ПОНИЖАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР

ПОНИЖАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР


RU (11) 2339072 (13) C1

(51) МПК
G05F 1/565 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2007133225/09 
(22) Дата подачи заявки: 2007.09.04 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2007.09.04 
(45) Опубликовано: 2008.11.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1709283 A1, 30.01.1992. SU 1764043 A1, 23.09.1992. JP 7281772 A, 27.10.1995. 
(72) Автор(ы): Гутников Анатолий Иванович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU); Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU) 
Адрес для переписки: 607188, Нижегородская обл., г. Саров, пр. Мира, 37, ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", начальнику ОПИНТИ 

(54) ПОНИЖАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР

Понижающий стабилизатор относится к области электрорадиотехники и может быть использован в качестве блоков питания. Исток р-канального проходного транзистора (1) с изолированным затвором подключен к входной шине (2), а сток подключен к входу сглаживающего фильтра (3). Выход сглаживающего фильтра (3) подключен к выходной шине (4) и первому выводу первого резистора (5). Второй вывод первого резистора (5) подключен через второй резистор (6) к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения (7). Инвертирующий вход дифференциального компаратора напряжения (7) подключен к источнику (8) опорного напряжения. Первый вывод конденсатора (15) подключен к выходу сглаживающего фильтра (3), а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения (7). Выход дифференциального компаратора напряжения (7) соединен с первым выводом третьего резистора (9), анодом диода (13) и через четвертый резистор (10) с входной шиной (2). Катод стабилитрона (11) подключен к входной шине (2), а анод соединен со вторым выводом третьего резистора (9) и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов (12) (где n=2), анод последнего диода из которой соединен с затвором р-канального проходного транзистора (1) с изолированным затвором, катодом диода (13) и через параллельную RC-цепь (12) с входной шиной (2). Сглаживающий фильтр (3) выполнен в виде LCD-фильтра. За счет вновь введенных цепей со сторон входной и выходной шин ограниченным и термозависимым управляющим напряжением на затворе р-канального проходного транзистора обеспечивается технический результат - ограничивается и термостабилизируется величина тока, что обеспечивает защиту от пусковых токов и стабилизацию токов короткого замыкания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве блока питания.

Известен понижающий стабилизатор (см. патент RU 2282233 C1, кл. G05F 1/567, 31.01.2005, опубл. 20.08.2006, БИ № 23 «Импульсный стабилизатор» авт. Гутников А.И., Лебедев А.В.), содержащий последовательный регулирующий транзистор, эмиттер которого соединен через первый резистор с положительной входной клеммой и эмиттером транзистора защиты, коллектор подключен к положительной выходной клемме через LCD-фильтр, выход которого соединен с выходными клеммами стабилизатора, база регулирующего транзистора подключена к одному из выводов второго резистора и коллектору транзистора защиты, тип проводимости которого соответствует типу проводимости регулирующего транзистора, и блок управления, вход питания которого соединен с входной и выходной отрицательными клеммами, дополнительный транзистор, выполненный в виде составного транзистора, тип проводимости которого противоположен типу проводимости регулирующего транзистора, германиевый диод или диод Шоттки, третий, четвертый, пятый резисторы и резистор обратной связи. Блок управления снабжен управляющим входом и его выход выполнен инверсным, подключенным к базе дополнительного транзистора и через третий резистор - к эмиттеру транзистора защиты, база которого подключена к катоду германиевого диода или диода Шоттки, анод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, а через четвертый резистор - к эмиттеру дополнительного транзистора и входу питания блока управления, управляющий вход которого через пятый резистор соединен с коллектором дополнительного транзистора и другим выводом второго резистора и через резистор обратной связи - с положительной выходной клеммой, при этом регулирующий транзистор является транзистором р-n-р типа.

Недостатками понижающего стабилизатора являются:

- большие токи базы регулирующего и защитного биполярных транзисторов, уменьшающие к.п.д.;

- большое проходное напряжение из-за потерь напряжения на первом резисторе, подключенном к цепи эмиттеров регулирующего и защитного транзисторов;

- ограниченные функциональные возможности (конструктивно не унифицирован), обусловленные структурой устройства управления, подключением цепи обратной связи к пятому резистору задания гистерезиса и использованием сглаживающего фильтра LCD-типа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является понижающий стабилизатор (см. журнал «Электронные компоненты», 2005, № 9, статья «Линейные стабилизаторы» стр.124, рис.4 и п.п.1, 2), содержащий дифференциальный операционный усилитель (ОУ), инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а неинвертирующий вход подключен к точке объединения первых выводов первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора подключен к выходу сглаживающего фильтра С-типа, подключенного к выходной шине, второй вывод второго резистора подключен к общей шине, выход дифференциального ОУ подключен к затвору р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток - к входу сглаживающего фильтра С-типа.

Недостатками понижающего стабилизатора являются:

- отсутствие защиты р-канального проходного транзистора от пусковых токов и токов короткого замыкания на выходе, обусловленное неограниченным током стока транзистора из-за неограниченного роста, отсутствия ограничения и термокомпенсации управляющего напряжения на затворе р-канального проходного транзистора при изменении напряжений на входной шине. Известная защита от короткого замыкания проходного биполярного р-n-р-транзистора непригодна для защиты р-канального проходного транзистора с изолированным затвором и не обеспечивает унификации конструкции;

- повреждение большими пусковыми токами и токами короткого замыкания аккумулятора, подключенного к входной шине, и танталового конденсатора сглаживающего фильтра С-типа;

- не обеспечена унификация конструкции, т.к. понижающий стабилизатор обеспечивает только функцию линейного стабилизатора.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении защиты от пусковых токов, токов короткого замыкания на выходе и унификации конструкции понижающего стабилизатора.

Для достижения данного технического результата в понижающем стабилизаторе, содержащем р-канальный проходной транзистор с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток - подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого подключен к выходной шине и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен через второй резистор к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, новым является то, что дополнительно введены третий и четвертый резисторы, стабилитрон, цепь n последовательно соединенных диодов, диод, параллельная RC-цепь, конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего резистора, анодом диода и через четвертый резистор с входной шиной, к которой подключен катод стабилитрона, анод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода цепи соединен с затвором р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, катодом диода и через параллельную RC-цепь с входной шиной.

Для расширения динамического диапазона и повышения к.п.д. сглаживающий фильтр выполнен в виде LCD-фильтра. При этом образуется импульсный стабилизатор с минимальным проходным напряжением, широким динамическим диапазоном входных напряжений и допустимыми пульсациями выходного напряжения.

Для уменьшения уровня пульсаций на выходной шине сглаживающий фильтр выполнен в виде CLC-фильтра или С-фильтра. При этом образуется линейный стабилизатор с минимальными проходным напряжением и пульсациями напряжения.

Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить защиту от пусковых токов, токов короткого замыкания и унифицировать конструкцию понижающего стабилизатора.

Защита от пусковых токов и стабилизация тока короткого замыкания понижающего стабилизатора обеспечиваются путем ограничения и температурной стабилизации величины его тока ограниченным и термозависимым управляющим напряжением на затворе р-канального проходного транзистора с изолированным затвором вновь введенными цепями со сторон входной и выходной шин. При такой защите обеспечена унификация конструкции, которая достигается заменой одного из трех элементов сглаживающего фильтра, что преобразует импульсный понижающий стабилизатор в линейный и наоборот.

На фиг.1 и 2 приведена структурная схема понижающего стабилизатора с двумя видами сглаживающего фильтра: LCD и CLC типа соответственно. На фиг.3 приведены временные диаграммы его работы.

Предлагаемый понижающий стабилизатор (фиг.1) содержит р-канальный проходной транзистор 1 с изолированным затвором, входную шину 2, сглаживающий фильтр 3, выходную шину 4, первый резистор 5, второй резистор 6, дифференциальный компаратор напряжения 7, источник 8 опорного напряжения, третий резистор 9, четвертый резистор 10, стабилитрон 11, цепь 12 n последовательно соединенных диодов (где n=2), диод 13, параллельную RC-цепь 14, конденсатор 15.

Исток р-канального проходного транзистора 1 с изолированным затвором подключен к входной шине 2, а сток подключен к входу сглаживающего фильтра 3, выход которого подключен к выходной шине 4 и первому выводу первого резистора 5. Второй вывод первого резистора 5 подключен через второй резистор 6 к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения 7, инвертирующий вход которого подключен к источнику 8 опорного напряжения. Первый вывод конденсатора 15 подключен к выходу сглаживающего фильтра 3, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения 7. Выход дифференциального компаратора напряжения 7 соединен с первым выводом третьего резистора 9, анодом диода 13 и через четвертый резистор 10 с входной шиной 2. Катод стабилитрона 11 подключен к входной шине 2, а анод соединен со вторым выводом третьего резистора 9 и катодом первого диода из цепи 12 n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода из которой соединен с затвором р-канального проходного транзистора 1 с изолированным затвором, катодом диода 13 и через параллельную RC-цепь 12 с входной шиной 2. Сглаживающий фильтр 3 (фиг.1) выполнен в виде LCD-фильтра. Сглаживающий фильтр 3 (фиг.2) выполнен в виде CLC-фильтра.

Понижающий стабилизатор напряжения с LCD-фильтром 3 работает следующим образом.

На фиг.3,а представлена временная диаграмма L4 напряжения на выходе 4 понижающего стабилизатора при нормальной нагрузке, на фиг.1, фиг.2 не показанной, и воздействии температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 50°С, для различных входных напряжений, на фиг.3,а не показанных. В начале диаграммы фиг.3,а виден переходной процесс различной протяженности для воздействующих температур, затем напряжение на выходе U 4 достигает стабилизированного значения, не зависящего от величины входного напряжения и сопротивления нагрузки с точностью, определяемой в основном коэффициентами усиления дифференциального компаратора 7 и р-канального проходного транзистора 1, а также стабильностью источника 8 опорного напряжения.

На фиг.3,б представлена временная диаграмма I4 тока короткого замыкания на выходе понижающего стабилизатора при нагрузке 1 Ом и воздействии температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 50°С. Вначале временной диаграммы (фиг.3,б) виден участок переходного процесса различной величины пускового тока, определяемого RC-цепью 14, диодами 12, резистором 9 и конденсатором 15. Затем ток короткого замыкания практически стабилен и не зависит от температуры окружающей среды, необходимая величина стационарного тока короткого замыкания определяется выбором порогового напряжения стабилитрона 11 и количеством термокомпенсирующих диодов 12.

Особенностью понижающего стабилизатора с LCD-фильтром является работа с высоким к.п.д. в диапазоне входных напряжений (5,2-36) В на нагрузках (50-20000) Ом при встроенной защите от короткого замыкания. Понижающий стабилизатор работоспособен при воздействии температур от минус 40 до плюс 50°С.

Стабилизация выходного напряжения на нагрузке обеспечивается путем сравнения величины опорного напряжения источника 8 на инвертирующем входе дифференциального компаратора напряжения 7 и выходного напряжения резистивного делителя на резисторах 5, 6 на его неинвертирующем входе.

В зависимости от результатов сравнения выход дифференциального компаратора напряжения 7 через цепи защиты от короткого замыкания открывает или закрывает р-канальный проходной транзистор 1, обеспечивая астатическое регулирование. В течение примерно полупериода р-канальный транзистор 1 открыт, благодаря чему емкость и индуктивность LCD-фильтра 3 заряжаются от напряжения на входной шине 2. В течение следующего полупериода р-канальный транзистор 1 закрыт, благодаря чему емкость и индуктивность LCD-фильтра 3 разряжаются через собственный диод LCD-фильтра 3. В момент пуска (подача на входную шину 2 входного напряжения) р-канальный проходной транзистор 1 пытается резко открыться, чему препятствует подача короткого импульса спадающего напряжения экспоненциальной формы через конденсатор 15 первой дифференцирующей цепи С 15, R6 на запирающий неинвертирующий вход дифференциального компаратора напряжения 7. Это несколько уменьшает скорость нарастания отпирающего напряжения на затворе и величину пускового тока. Вторая дифференцирующая цепь, существенно уменьшающая скорость нарастания отпирающего напряжения на затворе и величину пускового тока, образована диодно-резистивно-конденсаторной цепью (элементы 11-14, 9) на затворе проходного транзистора 1 и действует в основном в режиме пуска, т.к. в стационарном режиме конденсатор RC-цепи 14 полностью заряжен. Кроме того, в режиме короткого замыкания вступает в действие вторая токостабилизирующая, термокомпенсирующая определенный ток стока цепь путем ограничения (вне зависимости от величины напряжения на входной шине 2) и термокомпенсации тока стока изменением управляющего напряжения на затворе р-канального проходного транзистора 1, которое равно разности напряжений на стабилитроне 11 и цепи из n последовательно соединенных диодов 12 Шоттки. При напряжении на затворе, большем порогового напряжения, температурные коэффициенты крутизны и тока стока р-канального проходного транзистора 1 отрицательны, температурный коэффициент напряжения стабилитрона 11 мал или положителен, но температурный коэффициент напряжения компенсирующих диодов 12 Шоттки отрицателен, что и необходимо для изменения управляющего напряжения на затворе и, следовательно, термокомпенсации и стабилизации тока стока р-канального проходного транзистора 1 и понижающего стабилизатора в целом. Количеством диодов 12 Шоттки подбирается как величина исходного напряжения на затворе, так и знак температурного коэффициента напряжения суммарного итогового управляющего напряжения на затворе. Резистор 10 на выходе дифференциального компаратора напряжения 7 необходим для повышения выходного напряжения запертого дифференциального компаратора напряжения 7 до уровня напряжения на входной шине 2, что исключает неуправляемые отпирания р-канального полевого транзистора 1 с изолированным затвором выходным втекающим током дифференциального компаратора напряжения 7.

Работа понижающего стабилизатора со сглаживающим фильтром 3 типа CLC (фиг.2) или С (на фиг. не показан) с точки зрения защит не отличается от вышеописанной, уровень пульсаций меньше, к.п.д. ниже.

Макетирование понижающего стабилизатора проводилось для диапазона температур от минус 40 до плюс 50°С. Шина питания дифференциального компаратора напряжения 7 типа 1401СА1 подключена к входной шине с напряжением (5,2-36) В.

Величина выходного напряжения U 4 регулируемая, зависит от напряжения U 8 источника 8 опорного напряжения, сопротивлений резисторов 5, 6 и определяется по формуле .

Стабильность напряжения U4 для прецизионных стабилитрона 2С120 В и резисторов С2-29 В не превышает 1%. Стабилитрон 11 2С147А, диоды 12 в затворе - Шоттки 2Д419В, диод 13 типа 2Д522Б, диод сглаживающего LCD-фильтра 3 2Д288, его дроссель выполнен на сердечнике МП140-4, его конденсатор типа К52-1Б, р-канальный проходной транзистор 1 с изолированным затвором типа 2П712А, конденсатор 15 и конденсатор RC-цепи 14 типа К10-50В. Понижающий стабилизатор обеспечивает стабилизацию выходного напряжения 5 В при входном напряжении (5,2-36) В и различных токах. Величина выходного тока регулируемая, зависит от крутизны S транзистора 1, напряжения U11 стабилитрона 11, суммы напряжений nU12 на диодах 12 и определяется по формуле I4 =S(U11-nU12). Пусковой ток и ток короткого замыкания ограничены заданной величиной 1А. При минимальном входном напряжении 5 В выходное напряжение становится нестабилизированным и уменьшается на 0,2 В: L 4=4,8 В.

Обеспечена унификация конструкции: замена диода 2Д288 на конденсатор К52-1Б в сглаживающем фильтре 3 позволяет преобразовать импульсный стабилизатор в линейный и наоборот.

Понижающий стабилизатор реализован на выпускаемых отечественной промышленностью и имеющихся в ограничительных перечнях электрорадиоэлементах, не требует применения зарубежного контроллера LM3485.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Понижающий стабилизатор, содержащий р-канальный проходной транзистор с изолированным затвором, исток которого подключен к входной шине, а сток подключен к входу сглаживающего фильтра, выход которого подключен к выходной шине и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен через второй резистор к общей шине и к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введены третий и четвертый резисторы, стабилитрон, цепь n последовательно соединенных диодов, диод, параллельная RC-цепь, конденсатор, первый вывод которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, а второй вывод подключен к неинвертирующему входу дифференциального компаратора напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего резистора, анодом диода и через четвертый резистор с входной шиной, к которой подключен катод стабилитрона, анод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и катодом первого диода из цепи n последовательно соединенных диодов, анод последнего диода цепи соединен с затвором р-канального проходного транзистора с изолированным затвором, катодом диода и через параллельную RC-цепь с входной шиной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сглаживающий фильтр выполнен в виде LCD-фильтра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сглаживающий фильтр выполнен в виде CLC-фильтра или С-фильтра.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru