Результат интеллектуальной деятельности: Стабилизатор напряжения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для автоматической стабилизации напряжения.

Уровень техники

Известен стабилизатор напряжения (патент RU 2643166, МПК H02M 5/12, G05F 1/32, G05F 1/40) содержащий: трансформаторный регулятор напряжения; первый диодный мост; стабилитрон; резистор; усилитель; транзистор n-p-n типа; конденсатор; второй диодный мост; первую обмотку управления; вторую обмотку управления, причем трансформаторный регулятор напряжения соединен с первым диодным мостом со стороны нагрузки, выход первого диодного моста соединен в параллель со стабилитроном, резистором и входом усилителя, выход усилителя соединен в параллель с базой и эмиттером транзистора, коллектор и эмиттер транзистора соединены в параллель с конденсатором и выходом второго диодного моста, а вход второго диодного моста соединен с началом первой обмотки управления и концом второй обмотки управления, а конец первой обмотки управления и начало второй обмотки управления соединены между собой.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная отсутствием:

- защиты стабилитрона от возможной перегрузки по току;

- гальванической развязки в цепи управления.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения (патент RU RU 2761184, МПК G05F 1/32, G05F 1/40, H02M 5/12) содержащий: трансформаторный регулятор напряжения; два диодных моста; два конденсатора; резистор; два стабилитрона; оптрон, представляющий собой оптопару по типу светодиод - фотодиод; усилитель; биполярный транзистор р-n-р типа; две обмотки управления, причем: трансформаторный регулятор напряжения соединен с первым диодным мостом со стороны нагрузки, выход отрицательной полярности которого соединен непосредственно с первым выводом второго конденсатора и через резистор, с анодами стабилитронов; катод второго стабилитрона соединен с катодом светодиода оптрона; выход положительной полярности первого диодного моста соединен со вторым выводом второго конденсатора, катодом первого стабилитрона и анодом светодиода оптрона; анод фотодиода оптрона соединен с сигнальным входом усилителя, а катод с общим входом усилителя; сигнальный выход усилителя соединен с базой биполярного транзистора р-n-р типа, коллектор которого соединен с первым выводом первого конденсатора и выходом отрицательной полярности второго диодного моста, а эмиттер - со вторым выводом первого конденсатора, общим выходом усилителя и выходом положительной полярности второго диодного моста; вход второго диодного моста подключен к началу первой обмотки управления и концу второй обмотки управления; конец первой обмотки управления и начало второй обмотки управления соединены между собой.

Недостатком данного устройства является низкая надежность при значительной сложности реализации.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности при снижении сложности реализации.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения, содержащий: трансформаторный регулятор напряжения; два диодных моста; два конденсатора; резистор; два стабилитрона; две обмотки управления, причем: конец первой обмотки управления и начало второй обмотки управления соединены между собой; начало первой обмотки управления и конец второй обмотки управления подключены к входу второго диодного моста, выход отрицательной полярности которого соединен с первым выводом первого конденсатора, а выход положительной полярности соединен со вторым выводом первого конденсатора; трансформаторный регулятор напряжения, со стороны нагрузки, соединен с входом первого диодного моста, выход отрицательной полярности которого соединен с первым выводом второго конденсатора, а выход положительной полярности соединен со вторым выводом второго конденсатора, введены: второй и третий резисторы; оптрон, представляющий собой оптопару по типу светодиод – фототранзистор; МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа, причем: второй вывод второго конденсатора, через первый резистор, соединен с катодами обоих стабилитронов; анод второго стабилитрона соединен с анодом светодиода оптрона; первый вывод второго конденсатора соединен с анодом первого стабилитрона и катодом светодиода оптрона; коллектор фототранзистора оптрона, через третий резистор, соединен со вторым вывод первого конденсатора и стоком МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа, исток которого соединен с первыми выводами первого конденсатора и второго резистора; затвор МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа соединен с эмиттером фототранзистора оптрона и вторым выводом второго резистора.

Краткое описание чертежа

На фиг. представлена функциональная схема стабилизатора напряжения.

Осуществление изобретения

Стабилизатор напряжения содержит: трансформаторный регулятор напряжения 1; диодные мосты 2, 11; конденсаторы 3, 10; резисторы 4, 9, 14; стабилитроны 5, 6; оптрон 7, представляющий собой оптопару по типу светодиод – фототранзистор; МДП транзистор 8 с индуцированным каналом n-типа; обмотки управления 12, 13, причем: трансформаторный регулятор напряжения 1 соединен с диодным мостом 2 со стороны нагрузки, выход положительной полярности которого соединен непосредственно со вторым выводом конденсатора 3 и через резистор 4, с катодами стабилитронов 5 и 6; анод стабилитрона 6 соединен с анодом светодиода оптрона 7; выход отрицательной полярности диодного моста 2 соединен с первым выводом конденсатора 3, анодом стабилитрона 5 и катодом светодиода оптрона 7; коллектор фототранзистора оптрона 7, через резистор 9, соединен с выводом положительной полярности диодного моста 11, вторым выводом конденсатора 10 и стоком МДП транзистора 8 с индуцированным каналом n-типа, исток которого соединен с выводом отрицательной полярности диодного моста 11, первыми выводами конденсатора 10, резистора 14; затвор МДП транзистора 8 с индуцированным каналом n-типа соединен с эмиттером фототранзистора оптрона 7 и вторым выводом резистора 14.

Блок 1 представляет собой трансформаторный регулятор напряжения (например. авт. св. СССР N1119088 А, кл. H01 F 29/14; H01 F 21/08).

Стабилитрон 6 характеризуется напряжением стабилизации U_Ст6 согласно условию (1)

, (1)

где - среднее напряжение на выходе диодного моста 2 при нормальном режиме работы;

- ток порога зажигания светодиода оптрона 7;

- сопротивление резистора 4.

Стабилитрон 5 характеризуется напряжением стабилизации U_Ст5 согласно условию (2)

(2)

где - максимально допустимый постоянный прямой ток светодиода оптрона 7.

На величину сопротивления резистора 4 накладывается условие (3)

, (3)

где - максимальное напряжение на выходе диодного моста 2 при отклонении от нормального режима работы;

- среднее значение тока стабилизации стабилитрона 6.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, выходное среднее напряжение диодного моста 2, с учетом условия (1), «подводит» светодиод оптрона 7 к границе зажигания. Фототок фототранзистора оптрона 7 крайне мал (сопротивление коллектор – эмиттер велико), но все же, с учетом падения напряжения на резисторах 9, 14, «подводит» канал МДП транзистора 8 к границе индуцирования. МДП транзистор 8 закрыт, ток в обмотках управления 12, 13 не протекает.

В случае возрастания напряжения на выходе трансформаторного регулятора напряжения 1, выходное среднее напряжение диодного моста 2 увеличивается, что влечет за собой увеличение тока и яркости свечения светодиода оптрона 7. Фототок фототранзистора оптрона 7 возрастает (сопротивление коллектор – эмиттер уменьшается), напряжение на затворе МДП транзистора 8, с учетом перераспределения падения напряжения на резисторах 9, 14, увеличивается. По мере увеличения фототока, МДП транзистор 8 приоткрывается (сопротивление сток – исток МДП транзистора 8 уменьшается), тем самым создавая путь для протекания тока с выхода диодного моста 11 через МДП транзистор 8. Таким образом меняя величину переменного тока в обмотках управления 12 и 13 трансформаторного регулятора напряжения 1, а значит и магнитного потока, что в свою очередь приводит выходное напряжения до установленной нормы.

В случае дальнейшего возрастания напряжения на выходе трансформаторного регулятора напряжения 1, и превышения выходным напряжением диодного моста 2 напряжения стабилизации U_Ст5, стабилитрон 5, согласно условию (2), переходит в режим электрического пробоя, предохраняя тем самым, светодиод оптрона 7 от выхода из строя.

Резистора 4 способствует защите стабилитрона 5 от возможной перегрузки по току и повышению надежности функционирования стабилизатора напряжения.

Резистор 9 способствует защите фототранзистора оптрона 7 от возможной перегрузки по току и повышению надежности функционирования стабилизатора напряжения.

В случае прототипа имеет место низкая надежность при значительной сложности реализации, которые обусловлены использованием в качестве нагрузочного элемента коллектор – эмиттерный переход биполярного транзистора - электронного прибора у которого собственное энергопотребление, а значит, и тепловой режим, напрямую связан с величиной коммутируемого тока, но прежде всего с величиной тока управления (током базы), а значит и степенью сложности устройства управления (в случае прототипа - трансимпедансный усилитель с нулевым напряжением смещения). И в случае использования биполярного транзистора большой мощности, сложность реализации усилителя значительно возрастает. А попытка использования транзистора с меньшим током базы (а значит, и меньшей допустимой мощностью рассеивания – неизбежно повысит требования к увеличению эффективности теплоотвода), повлечет снижение надежности устройства.

В то же время МДП транзисторы характеризуются рядом преимуществ относительно биполярных транзисторов  (Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1985, с.19):

- управление напряжением (высокое сопротивление со стороны затвора, ток затвора практически равен нулю);

- высокая скорость переключения;

- почти неограниченная нагрузочная способность по выходу (если не учитывать скорость переключения);

- очень малая вероятность теплового саморазогрева;

- очень малая вероятность вторичного пробоя;

- допустимость резкого изменения тока стока.

А значит, предлагаемое устройство, использующее в качестве нагрузочного элемента канал МДП транзистора 8 (ток управления которого фактически стремится к нулю) и не нуждающегося в дополнительном усилителе, будет характеризоваться более высокой надежностью, при меньшей сложности реализации.