Стабилизатор напряжения
Полезная модель относится к электронной технике, а именно к стабилизаторам напряжения, где предъявляются повышенные требования к параметрам и функциональным возможностям. Изделие может быть использовано в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат достигается за счет того, что стабилизатор напряжения, содержащий вход для подключения входного напряжения, выход стабилизированного напряжения, вход-выход нулевого потенциала, отличается тем, что содержит вход подключения внешнего резистора к управлению блока выходного буферного усилителя для установки ограничения выходного тока стабилизатора, вход переключения в режиме ограничения энергопотребления для создания циклической работы стабилизатора, выход сигнала компаратора, отслеживающего разность входного и выходного напряжения, источник опорного напряжения, запитанный от выходного напряжения и соединенный с входом вышеназванного компаратора, подключенный к выходному стабилизированному напряжению источник опорного напряжения с выходами напряжений положительной и отрицательной полярности относительно нулевого потенциала с усилителем разности этих напряжений, выход которого подключен к управлению блока выходного буферного усилителя, блок начального включения стабилизатора, источник опорного напряжения, запитанный от входного напряжения и подключенный к управлению блока выходного буферного усилителя для обеспечения совместно с внешним резистором заданной неизменности значений тока ограничения стабилизатора в диапазоне выходных напряжений, устройство другого компаратора, переключающее через схемы управления с помощью ключей подложки транзисторов выходного буферного усилителя с входа стабилизатора к выходному напряжению при входном напряжении меньшем выходного напряжения стабилизатора, что позволяет нагрузке стабилизатора питаться за счет емкости выходного конденсатора, в виду отсутствия диода прямого направления от выхода стабилизатора ко входу, устройство защиты от превышения температуры, устройство защиты от превышения напряжения на выходе стабилизатора.
Полезная модель относится к электронной технике, а именно к стабилизаторам напряжения, где предъявляются повышенные требования к параметрам и функциональным возможностям. Изделие может быть использовано в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.
В электронике известно множество стабилизаторов напряжения, в частности патент РФ 
2313819 от 24.05.2006 МПК G05F 1/56, патент РФ 2023287 от 26.04.1991 МПК G05F 1/56, патент РФ 2028657 от 19.07.1989. МПК G05F 1/56. К недостаткам известных изобретений относится большое энергопотребление, малые функциональные возможности.
Известен также стабилизатор постоянного напряжения с защитой (патент РФ 2009537 от 17.06.1991 МПК G05F 1/573) содержащий последовательно включенные в силовую шину между входным и выходным выводами датчик тока и регулирующий транзистор, составной транзистор, эмиттером подключенный к базе регулирующего транзистора, и защитный транзистор, эмиттером подключенный к точке соединения эмиттера регулирующего транзистора и датчика тока, а коллектором - к базе составного транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения функциональной надежности путем повышения точности и стабильности порога срабатывания защиты по току, в него введены два резистивных делителя напряжения, компенсирующий резистор и дифференциальный усилитель, причем первый резистивный делитель напряжения включен между входным выводом и общей шиной, второй резистивный делитель напряжения - между точкой соединения эмиттеров регулирующего и защитного транзисторов с датчиком тока и коллектором составного транзистора, компенсирующий резистор включен между коллектором составного транзистора и общей шиной, входы дифференциального усилителя соединены с выходами резистивных делителей напряжения, а выход - с базой защитного транзистора, при этом номиналы компенсирующего резистора Rk и резистора Rт.д датчика тока связаны соотношением Rk=Rт.дK2 (1-K2), а порог напряжения срабатывания защиты по току Uпор=Rд.тIH выбран из условия Uпор=Uвх(1-K1/K2), где K1, K2 - коэффициенты передачи соответственно первого и второго резистивных делителей напряжения; IH - ток нагрузки; Uвх - входное напряжение.
Данный стабилизатор взят за прототип. К недостаткам прототипа относится недостаточные функциональные возможности, высокое энергопотребление, большое падение напряжения за счет последовательно включенных в силовую шину между входным и выходным выводами датчика тока и регулирующего транзистора.
Целью заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей, снижение энергопотребления, улучшение электрических параметров стабилизатора.
Технический результат достигается за счет того, что стабилизатор напряжения, содержащий вход для подключения входного напряжения, выход стабилизированного напряжения, вход-выход нулевого потенциала, отличается тем, что содержит вход подключения внешнего резистора к управлению блока выходного буферного усилителя для установки ограничения выходного тока стабилизатора, вход переключения в режиме ограничения энергопотребления для создания циклической работы стабилизатора, выход сигнала компаратора, отслеживающего разность входного и выходного напряжения, источник опорного напряжения, запитанный от выходного напряжения и соединенный с входом вышеназванного компаратора, подключенный к выходному стабилизированному напряжению источник опорного напряжения с выходами напряжений положительной и отрицательной полярности относительно нулевого потенциала с усилителем разности этих напряжений, выход которого подключен к управлению блока выходного буферного усилителя, блок начального включения стабилизатора, источник опорного напряжения, запитанный от входного напряжения и подключенный к управлению блока выходного буферного усилителя для обеспечения совместно с внешним резистором заданной неизменности значений тока ограничения стабилизатора в диапазоне выходных напряжений, устройство другого компаратора, переключающее через схемы управления с помощью ключей подложки транзисторов выходного буферного усилителя с входа стабилизатора к выходному напряжению при входном напряжении меньшем выходного напряжения стабилизатора, что позволяет нагрузке стабилизатора питаться за счет емкости выходного конденсатора, в виду отсутствия диода прямого направления от выхода стабилизатора ко входу, устройство защиты от превышения температуры, устройство защиты от превышения напряжения на выходе стабилизатора.
На фиг 1. стабилизатор напряжения, который содержит источник 1 опорного напряжения, блок 2 начального включения стабилизатора, блок 3 переключения в режиме ограничения энергопотребления для создания циклической работы стабилизатора, усилитель 4 разности напряжений, блок 5 опорного напряжения с выходами напряжений положительной и отрицательной полярности относительно нулевого потенциала, блок 6 выходного буферного усилителя, источник 7 опорного напряжения компаратора 8, схема 9 управления подложек транзисторов выходного буферного усилителя блока 6, блок 10 компаратора переключателя, внешний резистор 11, блок 12 температурной защиты, блок 13 защиты от перенапряжения на выходе.
Стабилизатор напряжения работает следующим образом. На вход стабилизатора напряжения подают входное напряжение Uвх. В момент начального включения выходное напряжение Uвых. равно нулю, соответственно, источник 5 опорного напряжения и усилитель 4 разности напряжений не работают, так как питание этих блоков осуществляется от выходного напряжение Uвых. Такая схемотехника применена для того, чтобы в дальнейшем, при появлении выходного напряжения Uвых. источник 5 опорного напряжения и усилитель 4 разности напряжений запитывались от уже стабилизированного напряжения, что значительно уменьшает влияние входного напряжения Uвх. на выходное напряжение Uвых. Для запуска стабилизатора напряжения входное напряжение Uвых. подается на источник 1 опорного напряжения, выходное напряжение которого (U1 ) открывает транзистор T1. Входное напряжение U вых. также поступает на блок 2 начального включения стабилизатора и транзистор Т2 открывается, а на выход стабилизатора напряжения через транзистор Т7 подается ток. Величина этого тока определяется током транзистора T1 умноженным на N, где N - количество транзисторов Т7, включенных параллельно (при условии равенства транзисторов T1 и Т7), а выход УПР2 блока 2 начального включения стабилизатора держит блок 5 опорного напряжения и усилитель 4 разности напряжений отключенными. Рост выходного напряжения U вых.. происходит до величины достаточной для работы блока 5 опорного напряжения, усилителя 4 разности напряжений и блока 6 выходного буферного усилителя, после чего транзистор Т 2 закрывается, а сигнал с выхода УПР2 блока 2 начального включения стабилизатора включает блок 5 опорного напряжения и усилитель
4 разности напряжений.
Блок 5 опорного напряжения имеет дополнительную электрическую цепь, состоящую из транзистора, диодов и резисторов для создания дополнительного вывода U2 отрицательной полярности. Таким образом, блок 5 опорного напряжения имеет два вывода: U 3 положительной полярности и U2 отрицательной полярности, а сумма этих напряжений U3+(Uвых. -U2)=Uвых. При появлении разности между напряжениями U3 и U2, усилитель 4 разности напряжений усиливает эту разность и подает на затвор транзистора Т3. Транзистор Т3 меняет свой ток стока (истока), который через токовое зеркало Т6, Т 7 подается усиленным в N раз (N транзисторов Т7 ) на выход стабилизатора напряжения. Таким образом, изменение напряжения Uвых. приводит к появлению разности напряжений U3 и U2, и как следствие к изменению тока проходного транзистора Т7 в противоположную сторону.
Стабилизатор напряжения не содержит делитель напряжения, который обычно подключается к входу усилителя 4 разности напряжений. Такая конструкция стабилизатора напряжения позволяет уменьшить ток потребления схемы и увеличить запас по фазе петли обратной связи.
Особенностью стабилизатора напряжения 1 является возможность установки мягкого ограничения выходного тока внешним резистором R11 в широких пределах. Этот резистор подключен к истоку транзистора T1. К затвору транзистора T1 подключен источник 1 опорного напряжения, то есть, практически транзистор T1 является генератором тока. Выходной ток ограничения определяется током стока транзистора T1 умноженным на N (количество транзисторов Т 7). Ограничение тока устанавливается при открытом транзисторе Т3 или Т2, что обеспечивает неизменность значений тока ограничения в диапазоне выходных напряжений от нуля до Uвых.max.
Стабилизатор напряжения содержит также компаратор 8 входного напряжения Uвх. , который отслеживает разность напряжений между Uвх. и Uвых. Для осуществления этой функции используется источник 7 опорного напряжения, подключенный непосредственно к выходному напряжению Uвых. и компаратор 8 с выходом СОМР. Выход СОМР позволяет контролировать падение напряжения Uвх. до уровня Uвых.+M Вольт (величина М устанавливается источником 7 опорного напряжения). Если входное напряжение Uвх. упадет ниже, чем напряжение U вых.+М Вольт, компаратор 8 выдает сигнал логического нуля для передачи информации о состоянии питания схемы.
При необходимости большей экономичности стабилизатор напряжения содержит блок 3 переключения в режиме ограничения энергопотребления для создания циклической работы стабилизатора. В этом режиме (SLEEP) все внутренние цепи стабилизатора оказываются отключенными, за исключением схемы контроля выходного напряжения Uвых. В этом случае ток потребления обеспечивается за счет заряда, накопленного в выходном конденсаторе. Выходное напряжение U вых. падает до момента отключения функции SLEEP или срабатывания схемы контроля выходного напряжения Uвых. После срабатывания этой схемы стабилизатор кратковременно включается и напряжение увеличивается. То есть схема не позволяет выходному напряжению Uвых. опускаться ниже определенного заданного уровня, что необходимо для создания циклической работы системы, когда контроль функции SLEEP осуществляется от схемы питаемой самим стабилизатором. Такой режим работы системы обеспечивает очень низкий ток потребления, вплоть до нескольких мкА и в случае батарейного питания, срок эксплуатации батарей значительно продлевается.
Принципиальной особенностью стабилизатора напряжения является отсутствия диода прямого направления (разряжающего) при напряжении Uвх. ниже Uвых. При входном напряжении меньшем выходного напряжения стабилизатора напряжения на входе нагрузка стабилизатора может питаться за счет емкости выходного конденсатора. Для осуществления этой функции используется схема 9 управления подложек транзисторов выходного буферного усилителя блока 6 и блок 10 компаратора-переключателя. Блок 10 компаратора-переключателя определяет, какое из напряжений U вх. или Uвых. больше, а схема 9 управления переключает подложки транзисторов Т6 и Т7 к большему из напряжений Uвх. или Uвых. с помощью ключей S1 или S2.
Стабилизатор напряжения снабжен также блоком 12 температурной защиты, подключенного к выходу блока 3 переключения в режиме ограничения энергопотребления и блоком 13 защиты от перенапряжения на выходе.
Таким образом, в отличие от предлагаемых схем в выше обозначенных патентах, данный линейный стабилизатор обладает следующими преимуществами:
1. Широкие функциональные возможности:
- дополнительный вход SLEEP ограничения энергопотребления схемы;
- дополнительный выход СОМР, компаратора входного напряжения;
- дополнительный вход, регулировки тока ограничения на выходе Uвых.
- возможность кратковременного сохранения напряжения Uвых. при входном напряжении меньшем выходного напряжения стабилизатора.
2. Улучшенные электрические параметры:
- высокий коэффициент стабилизации напряжения за счет питания внутренних блоков схемы стабилизатора от выхода стабилизатора;
- низкое падение напряжение между Uвх. и Uвых. за счет отсутствия резистора-датчика тока в этой цепи;
- отсутствие возбуждения и выбросов напряжения при достижении режима ограничения тока, за счет отсутствия петли обратной связи от датчика тока до регулирующей схемы стабилизатора;
- улучшенная фазовая характеристика стабилизатора, за счет отсутствия выходного делителя напряжения, который подключается к схеме усилителя 4 разности напряжений.
На основе разработанной схемы создана микросхема L500 для аппаратуры с батарейным или аккумуляторным питанием, датчиков охранно-пожарных, охранных и других систем, аппаратуры с однократным или периодическим режимом работы, аппаратуры широкого применения с параметрами:
фиксированное выходное напряжение 5 В;
входное напряжение до 40 В;
максимальный выходной ток 10 мА;
установка ограничения выходного тока внешним резистором в диапазоне 50 мкА - 10 мА;
малое прямое падение напряжения;
малый ток потребления;
наличие входа SLEEP;
наличие выхода СОМР компаратора напряжения питания;
защита по току, короткому замыканию, температуре, превышению напряжения на выходе;
отсутствие прямого диода при U вх.<Uвых.
Пример включения микросхемы показан на фиг.2, где GND - земля; CR - вывод подключения внешнего резистора для установки ограничения тока; SLEEP - вход для перевода стабилизатора в спящий режим; IN - вход стабилизатора; OUT - выход стабилизатора; СОМР - выход сигнала компаратора.
1. Стабилизатор напряжения, содержащий вход для подключения входного напряжения, выход стабилизированного напряжения, вход-выход нулевого потенциала, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрических параметров и расширения функциональных возможностей, содержит вход подключения внешнего резистора к управлению блока выходного буферного усилителя для установки ограничения выходного тока стабилизатора, вход переключения в режиме ограничения энергопотребления для создания циклической работы стабилизатора, выход сигнала компаратора, отслеживающего разность входного и выходного напряжения, источник опорного напряжения, запитанный от выходного напряжения и соединенный с входом вышеназванного компаратора, подключенный к выходному стабилизированному напряжению источник опорного напряжения с выходами напряжений положительной и отрицательной полярности относительно нулевого потенциала с усилителем разности этих напряжений, выход которого подключен к управлению блока выходного буферного усилителя, блок начального включения стабилизатора, источник опорного напряжения, запитанный от входного напряжения и подключенный к управлению блока выходного буферного усилителя для обеспечения совместно с внешним резистором заданной неизменности значений тока ограничения стабилизатора в диапазоне выходных напряжений, устройство другого компаратора, переключающее через схемы управления с помощью ключей подложки транзисторов выходного буферного усилителя с входа стабилизатора к выходному напряжению при входном напряжении, меньшем выходного напряжения стабилизатора, что позволяет нагрузке стабилизатора питаться за счет емкости выходного конденсатора в виду отсутствия диода прямого направления от выхода стабилизатора ко входу.
2. Стабилизатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что содержит устройство защиты от превышения температуры.
3. Стабилизатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что содержит устройство защиты от превышения напряжения на выходе стабилизатора.
