RU2195759C1

RU2195759C1 - Correcting voltage regulator

Info

Publication number: RU2195759C1
Application number: RU2001117343A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Гурьев
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Алмаз" им. акад. А.А.Расплетина
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2002-12-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: voltage regulator has regulating member in the form of first transistor connected in series with load in positive DC circuit and differential comparison circuit set up of output voltage divider connected in parallel with load and made in the form of series-connected resistor circuit, reference voltage source, and DC balance amplifier built around second and third transistors. Connected to first input of DC balance amplifier is reference voltage source and to its second input, output voltage source; amplifier output is connected to regulating member input. Additional transistor inserted in series with output voltage source has its collector connected to extreme-resistor lead of output voltage divider, its emitter, to minus bus, and base, to plus bus of correcting voltage regulator through additional resistor. EFFECT: enhanced operating reliability and serviceability of regulator when its output buses are placed at reverse-polarity voltage. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания в электронной и радиотехнической аппаратуре различного назначения. The invention relates to electrical engineering, and more specifically to devices for converting alternating current to direct current, and can be used as a secondary power source in electronic and radio equipment for various purposes.

Известны и широко применяются транзисторные стабилизаторы постоянного напряжения компенсационного типа, представляющие собой системы автоматического регулирования, в которых с заданной точностью выдерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения входных напряжений и тока нагрузки. Known and widely used are transistor DC stabilizers of the compensation type, which are automatic control systems in which a constant voltage at the output is maintained with a given accuracy regardless of changes in input voltages and load current.

Наиболее близким к заявленному изобретению является компенсационный стабилизатор напряжения (КСН), содержащий регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого использован первый транзистор 1, который включен последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока, и дифференциальную схему сравнения. Она состоит из балансного усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на втором 2 и третьем 3 транзисторах, источника опорного напряжения, в качестве которого использован кремниевый стабилитрон 4, и делителя выходного напряжения 5, выполненного в виде подключенной параллельно нагрузке цепочки последовательно соединенных резисторов (фиг.1). Коллекторная нагрузка третьего 3 транзистора балансного УПТ подключена к дополнительному источнику питания, минусовая клемма которого соединена с положительной шиной КСН. Коллектор второго транзистора 2 балансного УПТ соединен с эмиттером первого транзистора 1 (РЭ), база которого соединена с коллектором третьего транзистора 3 балансного УПТ. Эмиттеры второго 2 и третьего 3 транзисторов через резистор 6 подключены к минусовой шине КСН. База второго транзистора 2 через резистор 7 соединена с эмиттером первого транзистора 1 (РЭ) и положительным выводом кремниевого стабилитрона 4, отрицательный вывод которого соединен с минусовой шиной КСН. База третьего транзистора 3 балансного УПТ подключена к делителю выходного напряжения 5 (Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. Под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978. Т. 2, стр. 175-176, рис. 6-78а). Closest to the claimed invention is a compensation voltage stabilizer (SPL) containing a control element (RE), which is used as the first transistor 1, which is connected in series with the load in the positive DC circuit, and a differential comparison circuit. It consists of a balanced DC amplifier (CT), made on the second 2 and third 3 transistors, a reference voltage source, which is a silicon zener diode 4, and an output voltage divider 5, made in the form of a series of connected resistors connected in parallel to the load (Fig. .1). The collector load of the third 3 transistor balanced UPT is connected to an additional power source, the negative terminal of which is connected to the positive KSN bus. The collector of the second transistor 2 balanced UPT connected to the emitter of the first transistor 1 (RE), the base of which is connected to the collector of the third transistor 3 balanced UPT. The emitters of the second 2 and third 3 transistors through a resistor 6 are connected to the negative bus of the SPL. The base of the second transistor 2 through a resistor 7 is connected to the emitter of the first transistor 1 (RE) and the positive terminal of the silicon zener diode 4, the negative terminal of which is connected to the negative bus of the SPL. The base of the third transistor 3 balanced UPT is connected to the output voltage divider 5 (Handbook of electronic devices. In 2 volumes. Edited by D.P. Linde. - M.: Energy, 1978. T. 2, pp. 175-176 , Fig. 6-78a).

Существенным недостатком схемы известного КСН, как и всех схем КСН подобного типа, являются частые отказы при его включении, если на выходную шину с нагрузки попадает напряжение обратной полярности. Такие ситуации возникают, например, в устройствах вычислительной техники, которые питаются от нескольких источников с различной полярностью питающих напряжений. Причинами отказов являются неодновременное нарастание питающих напряжений на элементах схемы КСН непосредственно после его включения, а также периодические отключения и включения в работу источников напряжения различной величины и полярности. В этих случаях (фиг.2) напряжение обратной полярности, попадая через делитель выходного напряжения 5 на базу третьего транзистора 3 балансного УНТ, "опрокидывает" его, т.е. в нем эмиттер становится коллектором, а коллектор - эмиттером. При этом переход "коллектор - база" смещается в прямом направлении и работает как переход "база - эмиттер", благодаря чему через него и первый транзистор 1 (РЭ) текут токи в направлениях, показанных стрелками на схеме фиг.2 (здесь третий транзистор 3 балансного УПТ изображен в "опрокинутом" состоянии). Очевидно, что в данном случае на выходе КСН будет напряжение обратной полярности даже при появлении номинального питающего напряжения от преобразователя переменного тока в постоянный U_BX1, которое не в состоянии изменить возникший режим. Поэтому КСН становится неработоспособным.A significant drawback of the well-known SPL circuitry, as well as of all similar-type SPL circuits, are frequent failures when it is turned on, if the reverse polarity voltage gets to the output bus from the load. Such situations arise, for example, in computing devices that are powered from several sources with different polarity of the supply voltage. The causes of failures are the simultaneous increase in supply voltages on the elements of the SPL circuit immediately after its inclusion, as well as periodic shutdowns and inclusion of voltage sources of various sizes and polarity in the work. In these cases (Fig. 2), the voltage of reverse polarity, falling through the output voltage divider 5 to the base of the third transistor 3 of the balanced CNT, “overturns” it, i.e. in it, the emitter becomes a collector, and the collector becomes an emitter. In this case, the collector-base junction is shifted in the forward direction and works like a base-emitter junction, due to which currents flow in it and the first transistor 1 (RE) in the directions shown by arrows in the circuit of Fig. 2 (here, the third transistor 3 balanced UPT is depicted in the “overturned” state). It is obvious that in this case, the output of the SPV will be a voltage of reverse polarity even when the nominal supply voltage from the AC to DC converter U _{BX1 appears} , which is not able to change the mode that has arisen. Therefore, SPE becomes inoperative.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Задачей заявленного изобретения является повышение надежности работы и обеспечение работоспособности КСН при попадании на его выходные шины напряжений обратной полярности. The objective of the claimed invention is to increase the reliability and ensure the operability of the SPE when voltage of reverse polarity hits its output buses.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент, в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор, дифференциальную схему сравнения, состоящую из включенного параллельно нагрузке делителя выходного напряжения, выполненного в виде цепочки последовательно включенных резисторов, источника опорного напряжения и балансного усилителя постоянного тока, выполненного на втором и третьем транзисторах, при этом к первому входу балансного усилителя постоянного тока подключен источник опорного напряжения, ко второму входу - делитель выходного напряжения, а выход балансного усилителя постоянного тока соединен с входом регулирующего элемента, согласно изобретению, введен включенный последовательно с делителем выходного напряжения дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с выводом крайнего резистора делителя выходного напряжения, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор - с положительной шиной компенсационного стабилизатора напряжения. The specified technical result is achieved by the fact that in the known compensation voltage stabilizer containing a regulating element, which is used as a first transistor connected in series with the load in the positive DC circuit, a differential comparison circuit consisting of an output voltage divider connected in parallel with the load, made in the form of a chain series-connected resistors, a reference voltage source and a balanced DC amplifier, made on a torus and a third transistor, wherein a reference voltage source is connected to the first input of the balanced DC amplifier, the output voltage divider is connected to the second input, and the output of the balanced DC amplifier is connected to the input of the regulating element, according to the invention, an additional additional voltage connected in series with the output voltage divider is introduced a transistor whose collector is connected to the terminal of the extreme resistor of the output voltage divider, the emitter with a negative bus, and the base through an additional resistor a torus - with a positive compensation busbar.

Достижение заявленного технического результата обусловлено тем, что при возникновении на выходной шине КСН напряжения обратной полярности эмиттерный переход дополнительного транзистора смещается в обратном направлении и как диод не пропускает ток на делитель выходного напряжения и соответственно на базу транзистора третьего транзистора балансного УПТ. Этот транзистор не "опрокидывается" и при появлении номинального питающего напряжения от преобразователя переменного тока в постоянный U_BX1, KCH нормально включается в работу.The achievement of the claimed technical result is due to the fact that when the reverse polarity voltage occurs on the output bus of the SPL, the emitter junction of the additional transistor is biased in the opposite direction and, as a diode, does not pass current to the output voltage divider and, accordingly, to the base of the transistor of the third transistor of balanced CTD. This transistor does not “tip over” and when the rated supply voltage from the AC to DC converter _appears , U _BX1 , KCH normally switches on.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема известного KCH (прототипа); на фиг.2 - эта же схема, поясняющая причину неработоспособности KCH; на фиг 3 - принципиальная электрическая схема заявленного KCH с дополнительным транзистором. In FIG. 1 shows a circuit diagram of a known KCH (prototype); figure 2 is the same diagram explaining the cause of inoperability KCH; Fig 3 is a circuit diagram of the claimed KCH with an additional transistor.

Компенсационный стабилизатор напряжения (фиг.3) содержит регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого использован включенный последовательно с нагрузкой в положительной цепи постоянного тока первый транзистор 1, и дифференциальную схему сравнения. Она состоит из балансного УПТ, источника опорного напряжения, в качестве которого использован кремниевый стабилитрон 4, делителя выходного напряжения 5 с дополнительным (вновь введенным) транзистором 6. Балансный УПТ выполнен на втором 2 и третьем 3 транзисторах, при этом базовая цепь второго транзистора 2, являющаяся первым входом балансного УПТ, подключена к источнику опорного напряжения - положительному выводу кремниевого стабилитрона 4, отрицательный вывод которого соединен с минусовой шиной KCH, базовая цепь третьего транзистора 3, являющаяся вторым входом балансного УПТ, подключена к делителю выходного напряжения 5, а коллекторная цепь третьего транзистора 3, являющаяся выходом балансного УПТ, подключена к базовой цепи первого транзистора 1, являющейся входом РЭ. Эмиттеры второго 2 и третьего 3 транзисторов через резистор 6 подключены к минусовой шине KCH, база второго транзистора 2 через резистор 7 связана с положительно шиной KCH. Делитель выходного напряжения (ДВН) 5 выполнен в виде подключенной параллельно нагрузке цепочки последовательно соединенных двух или трех резисторов. В первом случае база третьего транзистора 3 (второй вход балансного УПТ) подключается к точке соединения резисторов между собой. При трех соединенных последовательно резисторах средний из них выполняется переменным (для обеспечения регулирования величины выходного напряжения) и база транзистора 3 подключается к его движку. Compensation voltage stabilizer (figure 3) contains a control element (RE), which is used as a first transistor 1 connected in series with the load in the positive DC circuit, and a differential comparison circuit. It consists of a balanced UPT, a reference voltage source, which is used as a silicon zener diode 4, an output voltage divider 5 with an additional (newly introduced) transistor 6. The balanced UPT is made on the second 2 and third 3 transistors, while the base circuit of the second transistor 2, which is the first input of the balanced UPT, is connected to a reference voltage source - the positive terminal of the silicon zener diode 4, the negative terminal of which is connected to the negative KCH bus, the base circuit of the third transistor 3, is schayasya second input of the balanced DCA is connected to the output voltage divider 5 and the collector circuit of the third transistor 3, which is the balanced TF output is connected to the base of the first transistor circuit 1, which input RE. The emitters of the second 2 and third 3 transistors through a resistor 6 are connected to the negative KCH bus, the base of the second transistor 2 through a resistor 7 is connected positively to the KCH bus. The output voltage divider (DVN) 5 is made in the form of a parallel-connected load of a chain of two or three resistors connected in series. In the first case, the base of the third transistor 3 (the second input of the balanced CTF) is connected to the connection point of the resistors with each other. With three resistors connected in series, the middle one is variable (to ensure regulation of the output voltage) and the base of the transistor 3 is connected to its engine.

Последовательно с ДВН 5 включен дополнительный транзистор 8. Его коллектор соединен с выводом крайнего резистора ДВН 5, эмиттер - с минусовой шиной, а база через дополнительный резистор 9 - с положительной шиной KCH. Параметры дополнительного транзистора 8 должны удовлетворять следующим условиям: предельно-допустимый ток транзистора не должен быть ниже тока ДВН 5, а эмиттерный переход транзистора должен выдерживать напряжение обратной полярности, которое может поступить на выходные клеммы КСН со стороны нагрузки. Параметры дополнительного резистора 9 выбираются из условия надежного насыщения дополнительного транзистора 8 в нормальном режиме работы КСН. An additional transistor 8 is connected in series with DVN 5. Its collector is connected to the terminal of the extreme resistor DVN 5, the emitter is connected to the negative bus, and the base through the additional resistor 9 is connected to the positive KCH bus. The parameters of the additional transistor 8 must satisfy the following conditions: the maximum permissible current of the transistor must not be lower than the current DVN 5, and the emitter junction of the transistor must withstand the voltage of reverse polarity, which can be supplied to the output terminals of the КСН from the load side. The parameters of the additional resistor 9 are selected from the condition of reliable saturation of the additional transistor 8 in the normal mode of operation of the SPE.

Компенсационный стабилизатор напряжения работает следующим образом. Входное напряжение U_BX1 поступает на РЭ (первый транзистор 1), представляющий собой регулируемое сопротивление, на котором падает часть напряжения, и с выхода которого снимается выходное напряжение U_ВЫХ. Выходное напряжение поступает также на ДВН 5, в цепи которого включен дополнительный транзистор 8, база которого через дополнительный резистор 9 подключена к общей положительной шине КСН. Поэтому дополнительный транзистор 8 находится в режиме насыщения и не оказывает заметного влияния на параметры ДВН 5. На первый вход балансного УПТ (в базовую цепь второго транзистора 2) подается опорное напряжение с кремниевого стабилитрона 4, на второй его вход (в базовую цепь третьего транзистора 3) подается часть выходного напряжения с ДВН 5. Балансный УПТ сравнивает эти напряжения, усиливает и необходимым образом фазирует разностный сигнал, который в качестве управляющего подается с выхода балансного УПТ (коллектора третьего транзистора 3) на вход РЭ (в базовую цепь первого транзистора 1). При изменении входного напряжения или тока нагрузки выходное напряжение несколько изменится, что приведет к такому изменению разностного сигнала на выходе балансного УПТ и соответственно на входе РЭ, под действием которого значение выходного напряжения восстанавливается с заданной степенью точности. Например, при увеличении U_ВЫХ разностный сигнал на выходе балансного УПТ получит положительное приращение, что приведет к увеличению падения напряжения на коллекторной нагрузке третьего транзистора 3, в результате чего уменьшатся напряжение и ток базы первого транзистора 1. Это вызовет увеличение напряжения на нем и соответственно восстановление (компенсацию) номинального значения U_ВЫХ.Compensation voltage stabilizer operates as follows. The input voltage U _BX1 enters the ER (first transistor 1), which is adjustable resistance, which decreases the voltage unit and which is removed from the output of the output voltage U _OUT. The output voltage is also supplied to the DVN 5, in the circuit of which an additional transistor 8 is connected, the base of which is connected through an additional resistor 9 to the common positive bus of the SPV. Therefore, the additional transistor 8 is in saturation mode and does not have a noticeable effect on the parameters of DVN 5. At the first input of the balanced CTD (to the base circuit of the second transistor 2), the reference voltage is supplied from the silicon zener diode 4, to its second input (to the base circuit of the third transistor 3 ) a part of the output voltage with DVN 5 is supplied. The balanced UPT compares these voltages, amplifies and, as necessary, phases the difference signal, which as a control signal is supplied from the output of the balanced UPT (collector of the third and 3) on the SE input (the base of the first transistor circuit 1). When the input voltage or the load current changes, the output voltage will change slightly, which will lead to such a difference signal difference at the output of the balanced CTF and, accordingly, at the input of the RE, under the influence of which the value of the output voltage is restored with a given degree of accuracy. For example, with an increase in U _{OUT, the} differential signal at the output of the balanced CTF will receive a positive increment, which will lead to an increase in the voltage drop at the collector load of the third transistor 3, as a result of which the voltage and base current of the first transistor 1 will decrease. This will cause an increase in voltage on it and, accordingly, restoration (compensation) of the nominal value U _OUT .

Если по какой-либо причине до выхода КСН на нормальный режим на его выходных клеммах окажется напряжение обратной полярности, то эмиттерный переход дополнительного транзистора 8 сместится в обратном направлении и будет работать в режиме диода. При этом напряжение обратной полярности не попадает через цепь ДВН 5 на базу третьего транзистора 3, он не "опрокидывается" и КСН выходит на нормальный режим работы. Таким образом обеспечивается надежность бесперебойной работы КСН. If for some reason, before the output of the SPL to normal mode, the output polarity voltage is at its output terminals, then the emitter junction of the additional transistor 8 will shift in the opposite direction and will work in diode mode. In this case, the voltage of reverse polarity does not fall through the DVN 5 circuit to the base of the third transistor 3, it does not "tip over" and the SPV goes to normal operation. This ensures the reliability of the uninterrupted operation of the SPE.

Заявленный КСН был испытан в экспериментальном источнике электропитания для использования в электронном устройстве, содержащем микросхемы типа 1601РР1А. The claimed SPV was tested in an experimental power supply for use in an electronic device containing microcircuit type 1601PP1A.

В этом устройстве использовались напряжения питания +5В, -12В и -32В. Если источник напряжения питания +5В включался раньше источника питания -12В, то в схеме без дополнительного транзистора 8 последний не включался из-за того, что напряжение +5В через импеданс нагрузки попадало на базу третьего транзистора 3 балансного УПТ схемы сравнения и "опрокидывало" его. При включении в схему сравнения дополнительного транзистора 8 это явление отсутствует. При этом качественные характеристики КСН не изменялись. This device used power supply voltage + 5V, -12V and -32V. If the + 5V power supply was turned on earlier than the -12V power supply, then in the circuit without an additional transistor 8 the latter did not turn on due to the fact that the + 5V voltage through the load impedance fell on the base of the third transistor 3 of the balanced UPT comparison circuit and “overturned” it . When you include an additional transistor 8 in the comparison circuit, this phenomenon is absent. At the same time, the qualitative characteristics of the SPE did not change.

Claims

A compensating voltage stabilizer containing a regulating element, which is used as a first transistor connected in series with the load in the positive DC circuit, a differential comparison circuit consisting of an output voltage divider connected in parallel with the load, made in the form of a chain of series-connected resistors, a reference voltage source and balanced a DC amplifier made on the second and third transistors, while to the first input of the balanced the DC amplifier is connected to a reference voltage source, the output voltage divider is connected to the second input, and the output of the balanced DC amplifier is connected to the input of the regulating element, characterized in that an additional transistor is connected in series with the output voltage divider, the collector of which is connected to the terminal of the output resistor divider voltage, the emitter with a negative bus, and the base through an additional resistor with a positive bus of a compensation voltage regulator.