RU2220438C1

RU2220438C1 - Stabilized dc source

Info

Publication number: RU2220438C1
Application number: RU2002116043A
Authority: RU
Inventors: И.В. Давыдов; Г.Ф. Провоторов; А.С. Щеголеватых
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи"
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2003-12-27
Also published as: RU2002116043A

Abstract

FIELD: electronics, possibly precision measuring devices. SUBSTANCE: stabilized dc source includes two unipolar transistors 4, 6. First unipolar transistor 4 is used for power amplifying. Source of transistor 4 is connected with collector of first bipolar transistor 1, through second thermostable resistor 5 it is connected with common bus and through third thermostable resistor 10 it is connected with emitter of second bipolar transistor 2 whose collector is connected with first terminal of variable resistor 9. Mean terminal of variable resistor 9 is connected with gate of transistor 4 whose drain is connected with first terminal of load 7 and whose second terminal is connected with gate of second unipolar transistor 6, with second terminal of resistor 8 and with voltage source E. First terminal of resistor 8 of transistor source is connected with source of second transistor 6 whose drain is connected with second terminals of first thermostable resistor 3 and of variable resistor 9. EFFECT: increased outlet resistance, enhanced temperature stability of outlet current in wide range of electric currents and temperatures at small voltage of power source. 1 dwg

Description

Устройство относится к электронной технике и может быть использовано в прецизионных измерительных приборах и устройствах. The device relates to electronic equipment and can be used in precision measuring instruments and devices.

Во многих измерительных приборах необходимо задавать стабильный ток. Например, в измерителях индукции магнитного поля, использующих преобразователи Холла, термометрах сопротивления и др. In many measuring instruments, a stable current must be set. For example, in magnetic field meters using Hall transducers, resistance thermometers, etc.

Для получения высокой стабильности тока и большого внутреннего сопротивления выполняют стабилизаторы тока с применением цепи обратной связи. См., например, авторские свидетельства СССР N 1628056 A1, 1682985 A1, 1689926 A1, 1709285 A1, 1815625 A1, кл. G 01 F 1/56. To obtain high current stability and large internal resistance, current stabilizers are performed using a feedback circuit. See, for example, copyright certificates of the USSR N 1628056 A1, 1682985 A1, 1689926 A1, 1709285 A1, 1815625 A1, cl. G 01 F 1/56.

Известные стабилизаторы тока имеют отрицательную обратную связь по току, включающую эталонный резистор, схему управления и усилитель мощности. Ток, протекая через эталонный резистор, создает на нем падение напряжения, которое подается на схему сравнения и, далее, на усилитель мощности. Для обеспечения высокой стабильности тока в нагрузке необходимо использование прецизионного резистора, а также источника эталонного напряжения. В качестве источника эталонного напряжения в известных схемах используют полупроводниковые опорные диоды - стабилитроны. Наиболее термостабильные опорные диоды имеют напряжение стабилизации 8-10 В. В то же время измерительные приборы экономичнее запитывать от батарей, имеющих более низкие значения напряжения питания. В современных схемах в качестве усилителей рассогласования предпочтение отдается операционным усилителям, напряжение питания которых относительно высокое, что не всегда экономически оправдывает их использование. Known current stabilizers have negative current feedback, including a reference resistor, a control circuit, and a power amplifier. The current flowing through the reference resistor creates a voltage drop across it, which is supplied to the comparison circuit and, further, to the power amplifier. To ensure high current stability in the load, it is necessary to use a precision resistor, as well as a reference voltage source. As a source of reference voltage in known circuits, semiconductor reference diodes — zener diodes — are used. The most thermostable reference diodes have a stabilization voltage of 8-10 V. At the same time, measuring devices are more economically powered from batteries with lower supply voltages. In modern circuits, preference is given to operational amplifiers as the mismatch amplifiers, the supply voltage of which is relatively high, which does not always economically justify their use.

Другая проблема, которую необходимо решить при создании стабильных источников тока, - это стабилизация опорного напряжения при изменении напряжения питания. Низковольтные опорные диоды обладают относительно большим дифференциальным сопротивлением, что приводит к недопустимо большим изменениям опорного напряжения при изменении напряжения питания схемы. Another problem that must be solved when creating stable current sources is the stabilization of the reference voltage when the supply voltage changes. Low-voltage reference diodes have a relatively large differential resistance, which leads to unacceptably large changes in the reference voltage with a change in the supply voltage of the circuit.

Известные источники стабильного тока, как правило, отличаются низкими кпд, поэтому необходимо решать вопросы повышения экономичности источников тока. Known sources of stable current, as a rule, are characterized by low efficiency, therefore, it is necessary to solve the problems of increasing the efficiency of current sources.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство, описанное в авт. св. СССР 873224, G 05 F 1/56 ,"Стабилизатор тока", принятое за прототип. The closest in technical essence to the proposed solution is the device described in ed. St. USSR 873224, G 05 F 1/56, "Current stabilizer", adopted as a prototype.

Устройство-прототип содержит первый 1 и второй 2 транзисторы разного типа проводимости, причем эмиттер транзистора 1 соединен с коллектором транзистора 2 и первым термостабильным резистором 3. База транзистора 1 соединена с эмиттером транзистора 2 и вторым термостабильным резистором 4. Эмиттер третьего транзистора 5 с проводимостью, противоположной проводимости второго транзистора 2, соединен с базой второго транзистора 2 и с третьим термостабильным резистором 6. Коллектор третьего транзистора 5 соединен с базой первого транзистора 1. The prototype device contains the first 1 and second 2 transistors of different types of conductivity, and the emitter of the transistor 1 is connected to the collector of the transistor 2 and the first thermostable resistor 3. The base of the transistor 1 is connected to the emitter of the transistor 2 and the second thermostable resistor 4. The emitter of the third transistor 5 with conductivity, opposite conductivity of the second transistor 2, connected to the base of the second transistor 2 and to the third thermostable resistor 6. The collector of the third transistor 5 is connected to the base of the first transistor 1.

Недостатками известной схемы являются невысокое выходное сопротивление и низкая температурная стабильность выходного тока, вызванные нелинейностью характеристик передачи и сильной температурной зависимостью режимов работы биполярных транзисторов, что практически не дает возможности добиться высокой температурной стабильности выходного тока в достаточно широком диапазоне токов и температур и при малых напряжениях источника питания. The disadvantages of the known circuit are the low output resistance and low temperature stability of the output current caused by the non-linearity of the transmission characteristics and the strong temperature dependence of the operating modes of bipolar transistors, which practically does not make it possible to achieve high temperature stability of the output current in a fairly wide range of currents and temperatures and at low source voltages nutrition.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее два биполярных транзистора разного типа проводимости, причем эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом первого термостабильного резистора, введены два униполярных транзистора, первый униполярный транзистор, используемый для усиления мощности, истоком соединен с коллектором первого биполярного транзистора и первым выводом второго термостабильного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и через третий термостабильный резистор - с эмиттером второго биполярного транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора. Средний вывод переменного резистора соединен с затвором первого униполярного транзистора, сток которого соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которого соединен с затвором второго униполярного транзистора, вторым выводом истокового резистора и источником напряжения. Кроме того, первый вывод истокового резистора соединен с истоком второго униполярного транзистора, сток которого соединен со вторыми выводами первого термостабильного резистора и переменного резистора. To eliminate this drawback, a device containing two bipolar transistors of different conductivity types, the emitter of the first transistor connected to the base of the second transistor and the first output of the first thermostable resistor, two unipolar transistors introduced, the first unipolar transistor used to amplify the power, the source is connected to the collector of the first a bipolar transistor and a first terminal of a second thermostable resistor, a second terminal of which is connected to a common bus and through a third thermostable th resistor - to the emitter of the second bipolar transistor whose collector is connected to a first terminal of the variable resistor. The middle terminal of the variable resistor is connected to the gate of the first unipolar transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the load, the second terminal of which is connected to the gate of the second unipolar transistor, the second terminal of the source resistor and a voltage source. In addition, the first terminal of the source resistor is connected to the source of the second unipolar transistor, the drain of which is connected to the second terminals of the first thermostable resistor and a variable resistor.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства, где 1, 2 - первый и второй биполярные транзисторы, 3, 5, 10 - первый, второй и третий термостабильные резисторы, 4, 6 - первый и второй униполярные транзисторы, 7 - нагрузка, 8 - истоковый резистор, 9 - переменный резистор. The drawing shows a diagram of the proposed device, where 1, 2 - the first and second bipolar transistors, 3, 5, 10 - the first, second and third thermostable resistors, 4, 6 - the first and second unipolar transistors, 7 - load, 8 - source resistor , 9 - a variable resistor.

Предлагаемое устройство содержит первый 1 и второй 2 биполярные транзисторы разного типа проводимости, причем эмиттер первого транзистора 1 соединен с базой второго транзистора 2 и через первый термостабильный резистор 3 со стоком второго униполярного транзистора 6, исток которого через истоковый резистор 8 соединен с источником питания и затвором второго униполярного транзистора 6, а также через нагрузку 7 - со стоком первого униполярного транзистора 4, исток которого соединен с коллектором и базой первого биполярного транзистора 1, a через второй термостабильный резистор 5 - с общей шиной и через третий термостабильный резистор 10 - с эмиттером второго биполярного транзистора 2, коллектор которого соединен с первым выводом переменного резистора 9, средний вывод которого соединен с затвором первого униполярного транзистора 4. Второй вывод переменного резистора 9 соединен со стоком второго униполярного транзистора 6. The proposed device contains first 1 and second 2 bipolar transistors of different conductivity types, the emitter of the first transistor 1 being connected to the base of the second transistor 2 and through the first thermostable resistor 3 with the drain of the second unipolar transistor 6, the source of which is connected through the source resistor 8 to the power source and gate the second unipolar transistor 6, and also through the load 7, with the drain of the first unipolar transistor 4, the source of which is connected to the collector and the base of the first bipolar transistor 1, and through the second thermostable resistor 5 - with a common bus and through the third thermostable resistor 10 - with the emitter of the second bipolar transistor 2, the collector of which is connected to the first terminal of the variable resistor 9, the middle terminal of which is connected to the gate of the first unipolar transistor 4. The second terminal of the variable resistor 9 is connected to drain of the second unipolar transistor 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

При включении питания (источник питания подключен между потенциальной и общей шинами) через второй униполярный транзистор 6 будет протекать ток, определяемый номиналом истокового резистора 8. В точке соединения стока униполярного транзистора 6 этот ток разветвляется: одна часть будет протекать через первый термостабильный резистор 3, а вторая часть - через переменный резистор 9. Ток, протекая через переменный резистор 9, вызывает на нем падение напряжения. Другая часть тока, протекая через первый резистор 3, разветвляется на токи базы второго транзистора 2 и эмиттера первого транзистора 1. Через второй термостабильный резистор 5 протекает суммарный ток нагрузки 7 и ток эмиттера транзистора 1, вызывая падение напряжения, управляющее усилением первого биполярного транзистора 1. When the power is turned on (the power source is connected between the potential and common buses), a current determined by the value of the source resistor 8 will flow through the second unipolar transistor 6. At the connection point of the drain of the unipolar transistor 6 this current branches out: one part will flow through the first thermostable resistor 3, and the second part - through the variable resistor 9. The current flowing through the variable resistor 9 causes a voltage drop on it. The other part of the current flowing through the first resistor 3 branches out to the base currents of the second transistor 2 and the emitter of the first transistor 1. The total load current 7 and the emitter current of the transistor 1 flow through the second thermostable resistor 5, causing a voltage drop that controls the amplification of the first bipolar transistor 1.

Следуя модели Эберса-Молла (см. Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники. М.: Энергия, 1974), выражение для характеристики биполярного транзистора записывается в форме:

где параметры, приведенные в формуле, описаны в упомянутом источнике.Following the Ebers-Mall model (see T. Agakhanyan, Fundamentals of Transistor Electronics. M .: Energy, 1974), the expression for the characteristic of a bipolar transistor is written in the form:

where the parameters given in the formula are described in said source.

Следуя модели, приведенной в книге Кроуфорда. Р. Схемные применения МОП-транзисторов. М. : Мир, 1970, с.77, представим выражение для пологой области характеристики полевого транзистора в виде

где параметры, приведенные в формуле (2) приведены в упомянутом источнике.Following the model given in Crawford's book. R. Circuit Applications of MOSFETs. M.: Mir, 1970, p.77, we present the expression for a gentle region of the characteristics of a field-effect transistor in the form

where the parameters given in formula (2) are given in the mentioned source.

В формулах (1), (2) допустимы упрощения. Если используются биполярные дрейфовые транзисторы, то коэффициент α₁≈0, а U_eb≫φ_T, поэтому формулу (1) можно представить в виде:

или

а также, исходя из предположения α_N≈1, ток коллектора будет равен току эмиттера I_k≅I_e.Simplifications are allowed in formulas (1), (2). If bipolar drift transistors are used, then the coefficient α ₁ ≈0, and U _eb ≫φ _T , therefore, formula (1) can be represented as:

or

and also, based on the assumption α _N ≈1, the collector current will be equal to the emitter current I _k ≅I _e .

Обозначив через U₀ напряжение стока полевого транзистора 6, а через I₀ - ток стока полевого транзистора 6, запишем уравнения баланса токов и напряжений для схемы, приведенной на фиг.1:
U_o-I_k1(R2+R4)-I_нR4=U_еb1, (5)
U_ев1-U_еb2=I_k2R5, (6)
I_o=I_k1+I_k2, (7)
I_н=k₁(U_o-I_k1R4-I_k2R3)² (8)

где R2 - номинал резистора 3, R3 - номинал резистора 9, R4 - номинал резистора 5, R5 - номинал резистора 10; U_eb1 - напряжение на переходе эмиттер-база транзистора 1, U_eb2 - напряжение на переходе эмиттер-база транзистора 2 I_k1 и I_k2 - токи коллектора (эмиттера) транзисторов 1 и 2 соответственно; I_н - ток нагрузки, К₁ - коэффициент,
Если подставить формулу (5) в выражение (8), то получим

Используя выражения (6), (7) и (9), можно исключить I_k2.Denoting through U ₀ the drain voltage of the field-effect transistor 6, and through I ₀ - the drain current of the field-effect transistor 6, we write the balance equations of currents and voltages for the circuit shown in Fig. 1:
U _o -I _k1 (R2 + R4) -I _n R4 = U _еb1 , (5)
U _ev1 -U _еb2 = I _k2 R5, (6)
I _o = I _k1 + I _k2 , (7)
I _n = k ₁ (U _o -I _k1 R4-I _k2 R3) ² (8)

where R2 is the value of resistor 3, R3 is the value of resistor 9, R4 is the value of resistor 5, R5 is the value of resistor 10; U _eb1 - voltage at the emitter-base junction of transistor 1, U _eb2 - voltage at the emitter-base junction of transistor 2 I _k1 and I _k2 - collector (emitter) currents of transistors 1 and 2, respectively; I _n - load current, K ₁ - coefficient,
If we substitute formula (5) into expression (8), we obtain

Using expressions (6), (7) and (9), I _k2 can be eliminated.

Далее определяют чувствительности I_н по соответствующим параметрам схемы: температуре Т и номиналам резисторов и приравнивают нулю. В результате находится одно из оптимальных решений:
R4≈К^-1/2; R3≈1,0...1,3; R2≈0,01R5. (11)
При выполнении условий (11) достигается наименьшая чувствительность тока нагрузки к изменению температуры, напряжения питания и разбросу параметров резисторов. В случае трудности с определением коэффициента K₁ его можно выбирать в диапазоне 40-50 Ом, исходя из формулы (11). Можно отметить, что в отличие от большинства известных схем источников стабильного тока нагрузки предлагаемое устройство обеспечивает стабилизацию тока при изменении питающего напряжения, начиная с 1,5 В, что позволяет использовать его в переносных измерительных устройствах, питаемых от низковольтных аккумуляторов или элементов.Next, the sensitivity I _n is determined by the corresponding parameters of the circuit: temperature T and the values of the resistors and equal to zero. As a result, one of the optimal solutions is found:
R4≈K ^-1/2 ; R3≈1.0 ... 1.3; R2≈0.01R5. (eleven)
When conditions (11) are met, the smallest sensitivity of the load current to changes in temperature, supply voltage, and the spread of resistor parameters is achieved. In case of difficulty in determining the coefficient K ₁ it can be selected in the range of 40-50 Ohms, based on the formula (11). It can be noted that, unlike most known schemes of sources of stable load current, the proposed device provides current stabilization when the supply voltage changes, starting from 1.5 V, which allows it to be used in portable measuring devices powered by low-voltage batteries or cells.

Claims

A stabilized direct current source containing two bipolar transistors of different conductivity types, the emitter of the first transistor connected to the base of the second transistor and the first output of the first thermostable resistor, characterized in that two unipolar transistors are introduced, the first of which is used to amplify the power, the source is connected to the collector of the first bipolar transistor and the first output of the second thermostable resistor, the second output of which is connected to a common bus and through the third thermostabi the first resistor - with the emitter of the second bipolar transistor, the collector of which is connected to the first output of the variable resistor, the middle output of which is connected to the gate of the first unipolar transistor, the drain of which is connected to the first output of the load, the second output of which is connected to the gate of the second unipolar transistor, the second output of the source resistor and a voltage source, wherein the first terminal of the source resistor is connected to the source of the second unipolar transistor, the drain of which is connected to the second terminals of the first of heat-stable and variable resistors.