Site Loader
Posted on 27.01.2023

Транзистор в качестве стабилитрона

Что делать, когда нет стабилитрона на нужное напряжение?
Микромощный стабилизатор напряжения на транзисторе

Стабилизаторы с малым собственным потреблением тока зачастую оказываются весьма полезными в радиолюбительском хозяйстве, так как могут обеспечить такой важнейший показатель электронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов.
Выбор интегральных микросхем в данной нише стабилизаторов заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому на данной странице рассмотрим микромощные стабилизаторы на дискретных элементах.

А начнём со статьи, опубликованной в журнале Radio Communication, 1997, February, p.78:

Кремниевые транзисторы в диодном включении могут с успехом заменить стабилитроны малой мощности.

Для этого соединяют между собой выводы базы и коллектора, а на получившийся «диод» подают, как и на стабилитрон, обратное смещение (Рис.1).

Рис.1 Схемы включения транзистора в режиме стабилизации напряжения

Напряжение стабилизации зависит от типа транзистора и в некоторой степени от конкретного экземпляра транзистора. Для большинства транзисторов оно близко к 5…6 В. Экспериментируя с различными типами транзисторов, автор не обнаружил ни одного с напряжением стабилизации более 8 В.
Если полученное напряжение стабилизации меньше требуемого, то можно последовательно с транзистором – «стабилитроном» включить один или два кремниевых диода малой мощности (Рис.1 б) или ещё один транзистор – «стабилитрон» (Рис.1 в).

Диапазон стабилизируемых токов примерно соответствует стабилитронам с максимальной рассеиваемой мощностью 400 мВт.

P. HAWKER. Technicals Topics.

Единственное, в чём можно не согласиться с автором, так это в том, что «диапазон стабилизируемых токов примерно соответствует стабилитронам с максимальной рассеиваемой мощностью 400 мВт».
К примеру, эксперименты, давным давно проведённые с транзисторами КТ315, показали, что даже при малых токах (порядка 100 мкА) транзисторы прекрасно работают в качестве стабилитронов, обеспечивая напряжение стабилизации 6…7,5 В (в зависимости от экземпляра).
Схема стабилизатора с низким собственным потреблением приведена на Рис.2.

Рис.2 Схема стабилизатора с низким потреблением на КТ315 в качестве стабилитрона

Стабилизатор, приведённый на Рис.2 имеет собственное потребление тока 100 мкА и может обеспечивать стабилизированное напряжение около 6 В при токах в нагрузке – до 20…30 мА.
Максимальный ток нагрузки зависит от β транзистора Т2, который представляет собой эмиттерный повторитель и выступает в качестве усилителя тока.

 

2.3.2. Транзисторный стабилизатор

Максимальная выходная мощность диодного стабилизатора зависит от значений и стабилитрона. Область применения таких стабилизаторов по мощности можно расширить, если использовать усилитель тока на транзисторе (рис. 4.4). Эта схема работает следующим образом. При возрастании по какой-либо причине напряжения происходит увеличение напряже­ния и напряжения , так как , а . Возрастание вызывает рост коллекторного тока , что приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе, а это компенсирует начальное возрастание . Так как при работе транзистора в активной области ток коллектора ( ) экспоненциально зависит от напряжения , то изменение , необходимое для компенсации , будет сопровождаться малым изменением напряжения . Таким образом, и будет небольшим.

Рис. 4.4. Схема стабилизатора параллельного типа

Поскольку ток нагрузки диодного стабилизатора Д—R (рис. 4.4) является базовым током управляющего транзистора, то ток нагрузки транзисторного стабилизатора может быть в раз больше, чем у схемы диодного стабилизатора.

Рассматривая схему как линейную, можно показать, что

. (4.10)

Выходное сопротивление

, (4.11)

где и – соответственно сопротивление эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление эмиттера транзистора существенно зависит от эмиттерного тока, который, в свою очередь, определяется током нагрузки. С уменьшением эмиттерного тока выходное сопротивление стабилизатора увеличивается, что приводит к ухудшению стабилизирующих свойств схемы. Уменьшать можно, применяя более мощный транзистор и увеличивая ток эмиттера. Заметим, что последнее приводит к ухудшению КПД схемы.

На рис. 4.5 показана схема стабилизатора последовательного типа (регулирующий транзистор включён последовательно с нагрузкой), который представляет собой эмиттерный повторитель. Источником опорного напряжения в этой схеме является стабилитрон

Д. Выходное напряжение стабилизатора .

Рис. 4.5. Схема стабилизатора последовательного типа

Схема работает следующим образом. При возрастании по какой-либо причине выходного напряжения (возрастает или увеличится ), происходит уменьшение отпирающего напряжения транзистора (считаем, что падение напряжения на стабилитроне изменяется мало), что уменьшает ток эмиттера, в результате выходное напряжение изменяется мало. Коэффициент стабилизации схемы в линейном приближении равен

. (4.12)

Выходное сопротивление такой схемы определяется выражением (4.11).

Таким образом, у этой схемы и и с увеличением тока эмиттера или, что то же, с увеличением тока нагрузки уменьшается. Схема такого стабилизатора на практике применяется чаще, чем схема с параллельным включением регулирующего транзистора, так как она имеет больший КПД и позволяет использовать менее мощный транзистор. К недостаткам однокаскадных транзисторных схем следует отнести сравнительно высокое выходное сопротивление.

В двухкаскадном стабилизаторе последовательного типа (рис. 4.6а) транзистор Т1 является регулирующим, а транзистор Т2 – сравнивающим и усиливающим. Источником опорного напряжения является стабилитрон. При увеличении выходного напряжения сигнал ошибки воздействует на вход транзистора Т2 (напряжение считается постоянным), вызывая увеличение тока . Это приводит к уменьшению базового и эмиттерного тока транзистора Т1. В свою очередь, уменьшение эмиттерного тока Т1 приводит к уменьшению .

Обычно минимальный рабочий ток стабилитрона больше тока базы транзистора Т2, поэтому вводят дополнительную токопроводящую цепь через (на рис. 4.6а эта цепь показана пунктиром). Чтобы избежать применения токопроводящей цепи, стабилитрон можно включить не в базовую, а в эмиттерную цепь усилительного транзистора (рис. 4.6б).

Рис. 4.6а. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа

Рис. 4.6б. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа со стабилитроном в цепи эмиттера

Анализ двухкаскадного стабилизатора удобно проводить, рассматривая обобщённую схему рис. 4.7.

Рис. 4.7. Обобщённая схема двухкаскадного стабилизатора

В ней учтено, что на рабочем участке стабилитрон можно представить резистором, номинал которого равен дифференциальному сопротивлению стабилитрона. Используя обобщённые матричные методы анализа, можно показать, что коэффициент стабилизации выходного напряжения обобщённой схемы рис. 4.7

, (4.13)

здесь .

При выводе выражения (4.13) учтено, что для стабилизаторов напряжения стабилизатора.

Выходное сопротивление стабилизатора (рис. 4.7)

, (4.14)

здесь .

Как видно из выражений (4.13) и (4. 14), повышение эффективности работы двухкаскадных последовательных стабилизаторов напряжения может быть достигнуто за счёт уменьшения , и увеличения . Заметим, что, изменяя коэффициент деления делителя , , можно изменять величину номинального выходного напряжения.

Транзистор

Pass увеличивает выходной ток регулятора