7 схем импульсных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов.

Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа.

Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия.

После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, C3.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ.

Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм.

Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм.

Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5…7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18…20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе C3 минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8…10В, увеличив величину резистора R7 и установив новое значение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе ѴТЗ, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно использовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходимую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

• Входное напряжение, В — 15…25.
• Выходное напряжение, В — 5.
• Максимальный ток нагрузки, А — 4.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.
• КПД, %, не ниже — 60.
• Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц—20.

Улучшенный вариант импульсного стабилизатора на +5В

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

Рис. 3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5).

Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2.

Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью уменьшения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выходной фильтр, а емкость конденсатора С2 увеличить в 5. .. 10 раз (параллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею).

Цепь R2, С2 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резистора R3 увеличить до 820 Ом.

Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 6 до 25 6 ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт).

Подключением нижнего по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсатора С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор.

Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной.

Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравнению с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Конденсатор С2 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора ѴТЗ в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается.

Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рассеиваемая мощность в 1,5…2 раза превышает минимально достижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода питания) напряжения смещения на эмиттер транзистора ѴТ2 (см. рис. 3).

Необходимую величину напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Схема преобразователя со стабильным напряжением смещения

Для получения стабильного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBыx + U VD1.

Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

Рис. 4. Схема модифицированного импульсного стабилизатора напряжения.

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 3) дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ.

Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35.

Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

DC стабилизатор напряжения с ШИМ

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 5) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в, но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потребляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происходит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1.

Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

Рис. 5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%.

Технические характеристики стабилизатора:

• Входное напряжение — 15…25 В.
• Выходное напряжение — 12 В.
• Номинальный ток загрузки — 1 А.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 1 А — 0,2 В. КПД (при UBX =18 6, Ін=1 А) — 89%.
• Потребляемый ток при UBX=18 В в режиме замыкания цепи нагрузки — 0,4 А.
• Выходной ток короткого замыкания (при UBX =18 6) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конденсатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приведет к закрыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор С3, снижающий частоту колебательного процесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, открыванию транзистора ѴТ4 и закрыванию ключевого элемента.

Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD1 и VD2 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки. Транзистор ѴТ1 следует установить на теплоотводе размерами 40×25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавливают выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора ѴТ4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используемому в схеме на рис. 2.

Импульсный стабилизатор напряжения с КПД преобразования 69…72%

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6) состоит из узла запуска (R3, VD1, ѴТ1, VD2), источника опорного напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (ѴТ2, DD1.2, ѴТ5), транзисторного ключа (ѴТЗ, ѴТ4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6). Частота переключения индуктивного накопителя энергии в зависимости от тока нагрузки находится в пределах 1,3…48 кГц.

Рис. 6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69…72%.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм.

Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2 0,41. Можно применить также кольцевые ферритовые магнитопроводы с зазором.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 б и КПД преобразования 69…72%. Коэффициент стабилизации — 500.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теплоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения на 12В

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при входном напряжении 20…25 В обеспечивает на выходе стабильное напряжение 12 В при токе нагрузки 1,2 А.

Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Рис. 7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малыми пульсациями.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А] ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

Источник: Шустов М. А. — Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Схемы маломощных стабилизаторов напряжения (5В, до 1А)

Для питания различных радиоэлектронных устройств на цифровых микросхемах часто требуются источники питания с различным выходным напряжением, для микросхем ТТЛ — 5 В ±5%, ЭСЛ — 5,2 В ±5%, а для КМОП—9 В ±10%. Для этих целей используют стабилизаторы напряжения на транзисторах, что ведет к увеличению числа деталей, размеров всего устройства и снижению его экономичности. При конструировании такой аппаратуры некоторые элементы микросхем нередко остаются неиспользованными. Тем не менее они все равно потребляют энергию (за исключением элементов КМОП). Между тем эти элементы можно с успехом использовать в составе линейного стабилизатора напряжения, сократив, таким образом, общее число транзисторов или улучшив показатели стабилизатора.

Схема такого стабилизатора напряжения с применением элемента ТТЛ приведена на рис. 93 [11]. В нем нет традиционного стабилитрона, эффект стабилизации осуществляется за счет специфического режима работы логического элемента, о чем уже говорилось ранее. Элемент DD1.1 выполняет функции сравнивающего устройства, a DD1.2 и DD1.3 работают как усилители напряжения постоянного тока. Для согласования мощного выходного регулирующего транзистора ѴТІ с элементом служит транзистор ѴТ2. Для устойчивой работы стабилизатора в нем применена местная ООС по высокой частоте через конденсатор С1.

Основные параметры такого стабилизатора:

• напряжение стабилизации 4… 5,5 В;
• максимальный ток нагрузки 1 А;
• коэффициент стабилизации 70;
• выходное сопротивление 0,02 Ом.

Если стабилизатор работает на ток нагрузки не более 0,5 А, то транзистор VT1 может быть типа ГТ402 — ГТ402Г. Можно также применить транзисторы КТ814А — КТ814Г, но в этом случае сопротивление резистора R3 следует увеличить в 2 … 3 раза. Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого выходного напряжения подбором резистора R1.

К его недостаткам можно отнести относительно узкий интервал выходного напряжения (4… 5,5 В) и невысокую температурную стабильность выходного напряжения.

В подобных стабилизаторах напряжения можно использовать и элементы КМОП, но только как линейные усилители и совместно со стабилитронами. При последовательном включении элементов КМОП можно добиться большого коэффициента стабилизации.

Рис. 93. Схема стабилизатора напряжения (а) и его монтажная плата (б)

Схема такого варианта стабилизатора приведена на рис. 9.4,а. Его основные параметры: выходное напряжение 7…10 В; максимальный ток нагрузки 0,3 А; коэффициент стабилизации 1000; выходное сопротивление 0,05 Ом.

Суть действия такого стабилизатора заключается в следующем. После подачи на его вход напряжения выходное напряжение начнет увеличиваться, и когда оно достигнет примерно 4,7 В (напряжение стабилизации стабилитрона VD1), на входе элемента начнет появляться напряжение. Когда оно достигнет напряжения, соответствующего линейному участку передаточной характеристики, стабилизатор и элемент DD1.2 начнут работать как усилители постоянного напряжения. Для согласования выхода элемента DD1.2 с регулирующим транзистором VT1 служит транзистор VT2. Если выходное напряжение увеличивается, то увеличивается и напряжение на входе элемента DD1.1, причем в процентном отношении значительнее, чем на выходе стабилизатора. Это изменение усиливается, что приводит к увеличению напряжения на выходе элемента DD1.2. Это в свою очередь приведет к открыванию транзистора VT2, закрыванию VT1, т. е. уменьшению выходного напряжения. Таким образом, выходное напряжение будет стабилизироваться.

Монтажная плата стабилизатора приведена на рис. 94,6. Его налаживание сводится к установке требуемого значения выходного напряжения подстроенным резистором R2. При этом, если использовать элементы микросхем серий 561 или 564, выходное напряжение может быть в пределах 3… 16 В. В этом случае стабилитрон должен ыть с другим напряжением стабилизации, которое можно определить по приближенной формуле Uст ~ 0,3Uвих, где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона; UBux — выходное напряжение стабилизатора.

Сопротивление резистора R2 следует выбирать исходя из значения номинального тока стабилизации используемого стабилитрона.

Рис. 94. Схема (а) и монтажная плата (б) стабилизатора напряжения на микросхеме серии 176

Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.

Принцип действия и применение

Регулятор — это устройство, которое поддерживает постоянную и регулируемую мощность на выходных клеммах через нагрузку. Из-за колебаний напряжения и небаланса нагрузки очень важно поддерживать постоянное напряжение на стороне нагрузки. Колебания напряжения влияют на работу устройства и, следовательно, на схему. Если система состоит из чувствительных нагрузок, таких как электронные устройства, очень важно поддерживать постоянное напряжение нагрузки. Качество электроэнергии также является проблемой при работе с чувствительными нагрузками, поскольку нежелательные гармоники повреждают нагрузку и вызывают нежелательные потери. Регулятор поддерживает напряжение нагрузки постоянным и свободным от гармоник. Далее они классифицируются в зависимости от конфигурации и области применения. В усовершенствованных регуляторах вместо транзистора можно использовать другие компоненты, управляемые током, такие как MOSFET, IGBT. В этой статье обсуждается обзор последовательного стабилизатора напряжения на транзисторах и его работа.

Последовательный регулятор напряжения на транзисторах можно определить как устройство, поддерживающее выходное напряжение на постоянном уровне. Как показано на рисунке, в качестве регулирующего элемента выступает последовательный стабилизатор напряжения на транзисторах. Он принимает нерегулируемый вход и обеспечивает регулируемый выход.

Блок-схема

Встроенный в интегральную схему (ИС) чип поддерживает постоянное напряжение нагрузки при любых изменениях входного напряжения. Он работает по принципу транзистора, который изменяет свое сопротивление при изменении напряжения смещения. Он использует стабилитрон для поддержания постоянного напряжения базы транзистора. Он часто используется в электронных схемах, таких как регуляторы напряжения, адаптеры, схемы выпрямителей и т. д., для обеспечения регулируемого выходного напряжения. Регулятор подключается последовательно и шунтирует нагрузку в зависимости от применения.

Транзисторный регулятор напряжения в рабочем состоянии

Как показано на рисунке, транзисторный регулятор напряжения состоит из следующих компонентов.

Схема цепи

 

Транзистор (Q1) — помогает изменять сопротивление цепи для поддержания постоянного напряжения. Его клеммами являются база, эмиттер и коллектор. Зенеровский диод подключен к базе транзистора, а вход подается со стороны коллектора. Нагрузка подключена к эмиттеру. Пусть VBE будет напряжением база-эмиттер.

Стабилитрон — Зенеровский диод, как показано на принципиальной схеме, подключен к базе транзистора. Диод Зенера используется для установки фиксированного опорного напряжения на базе транзистора. Напряжение на стабилитроне Vz всегда остается постоянным независимо от изменения входного напряжения.

Последовательное сопротивление Rs — Последовательное сопротивление RS используется для ограничения тока через стабилитрон.

Сопротивление нагрузки RL – это сопротивление нагрузки, подключенной к выходным клеммам.

Рабочий

• Предположим, что входное напряжение, подаваемое на клеммы, равно 12 В. Это нерегулируемое напряжение питания постоянного тока, подаваемое на входные клеммы. Предположим, что напряжение пробоя стабилитрона равно 9 В. Это означает, что стабилитрон начинает проводить ток при напряжении 9 В. Поскольку стабилитрон подключен к базе транзистора, 9 В становится опорным напряжением для базы транзистора, что является фиксированным значением.
• Напряжение на нагрузке, т. е. выходное напряжение представляет собой разность напряжений между напряжением на стабилитроне и напряжением на базе-эмиттере. То есть это может быть дано как
  В0 = ВЗ – ВБЭ
• Напряжение между базой-эмиттером представляет собой проводящее напряжение транзистора, значение которого равно 0,7 В. Поскольку входное напряжение составляет 12 В, выходное напряжение становится равным 9 – 0,7 = 8,3 В в соответствии с приведенным выше уравнением.
• Теперь, если происходит увеличение входного напряжения, скажем, на 12,5 В, то первоначально увеличивается и напряжение на нагрузке. Оно увеличивается до 8,7 В. Но стабилитрон поддерживает напряжение постоянным на уровне 9 В.
• Поэтому напряжение на транзисторе становится меньше 0,7 В. Для этого увеличивается сопротивление коллектор-эмиттер. (Это свойство транзистора, переходное сопротивление). Следовательно, теперь выходное напряжение остается постоянным на уровне 8,3 В.
• Теперь рассмотрим случай снижения входного напряжения. Уменьшение входного напряжения сначала уменьшит напряжение нагрузки. Но опять же, напряжение нагрузки должно поддерживаться постоянным. На этот раз сопротивление между коллектором и эмиттером уменьшается, что увеличивает напряжение база-эмиттер. Можно отметить, что транзистор коллектор-эмиттер
• Сопротивление изменяется в соответствии с изменением входного напряжения. Это происходит благодаря принципу работы транзистора и фиксированному напряжению, обеспечиваемому стабилитроном.
• В обоих случаях при изменении входного напряжения напряжение нагрузки остается постоянным. Отсюда видно, что при изменении входного напряжения выходное напряжение остается постоянным. Вот так в роли регулирующего элемента выступает транзисторный последовательный регулятор напряжения

Эксперимент с регулятором напряжения серии транзисторов

В этом эксперименте проверяются свойства элемента регулятора. В этом эксперименте в цепь подается нерегулируемый источник постоянного тока. И на основе напряжения стабилитрона проверяется выходное напряжение на нагрузке. Выполняются увеличение и уменьшение входного напряжения и проверяется постоянное выходное напряжение. Далее проверяют регулирующий элемент, объединяя его с выпрямителем. Это означает, что вход переменного тока подается на выпрямитель, который преобразует переменный ток в импульсный постоянный ток на основе принципа выпрямителя. Импульсный постоянный ток снова подается на транзисторный последовательный регулятор напряжения, и наблюдается постоянное выходное напряжение постоянного тока.

Классификация регуляторов напряжения

В зависимости от способа подключения транзистора к нагрузке регуляторы напряжения классифицируются как

• Последовательный регулятор напряжения — в этой схеме транзистор соединен последовательно с нагрузкой
• Шунтовой регулятор напряжения — в этой схеме транзистор подключен параллельно нагрузке

Аналогичным образом, в зависимости от вариаций схемы, они далее классифицируются как

• Регулятор линии. В этой цепи изменения в линии регулируются цепями. Изменения в линии указывают на изменения в напряжении питания. Колебания напряжения питания могут быть вызваны незначительными неисправностями или гармоническими интерпретациями.
• Регулятор нагрузки — в этой схеме изменения нагрузки регулируются схемой. Изменение нагрузки может быть вызвано изменением констант цепи или внезапным добавлением или удалением запроса нагрузки

Преимущества и недостатки регулятора напряжения

Преимущества:

• Регулируемое выходное напряжение получается из этой схемы.
• Низкий уровень шума, меньшая пульсация и стабильная работа.
• Компоненты, необходимые для сборки схемы, легко доступны.
• Не имеет электромагнитных помех.
• Быстрое время отклика при любых изменениях линии или нагрузки

Недостатки

• КПД схемы меньше
• Так как много рассеивается, требуются радиаторы.
• В регуляторах напряжения выходное напряжение всегда меньше входного.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ на полевых транзисторах и MCQ на транзисторах

Часто задаваемые вопросы

1). Можно ли использовать транзистор в качестве регулятора напряжения?

Да, транзистор вместе с стабилитроном, подключенным к его базе, действует как регулятор напряжения.

2). Как работает шунтирующий регулятор напряжения?

В шунтирующем регуляторе напряжения транзистор подключен параллельно нагрузке. Вместе со стабилитроном он обеспечивает регулируемое выходное напряжение по транзисторному принципу.

3). Какой тип регулятора более эффективен?

По сравнению с последовательными и параллельными регуляторами напряжения, последовательные регуляторы напряжения более эффективны. В целом импульсные регуляторы напряжения считаются наиболее эффективными регуляторами напряжения

4). Где находится регулятор напряжения?

Регулятор напряжения расположен между линией и нагрузкой.

5). Каково назначение регулятора напряжения?

Регулятор напряжения используется для обеспечения регулируемого напряжения на стороне нагрузки. Независимо от изменений нагрузки или изменений в линии выходное напряжение остается постоянным.

Таким образом, мы увидели принцип работы последовательного транзисторного регулятора напряжения, его применение, а также преимущества и недостатки. Эта схема является одной из наиболее широко используемых интегральных схем в области электротехники и электроники. С появлением устройств силовой электроники транзистор был заменен силовыми электронными устройствами, а также передовыми методами модуляции для поддержания постоянного выходного напряжения. Вот вам вопрос, а почему транзисторы называют токоуправляемыми приборами?

Регулятор напряжения серии

и регулятор напряжения шунта

Содержание

1

Описание:

Регулятор напряжения серии и регулятор напряжения шунта-  В этой статье мы подробно обсудим регуляторы напряжения серии и шунта.

Регулирование напряжения

Примерный источник питания всегда имеет постоянное напряжение на выходных клеммах, независимо от значений принимаемого тока (или в пределах его номинального тока, независимо от величины нагрузки, к которой он подключен). Однако выходные напряжения в практическом источнике питания изменяются в зависимости от величины его тока нагрузки (обычно с увеличением тока нагрузки напряжения источника питания уменьшаются или падают). Спецификации источника питания также содержат номинальные токи полной нагрузки (I _FL ), что является максимальным током, получаемым через источник питания. Когда достигается полный ток нагрузки, в этот момент напряжения на клеммах источника питания называются напряжениями полной нагрузки (V _FL ). Напряжения холостого хода (V _NL ) представляют собой напряжения на клеммах разомкнутой цепи, т. е. когда от источника питания не поступает ток (нулевой ток), напряжения на клеммах источника питания в это время называются напряжениями без нагрузки. На рисунке 1 показаны режимы питания без нагрузки и при полной нагрузке.

Измерение эффективности источника питания, с помощью которого можно определить, насколько лучше источник питания, позволяет источнику питания поддерживать постоянное напряжение между состояниями холостого хода и полной нагрузки. Его процентное напряжение называется регулированием. (Процентное значение регулирования напряжения правильного источника питания равно нулю) т.е.

Рисунок 1

Регуляторы напряжения

максимально возможную степень. Ее также называют системой управления с обратной связью, поскольку она обеспечивает обратную связь посредством проверки выходных напряжений. Он компенсирует любую тенденцию выходного напряжения и автоматически увеличивает или уменьшает напряжение питания в соответствии с требованиями. Таким образом, задача регулятора состоит в устранении любых изменений выходного напряжения (которые могут возникнуть в результате изменения нагрузки, изменения входного напряжения или изменения температуры).

Существует два типа регуляторов напряжения.

1. Регулятор напряжения серии
2. Шунтирующий регулятор напряжения

Регулятор напряжения серии

Регулятор, управляющий элемент (обычно транзистор), который монтируется в ряд входного и выходного напряжения, называется последовательным регулятором напряжения.

На рис. 2 показана функциональная блок-схема регулятора последовательного типа. Функциональная схема работает как полезная модель, чтобы можно было легко понять принципы модели последовательного регулятора. Выход определяет изменения в простой цепи, выходное напряжение, детектор ошибок сравнивает простое напряжение с эталонным напряжением и, таким образом, подает сигналы на управляющий элемент для поддержания постоянного выходного напряжения. Наряду с фильтрующим конденсатором нерегулируемый вход постоянного тока, подаваемый через выпрямитель (показан как V _в на схеме), передается на управляющий элемент, установленный в регуляторе, на выходе которого вырабатываются регулируемые выходные напряжения ( В ₀ ). Элемент управления представляет собой устройство, с помощью которого получают постоянное выходное напряжение, регулируя его рабочее состояние в соответствии с потребностями. Поскольку управляющий элемент устанавливается последовательно между (V _в ) и (V ₀ ), поэтому такой тип регулятора также называют регулятором напряжения последовательного типа. Схема дискретизации создает обратную связь, пропорциональную выходному напряжению (V ₀ ). Эти обратные связи принимаются схемой компаратора в виде сигнала, который путем взаимного сравнения опорного сигнала и сигнала обратной связи выдает свой выход на управляющий элемент в виде управляющего сигнала. Этот управляющий сигнал регулирует рабочее состояние управляющего элемента.

Например, если V ₀ уменьшается из-за увеличения нагрузки, компаратор выдает такой выход (или выдает такой управляющий сигнал), за счет которого увеличивается управляющий элемент (V ₀ ). Другими словами, Vo автоматически увеличивается до тех пор, пока схема компаратора, обнаруживая новые изменения между сигналом обратной связи и опорным напряжением, не начнет подавать новый управляющий сигнал на управляющий элемент. Точно так же схема компаратора пропускает такой управляющий сигнал на управляющий элемент в результате увеличения V ₀ (за счет снижения нагрузки), в результате чего V ₀ уменьшается. Для дальнейшего пояснения блок-схема последовательного регулятора напряжения показана на рисунке 3 9.0003

 

Рисунок 2

 

Рисунок 3

Последовательный регулятор напряжения на транзисторах

На рис. 4 показан простой последовательный регулятор напряжения, состоящий из транзистора. Здесь резистор NPN выполняет роль управляющего элемента, который часто называют проходным транзистором, так как благодаря проводимости он пропускает через регулятор весь ток нагрузки. Обычно это силовой транзистор, установленный на радиаторе. Стабилитрон обеспечивает опорное напряжение. Поскольку все выходное напряжение (V0) используется для обратной связи в таких типах схем, следовательно, он не содержит какой-либо схемы дискретизации.

Рисунок4

Как видно из схемы, стабилитрон обратного смещения, и обратный ток на него подается через сопротивление R. Хотя, (Vin) нерегулируемый, его значения в разумных пределах удерживаются максимальными, а значение R поддерживается на достаточно низком уровне, чтобы Зенер мог оставаться в области обратного пробоя. Таким образом, Vz остается постоянным, несмотря на изменение входного напряжения, (V _z ) остается неизменным. Если к выходному контуру применить закон Кирхгофа, мы получим следующее уравнение

V _BE = V _z – V ₀

Согласно уравнению, если (V _z ) постоянна, то изменение (V _BF ) происходит за счет любых изменение в (V ₀ ). Например, если V ₀ уменьшается, (V _BE ) обязательно должно увеличиваться (поскольку V _z постоянны). Точно так же, если V ₀ увеличивается, (V _BE ) должно уменьшаться.

При уменьшении V ₀ (V _BE ) имеет тенденцию к увеличению, за счет чего увеличивается и проводимость NPN-транзистора. Таким образом, увеличивается ток нагрузки, за счет чего происходит увеличение V0 (из-за того, что V ₀ = IL RL). Наоборот, при увеличении V ₀ (V _BE ) уменьшается, за счет чего снижается и проводимость транзистора (т.е. через него проходит малый ток), следовательно, уменьшается ток нагрузки, и, как следствие, (V ₀ ) также уменьшается.

Шунтовой регулятор напряжения

Регулятор, управляющий элемент которого расположен параллельно нагрузке, называется шунтовым регулятором (рис. 5). Для дальнейшего пояснения была показана функциональная блок-схема регулятора шунтового типа на рисунке 6. Компоненты на блок-схеме выполняют те же функции, что и компоненты последовательного регулятора. Однако следует помнить, что управляющий элемент в шунтирующем регуляторе напряжения расположен параллельно нагрузке, поэтому он называется шунтирующим регулятором. Управляющий элемент в случае изменения тока нагрузки (IL) поддерживает постоянное напряжение нагрузки на нагрузке, пропуская из себя низкий или высокий шунтирующий ток (I SB).

Figure5

Если элемент управления считать переменным сопротивлением согласно схеме, процесс элемента управления становится легко понять. Например, при уменьшении напряжения нагрузки сопротивление управляющего элемента автоматически увеличивается, поэтому в сторону управляющего элемента течет небольшой ток, и напряжения на нагрузке возрастают. И наоборот, если напряжение нагрузки увеличивается, сопротивление элемента управления становится низким, поэтому напряжение нагрузки уменьшается из-за прохождения большего тока через элемент управления.

Другими словами, сопротивление источника (R _s ) на входной или нерегулируемой стороне диаграммы; принимает форму делителя напряжения, за счет параллельного монтажа элемента управления и (R _L ) (т.е. работает как делитель напряжения). Таким образом, когда сопротивление управляющего элемента увеличивается, сопротивление параллельной комбинации увеличивается, а напряжение нагрузки также увеличивается вследствие действия делителя напряжения.

Дискретный шунтирующий регулятор напряжения

На рис. 6 показан отдельный или дискретный (состоящий из изолированных или отдельных частей) шунтирующий регулятор напряжения, в котором транзистор Q ₁ выполняет функцию шунтирующего управляющего элемента. Поскольку напряжения Зенера (V _z ) постоянны, поэтому любые изменения выходного напряжения вызывают пропорциональное изменение напряжения, параллельное (RL). Таким образом, если (V ₀ ) уменьшается, напряжение, параллельное (R _L ), также уменьшается. Поскольку напряжения, параллельные (R _L ), также являются базовыми напряжениями Q ₂ , следовательно, базовые напряжения Q ₂ также снижаются. Таким образом, проводимость Q ₂ уменьшается, за счет чего уменьшается и базовый ток Q ₁ . Таким образом, проводимость Q ₁ также уменьшается из-за низкого тока базы и, таким образом, шунтирует небольшой ток через нагрузку (через нее проходит малый ток), в результате напряжение на нагрузке увеличивается.