элемента, а.обьединенные исток униполярного транзис-тора, вывод резистора и обкладку па"раллельно подключенного с ним конден"сатора - к выводу датчика тока, обьединенному с входным Выводом стабилизатора 1 ,Недостаток известного устройствазаключается в том, что в них нестабильность выходного напряжения приизменении тока нагрузки существенно .больше нестабильности при изменениинапряжения питания.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является стаби 35лизатор постоянного тока с импульсным регулированием, содержащий входные и выходные клеммц силовой и общей шин, включенные последовательнов силовую шину полупроводниковый регулирующий элемент и дроссель сглаживающего:Ы-фильтра, схему управления длительностью включенного состояния регулирующего элемента, выходом подсоединенную.к управляющемувходу регулирующего элемента, а входами - к источнику опорного напряже"ния и резистивному делителю выходного напряжения, включенному параллель.но конденсатору упомянутого сглаживающего С-фильтра, резистивный датчик тока, включенный в общую шинумежду выходной клеммой и минусовойобкладкой конденсатора сглаживающе"го фильтра. Стабилизатор содержит 55также узел стабилизации напряженияпо току нагрузки, представляющийсобой усилительный каскад на биполяр,72ном транзисторе, выходная цепь которого содержащая цепь коллекторэмиттер биполярного транзистора и два последовательно соединенных резистора в его эмиттерной цепи, одним иэ которых является датчик тока, включена параллельно резистору, делителя выходного напряжения, соединенному с общей шиной, 8 рассматриваемом стабилизаторе резистивный датчик тока включен в силовую цепь выпрямленного и отфильтрованного тоКд 2.Последнее обстоятельство увеличивает энергопотребление и снижает КПД устройства. Уменьшение нестабильности выходного напряжения приизменении тока нагрузки в известномустройстве связано с увеличениемсопротивления резистивного датчика -тока, а, следовательно, с дополнительным снижением КПД, Кроме того, при включении датчика тока в общуюшину снижается устойчивоСть стабили-затора, что усложняет его настройку и приводит к сбоям. в работе.Целью чзобретения является умень" шение нестабильности выходного напря. жения при изменении тока нагрузки, а также повышение устойчивости стаби" лизатора и его КРД.Поставленная цель достигается тем, что в стабилизаторе напряжения постоянного тока, содержащем датчик тока, включенный в силовую шину последовательно с регулирующим элементом, подключенным выводом управляющей цепи к выходу схемы управления, входы ко" торой соединены свыводом источника опорного напряжения и выходом резис" тивного делителя выходного напряжения, входом подключенного к выходным клеммам, выходной фильтр и узел стабилизации напряжения по току нагрузки, в узел стабилизации по току нагрузки дополнительно введены две пары последовательно включенных резисторов, пер вая из которых включена между общей шиной и стоком первого транзистора упомянутого узла стабилизации по току нагрузки, а вторая - между выходной клеммой сЮловой шины и стоком второго транзистора,; исток которого соединен с общей шиной и одной из обкладок конденсатора, а затворс другой обкладной конденсатора и точкой соединения резисторов первой лары, при этом точка соединения резисторов второй пары подключена кЭ .1037227 4затвору третьего транзистора, кроме соединенного истоком с общей шиной, того, входная цепь узла стабилизации а стоком через вторуюпару последопо .току нагрузки содержит соединен-вательно соединенных резисторов 25 ные последовательнд диод и два ре- и 26 - с.выходной клеммой 3 силовой зистора, яараллельно одному из кото шины, при этом точка соединения рерых, не соединенному с диодом, под- зисторов 25 и 26 подключена к заключены конденсатор и затвор-исток твору униполярного транзистора 27, первого транзистора, при этом к вы- цепь сток-исток которого подсоедине" воду датчика тока и входной клемме на параллельно резистору 11 дели- силовой шины подключен анод диода, 10 теля 10, а исток соединен с выходной а к другому выводу датчика тока, клеммой 3 силовой шины. обкладке фильтрующего конденсатораи регулирующему элементу подключены Стабилизатор. при изменении тока объединенные выводы резистора и кон- нагрузки работает следующим образом. денсатора, а также исток первого 15 Так как в качесгве датчика 5 тока транзистора, третий транзистор под- используется элемент продольной ветви ключен истоком к выходной клемме си- (дроссель или резистор) входного сгла" ловой шины, а стоком - к резистору живающего фильтра, то через него проделителя выходного напряжения.текает пульсирующий ток, переменнаяНа чертеже приведена схема стаби О составляющая которого .при номинальлизатора напряжения постоянного тока, .ном токе нагрузки стабилизатора суСтабилизатор содержит входные 1, , щественно превышает постоянную со и выходные 3, 4 клеммы силовой и. ставляющую. Падение напряжения на общей шин, датчика 5 тока, включен- датчике 5, пропорциональное току наный между клеммой 1 и обкладкой фильт.15 грузки, также пульсирующее. рующего конденсатора 6 в силовую ши- Характерному для транзисторов с ну последовательно с регулируоцимуправляоцим р- и переходом режиму элементом 7, подсоединенным выводом обедйения канала свойственно протиуправляющей цепи к выходу схемы 8 уп" . вофазное изменение напряжения за" равления, к входам которой подключе- теор-иэток (Ч-О) и тока стока (Э ) ны вывод 9 источника опорного напря- следовательно, наибольшая величина жения, другим выводом подключенного тока стока транзистора 20 имеет меск общей шине,.и выход резистивного то в режиме холостого хода стабилиделителя 10 выходного напряжения, со- . затора и обусловливает наибольший стоящего из резисторов 11-13 (причем, ток стока транзисторов 24 и 27, макрезистор 12 может быть переменным) З 5 симальную мощность, потребляемую и входом соединенного с выходными узлом 15.клеммами 3 и 4 стабилизатора, выходной фильтр 14 и. узел 15 стабилизации Пусть в процессе эксплуатации напряжения;по току нагрузки, вклю-.стабилизатора ток егонагрузки изме- чающий в себя входную цепь из оеди- нился, например увеяичился (умень 40ненных последовательно диода 16, под . шился). При этом напряжение на выключенного анодом к клемме 1 силовой ходных.клеммах 3 и 4 уменьшается шины и выводу датчика 5 тока и ре- (увеличивается),. а также пропорцио" зисторов 17 и 18, параллельно послед- . нально току нагрузки увеличивается нему из которых годключены конденса- (уменьшается) падение напряжения на45тор 19 и цепь затвор-исток транзис- датчике 5 тока. Выпрямленное диодом тора 20, являющегося униполярным с16 и отфильтрованное интегрирующей управляющим р-и переходом, причем его цепью 17, 19 напряжение на резисисток, объединенный с выводами резис- .торе 18 увеличивается (уменьшается) тора 18 и конденсатора 19, подклю запирая (отпирая) уыиполярный транчен к другому выводу датчика 5, об"зистор 20. При этом коэффициент кладке конденсатора 6 и регулирующему фильтрации пульсации Квходной элементу 7, а сток - к общей шине че" цепью узла 15- (диод 16, резистор 17 рез первую пару последовательно сое- . и параллельно включенные резистор 18, диненных резисторов 2 1 и 22, парал конденсатор 19 и цепь затвор-исток лельно последнему из которых подклю- - транзистора 20), подсоединенной пачены конденсатор 23 и цепь затвор- раллельно датчику 5 тока, определяисток униполярного транзистора 24, ется выражениемВ 11 В 1 вВвх гоф 1 и 19 В 11 ф ВВфВВ 1 В- "пС 18 В (г)1 18где Ч =251- круговая частота пуль.сации напряжения питания стабилизатоРд 1В х 2 о - вхоДное сопРотивление транзистора 20.1Выражение (1) справедливо при вы. полнении условий, В 1 2 сс В (2) . где 2 - полное сопротивление датци 5ка 5 тока на частоте пульсации напряжения питания стабилизатора,в 2.5 вП 1 В11 СС ВХ 20 ф 18 выполнение условия 1 исключает влия ние шунтирующей датчик 5 цепи на коэффициент фильтрации входного сглаживающего фильтра стабилизатора.Уменьшившийся (увеличившийся) ток стока транзистора 20 обусловливает. запирание (отпирание) униполярных транзисторов с изолированным затвором 2 ч и 27. Вследствие запирания (отпи, рания) транзистора 27 увелицивается (уменьшается) результирующее сопротивление цепи между движком перемен-, ного резистора 12 делителя 10 и выходной клеммой 3 силовой шины, а как следствие, дополнительно уменьшае ется (увеличивается) напряжение на входе схемы 8 управления, обеспечивая независимо от способа регулирования (непрерывное или импульсное), компенсацию отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного значения при изменении тока нагрузки.В случае непрерывного регулирования выходной фильтр 1 ч емкостной, а" при импульсном регулировании напряжения в стабилизаторе понижающего типа 1.СО"фильтр.Дополнительно введенные в узел 15 цепи, одна из которых, содержащая па-. ру резисторов 2 и 22, "конденсатор 23 и цепь затвор-исток транзистора 21, включена между стоком транзистора 20 и общей шиной, а другая - содержащая пару резисторов 25 и 26 и цепь затвор-исток транзистора 27, - между стоком транзистора 21 и клеммой 3 силовой шины обеспечивают компенсацию отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного значения при изменении тока его нагрузки от максимального до минимальногозначения (или до нуля) и обратно скоэффициентом передачи, определяемым 5 выражениемОвх 8(5)15От Л,1 Вгде ЬО 8 В - изменение напряжениямежду инвертирующим входом схемы 8управления и общей шиной в диапазонеизменения тока нагрузки стабилизатора, необходимое для компенсации отклонения выходного напряжения;аО т 18- изменение максимального115 мгновенного знацения пульсирующегонапряжения на последовательно соеди. ненных резисторах 17 и 18 в диапазонеизменения тока нагрузки стабилизатора.Для О,п 11, 10 справедливо приближен ное выражениеОм.гу и = Згп 52 н В 5(6)где Эн - ток нагрузки стабилизатора;Э,5- размах переменной состав ляющей тока через датчик,525,Р - соответственно, реактивное и активное сопротивление датчика 5 тока. З 0При импульсной стабилизации напряжения и.индуктивном датчике 5 тока(25 О В ), например, в случае мощ-ного стабилизатора, соотношение дляопределения Оп 1 18 запишетсяп 5 вхся пиь1 Т(1 " 1 (т)540 Лгде Ч==- частота пульсации тока,П Тпотребляемого стабилизатором;Т - период переключения регулирующего элемента 7;45 , 1. - индуктивность датчика5 тока;7 - коэффициент заполненияс учетом динамики переклюцения. эле"ментов стабилизатора (регулирующего 50 элемента 7 в диода выходного фильтРа14 и усилителя схемы 8 управления;г 6 - импульсная составляошаясопротивления потерь конденсатора 6;38 ср - средний входной ток по требляемйй стабилизатором Э О гч н вьх вх ср ,"ГИГ Ьср1037227 1Ьк 2,З) Й 22Ч С (19)и 2 Э 40 где Йвх 2+- .сопРотивление затвор-исток униполярного транзистора 21.Необходимая величина коэффициентафильтрации определяется из соотношения 9Эс 2 Ь пас 24. г 1 - максимальныезначение тока стока транзисторов 20и 2 ч, соответствующее холостому ходустабилизатора;О р 6,;и - минимальное значение постоянной составляющей напряжения на конденсаторе 6 при холостом ходе (минимальном токе нагрузки) стабилизатора;О вь,х - выходное напряже- Оние стабилизатора,Так как для униполярных транзисторов. характерно уменьшение крутизнысток-затворной характеристики с увеличением температуры, то выбором сопротивлений резисторов 22 и 26, атакже границ изменения тока. стокатранзисторов 20 и 24 в диапазоне.из.менения тока нагрузки стабилизатораснижается температурная нестабильность выходного напряжения, обусловленной температурной нестабильностьюь 0111 В а, следовательно, ЬО 5-иСледует отметить, что потребляемая узлом 15 мощность уменьшается с 25увеличением тока нагрузки стабилизатора, т.е, уменьшение нестабильностивыходного напряжения при изменениитока нагрузки осуществляется в стабилизаторе при повышении его КПД с ЗОувеличением номинального тока нагрузки,Подключение входной цепи узла 15анодомдиода 16 к выводу датчика 5,соединенному с входной клеммой 1 а35объединенными выводами резистора 18и конденсатора 19 и истоком. транзистора 20 - к объединенным другомувыводу датчика 5, обкладке конденсатора 6 и регулирующему элементу 7обусловливает уменьшение в Кф вх разпульсаций тока, протекающего по последовательной цепи, содержащейцепь сток-исток .транзистора 20, ивключенную между стоком последнего иобщей шиной дополнительно введеннуюпервую пару последовательно соединенных Резисторов 21 и 22, по сравнению с пульсациями тока в известныхслучаях подключения истока первогоуниполярного транзистора к входной50клемме 1 стабилизатора и соединенному с,ней выводу датчика тока, аанода диода входной цепи - к другомувыводу датчика тока. При этом такжеуменьшается в К вх раэ пульсации напряжения на резисторе 22, а, следовательно, пульсации тока стока транзисторов 21 и 27 и обусловленные ияли,дополнительные пульсации напряженияна соответствующем входе схемы 8 управления,Пульсации тока стока 3 р поддействием переменной составляющейнапряжения на конденсаторе 6 практически полностью компенсируются противофазными пульсациями этого тока,обусловленными переменной составляюЩей напрЯжениЯ ОЭ-О 2 р независимо отналичия конденсатора 23. Роль последнего сводится к фильтрации либовнешних, например сетевых, либо коммутационных (при импульсном регулировании) высокочастотных импульсныхпомех и исключению их отрицательноговлияния через узел 15 на амплитудупульсаций выходного напряжения, синхронных с упомянутыми помехами, Необходимая для компенсации пульсацийЪЭср амплитуда переменной составляющей О -о 2 р определяется приближен"ным выражением и- Ц-ц;= ф . у (19)го( с "за 21 и) где 06 - амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе 6;Й -02 р - сопротивление цепи сток исток транзистора 20 при напряжении на затворе ОЭ-щ (постоянная составляющая напряжения на конденсаторе 19)Выражение (18) справедливо при выгюлнении усгювия К --- .ХЪ - . 2 Пф = Оз-,20где1,Я - коэффициент пульсации одногюлупериодного однофазного выпрямителя по первой гармонике;О - ( - постоянная составляющая напряжения О Эр , пропорциональная току нагрузки.Значение сопротивлений резисторов 17, 18 и емкости конденсатора 19 определяются по формуле (1) с учетом (2), (3) и (8) при выбранном значении ДОэ-р и известных частоте пульсаций, величине дО;гт 16 и коэффициенСоставитель Г. ИачаварианиРедактор Г, Волкова. Техред.Т.Фанта Корректор И. Ватр Заказ 6009/ Тираж 874 Подписно ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, 3-35, Раушская наб , д..рОА в УУ 11 1037227 12те КФ, необходимая величина которого,в узел 15 дополнительных пар резисвычисляется по формуле (20). торов 21, 22 и 25, 26 и транзистораОтсутствие датчика-. тока в цепи 24, а также благодаря подключению общей шины, как это имеет место в из- . соответствующих выводов входной цевестном устройстве обеспечивает ус-пи узла 15 к соответствующим выводам тойчивость предлагаемого стабилизато- датчика 5 тока, повышается КПД стабира без применения дополнительных кор- лизатора, Кроме того, вследствие повыректируоцих цепей и элементов, а шения устойчивости стабилизатора упроуменьшение нестабильности выходного щается .его .настройка, а следователь- напряжения при изменении тока нагруз но, удешевляется стоимость этой опеки осуществляется, благодаря введению: , рации.