Транзисторный усилитель с ограничением тока

Полезная модель относится к области транзисторной схемотехники и может быть использована во вторичных источниках электропитания, преимущественно в стабилизаторах напряжения с ограничением тока.

Предложен транзисторный усилитель с ограничением тока, содержащий силовой биполярный транзистор и управляющий биполярный транзистор одинакового типа проводимости, при этом база управляющего биполярного транзистора связана с эмиттером силового биполярного транзистора, а коллектор управляющего биполярного транзистора связан с базой силового биполярного транзистора, а между базой и эмиттером управляющего биполярного транзистора включен датчик тока, причем в качестве датчика тока используется биполярный транзистор этого же типа проводимости в режиме насыщения, коллектор которого связан с эмиттером силового биполярного транзистора, эмиттер которого, связан с эмиттером управляющего транзистора, база которого связана через резистор с базой силового биполярного транзистора.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат: увеличение крутизны ограничения тока и повышение надежности транзисторного усилителя с ограничением тока за счет снижения в нем мощности тепловыделения из-за уменьшения максимального выходного тока. 3 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к области транзисторной схемотехники и может быть использована во вторичных источниках электропитания, преимущественно в стабилизаторах напряжения с ограничением тока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен аналог «Транзисторный коммутатор» (заявка РФ 96115852/09 от 08.08.1996, дата публикации 10.11.1998, МПК 6 Н02Н 3/08, H03K 17/08), содержащий силовой транзистор и управляющий транзистор одинакового типа проводимости, при этом эмиттер силового транзистора через датчик тока связан с эмиттером управляющего транзистора, а коллектор управляющего транзистора связан с базой силового транзистора.

Недостатками данного аналога являются малая крутизна ограничения тока и низкая надежность из-за использования резистора в качестве датчика тока.

Наиболее близким по техническому решению аналогом, принятому за прототип, является «Стабилизатор постоянного напряжения с комбинированной защитой» (заявка 93026220/09 от 07.05.1993, МПК 6 G05F 1/569), содержащий силовой транзистор и управляющий транзистор одинакового типа проводимости, при этом эмиттер силового транзистора через датчик тока связан с эмиттером управляющего транзистора, а коллектор управляющего транзистора связан с базой силового транзистора, а база управляющего транзистора связана с эмиттером силового транзистора.

Недостатками прототипа являются малая крутизна ограничения тока и низкая надежность из-за использования резистора в качестве датчика тока.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Задачами полезной модели являются: увеличение крутизны ограничения тока, т.е. уменьшение диапазона тока, в котором происходит его ограничение, и повышение надежности транзисторного усилителя с ограничением тока за счет уменьшения в нем мощности тепловыделения благодаря уменьшению максимального выходного тока.

Для решения данных задач предложен транзисторный усилитель с ограничением тока, содержащий силовой биполярный транзистор и управляющий биполярный транзистор одинакового типа проводимости, при этом база управляющего биполярного транзистора связана с эмиттером силового биполярного транзистора, а коллектор управляющего биполярного транзистора связан с базой силового биполярного транзистора, а между базой и эмиттером управляющего биполярного транзистора включен датчик тока, причем в качестве датчика тока используется биполярный транзистор этого же типа проводимости в режиме насыщения, коллектор которого связан с эмиттером силового биполярного транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером управляющего транзистора, база которого связана через резистор с базой силового биполярного транзистора.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат: увеличение крутизны ограничения тока и повышение надежности транзисторного усилителя с ограничением тока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность полезной модели поясняется схемой транзисторного усилителя с ограничением тока (фиг.1) и графиками вольт-амперных характеристик (фиг.2 и фиг.3).

На фиг.1 представлен транзисторный усилитель с ограничением тока, у которого обозначено: 1 - вход транзисторного усилителя с ограничением тока, 2 - выход транзисторного усилителя с ограничением тока, 3 - вход управления транзисторного усилителя с ограничением тока. Транзисторный усилитель с ограничением тока, содержит силовой биполярный транзистор VT1 и управляющий биполярный транзистор VT2 одинакового типа проводимости, база управляющего биполярного транзистора связана с эмиттером силового биполярного транзистора VT1, а коллектор управляющего биполярного транзистора VT2 связан с базой силового биполярного транзистора VT1, а между базой и эмиттером управляющего биполярного транзистора VT2 включен датчик тока, в качестве датчика тока используется биполярный транзистор VT3 того же типа проводимости в режиме насыщения, коллектор которого связан с эмиттером силового биполярного транзистора VT1, эмиттер которого связан с эмиттером управляющего транзистора VT2, база которого связана через резистор R1 с базой силового биполярного транзистора VT1.

На фиг.2 приведены вольт-амперные характеристики: датчика тока, в качестве которого используется резистор (график 1) и датчика тока, в качестве которого используется биполярный транзистор (график 2); I_вых - выходной ток транзисторного усилителя с ограничением тока, проходящий через датчик тока, Uб-э VT2 - падение напряжения на датчике тока, Uб-э 1 - падение напряжения на датчике тока, соответствующее току ограничения транзисторного усилителя - I_огр, Uб-э 2 - падение напряжения на датчике тока, соответствующее максимальному току транзисторного усилителя (I_{макc 1} - максимальный выходной ток транзисторного усилителя с транзистором в качестве датчика тока и I_{макc 2} - максимальный выходной ток транзисторного усилителя с резистором в качестве датчика тока).

На фиг.3 приведены выходные вольт-амперные характеристики транзисторного усилителя с ограничением тока при использовании его в линейном стабилизаторе напряжения с напряжением стабилизации U₁ и ограничением выходного тока величиной - I_огр: с резистором в качестве датчика тока (график 1), имеющего максимальный ток - I_{макс 1} и с транзистором в качестве датчика тока (график 2), имеющего максимальный ток - I_{макc 2} .

Список позиционных обозначений:

На Фиг.1:

1 - вход транзисторного усилителя с ограничением тока;

2 - выход транзисторного усилителя с ограничением тока;

3 - вход управления транзисторного усилителя с ограничением тока.

На Фиг.2:

1 - график вольт-амперной характеристики датчика тока, в качестве которого используется резистор;

2 - график вольт-амперной характеристики датчика тока, в качестве которого используется биполярный транзистор.

На Фиг.3:

1 - график выходных вольт-амперных характеристик транзисторного усилителя с ограничением тока при использовании его в линейном стабилизаторе напряжения с напряжением стабилизации U₁ и ограничением выходного тока величиной - I_огр с резистором в качестве датчика тока, имеющего максимальный ток - I_{макc 1};

2 - график выходных вольт-амперных характеристик транзисторного усилителя с ограничением тока при использовании его в линейном стабилизаторе напряжения с напряжением стабилизации U₁ и ограничением выходного тока величиной - I_огр с транзистором в качестве датчика тока, имеющего максимальный ток - I_{макс 2}

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Устройство работает следующим образом: при наличии тока на входе управления (вывод 3 на фиг.1) транзисторного усилителя с ограничением тока, входной ток транзисторного усилителя с ограничением тока от внешнего источника напряжения, текущий через вход 1 (фиг.1), он же ток коллектора силового биполярного транзистора VT1, проходит через датчик тока в качестве которого используется биполярный транзистор VT3 в режиме насыщения. С выхода 2 (фиг.1) выходной ток транзисторного усилителя с ограничением тока течет во внешнюю нагрузку. Падение напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора VT3 от протекающего через него тока коллектора представлено на фиг.2 (график 2). При токах коллектора биполярного транзистора VT3 меньших порогового значения тока ограничения усилителя, биполярный транзистор VT3 насыщен и падение напряжения коллектор-эмиттер на нем меньше порогового напряжения отпирания управляющего биполярного транзистора VT2 и поэтому управляющий биполярный транзистор VT2 заперт. При уменьшении сопротивления внешней нагрузки увеличивается выходной ток транзисторного усилителя с ограничением тока, он же ток коллектора биполярного транзистора VT3, до порогового значения тока ограничения усилителя, равного произведению величины тока базы транзистора VT3 на коэффициент его усиления по току, биполярный транзистор VT3 выходит из режима насыщения, при этом падение напряжения коллектор-эмиттер на нем резко возрастает и превышает пороговое напряжение отпирания управляющего биполярного транзистора VT2 (график 2 на фиг.2). При превышении этим напряжением порогового напряжения отпирания биполярного транзистора VT2 последний начинает отпираться при напряжении U_{б-э 1}, примерно 0,5 В, и заканчивает отпираться при напряжении U_{б-э 2}, примерно 0,7 В, («Полупроводниковая схемотехника» У.Титце, К.Шенк, Москва, «Мир», 1982, стр.27) и шунтирует ток базы силового биполярного транзистора VT1, что приводит к увеличению падения напряжения коллектор-эмиттер на силовом биполярном транзисторе VT1 и ограничению выходного тока транзисторного усилителя. Величина сопротивления резистора R1 определяется как:

R1=(U_бэ1+U _кэ3нас-U_бэ3)/I_б3

где: U_бэ1 - напряжение база-эмиттер силового транзистора VT1;

U_кэ3наc - напряжение коллектор-эмиттер биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения;

U_бэ3 - напряжение база-эмиттер биполярного транзистора VT3;

I_б3 - ток базы биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения. Ток базы транзистора VT3 в режиме насыщения:

I_б3=I_к3/К

где: I_к3 - ток коллектора биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения, он же выходной ток транзисторного усилителя;

К - коэффициент усиления по току биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения.

За счет того, что вольт-амперная характеристика датчика тока, в качестве которого используется биполярный транзистор, приведенная на фиг.2 (график 2), пересекает пороговое напряжение U_{б-э 1} управляющего транзистора под большим углом, чем вольт-амперная характеристика датчика тока, в качестве которого используется резистор, график 2 на фиг.2, а пороговое напряжение U_б-э VT2 управляющего транзистора VT2 имеет некоторый диапазон от U_{б-э 1} до U_{б-э 2} примерно (от 0,5 до 0,7 В), в котором управляющий биполярный транзистор переходит из закрытого состояния в открытое («Полупроводниковая схемотехника» У.Титце, К.Шенк, Москва, «Мир», 1982 г., стр.27), уменьшается максимальный ток, повышается крутизна ограничения тока, а за счет уменьшения тепловой мощности, выделяемой в транзисторном усилителе с ограничением тока, повышается надежность транзисторного усилителя с ограничением тока.

Крутизна ограничения тока усилителя определяется как отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока и, следовательно, транзисторный усилитель с транзистором в качестве датчика тока (фиг.3, график 2), имеющий I_{макc 1} будет иметь большую крутизну ограничения тока, чем с резистором в качестве датчика тока (фиг.3, график 1), имеющий I_{макс 2} больший, чем I_{макс 1}.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить крутизну ограничения тока и надежность транзисторного усилителя с ограничением тока.

Транзисторный усилитель с ограничением тока, содержащий силовой биполярный транзистор и управляющий биполярный транзистор того же типа проводимости, база которого связана с эмиттером силового биполярного транзистора, а коллектор управляющего биполярного транзистора связан с базой силового биполярного транзистора, а между базой и эмиттером управляющего биполярного транзистора включен датчик тока, отличающийся тем, что в качестве датчика тока используется биполярный транзистор того же типа проводимости в режиме насыщения, коллектор которого связан с эмиттером силового биполярного транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером управляющего транзистора, база которого связана через резистор с базой силового биполярного транзистора, а величина сопротивления резистора R1 определяется как:

R1=(U_бэ1+U _кэ3нас-U_бэ3)/I_б3,

где U _бэ1 - напряжение база-эмиттер силового транзистора VT1;

U_кэ3нас - напряжение коллектор-эмиттер биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения;

U_бэ3 - напряжение база-эмиттер биполярного транзистора VT3;

I_б3 - ток базы биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения определяется как:

I_б3=I_к3/К,

где I_к3 - ток коллектора биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения, он же выходной ток транзисторного усилителя;

К - коэффициент усиления по току биполярного транзистора VT3 в режиме насыщения.