О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Для работы электронной аппаратуры необходимо напряжение, обладающие точно заданными характеристиками. Но в промышленной сети напряжение постоянно меняется. Его уровень зависит от подключенных в систему предприятий, зданий и оборудования. Функционирование любого прибора напрямую зависит от напряжения, колебания данного параметра влияют на качество работы, например, при перепадах приемник может начать хрипеть или гудеть. Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе.

Стабилизатор импульсного типа

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.

Схема и график работы стабилизатора

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

Два простых стабилизатора

Принципы расчета характеристик

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:

Uвх=Uвых+ 3, где 3 – это коэффициент падения напряжение на переходе коллектор – эмиттер.

Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.

Далее следует рассчитать максимальную мощность Pmax, которую будет рассеивать транзистор:

• Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax=1.3(17-14)=3.9 Вт;
• Pmax=1.3(Uвх-Uвых1)Imax=1.3(17-1.5)=20,15 Вт.

Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ817.

Важно! Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток – больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Схема на полевом транзисторе

Теперь нужно учесть Iб max – ток базы самого транзистора:

Iб max=Imax/h31Э min, где h31Э min – коэффициент передачи тока (в нашем случае эта величина равна 25).

Iб max=1/25=0.04 А.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле – 0.04 А. По этим показателям подходит Д814Д, но в этом случае ток базы будет составлять 0,005 А, то есть надо понизить выходные значение. Для этого используется второй транзистор (КТ315). За счет его использования нагрузка уменьшится на величину максимального коэффициента передачи тока второго транзистора (у нас h31Э=30). Таким образом, ток будет составлять 0,04/30=0,00133 мА.

Теперь определим показатели для Rб – балластного резистора:

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)=(17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом, где:

• Iст min – ток стабилизации;
• Uст – напряжение стабилизации стабилитрона.

Затем считаем балластную мощность:

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб=(17-14)2/473=0,02 Вт.

Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом.

Компенсационные стабилизаторы

Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне. Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями. Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа

На схеме:

• Р – регулирующий элемент;
• И – источник опорного (эталонного) напряжения;
• ЭС – элемент сравнения;
• У – усилитель постоянного тока.

Выходное напряжение для последовательного стабилизатора определяется по вышеуказанной формуле, где R4’ и R4’’, соответственно, верхняя и нижняя величина резистора R4. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Между базой и эмиттером VT2 напряжение определяется как разность UОП и UРЕГ. Если на нагрузке идет рост напряжения, то UРЕГ увеличивает и эмиттерные, и коллекторные токи VT2. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5. Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона.

Типовая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа

В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением. Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:

U1=U0–IBXR1=const.

Важно! КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко.

Импульсные стабилизаторы

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Схема импульсного стабилизатора

Алгоритм работы следующий:

1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео

Оцените статью:

Транзисторные стабилизаторы с защитой от перегрузки (теория)

Транзисторные стабилизаторы с защитой от перегрузки (теория)

категория

Источники питания

материалы в категории

А. МОСКВИН, г. Екатеринбург
Радио, 2003 год, № 2- 3

О стабилизаторах напряжения непрерывного действия написано, кажется, все. Тем не менее разработка надежного и не слишком сложного (не более трех-четырех транзисторов) стабилизатора, особенно с повышенным током нагрузки, — достаточно серьезная задача, потому что на одно из первых мест выдвигается требование надежной защиты регулирующих транзисторов от перегрузки. При этом желательно, чтобы после устранения причины перегрузки нормальная работа стабилизатора восстановилась автоматически. Стремление выполнить эти требования зачастую приводит к значительному усложнению схемы стабилизатора и заметному уменьшению его КПД. Автор предлагаемой статьи пытается найти оптимальное, по его мнению, решение.

Прежде чем искать оптимальное решение, проанализируем нагрузочные характеристики Uвых = f(Iвых) стабилизаторов напряжения, выполненных по наиболее распространенным схемам. У стабилизатора, описанного в [1], при перегрузке выходное напряжение Uвых быстро снижается до нуля. Однако ток при этом не уменьшается и может быть достаточным, чтобы повредить нагрузку, да и мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, иногда превышает допустимую. В [2] подобный стабилизатор дополнен триггерной защитой. При перегрузке уменьшается не только выходное напряжение, но и ток. Однако защита недостаточно эффективна, так как срабатывает лишь после падения выходного напряжении ниже 1 В и при некоторых условиях не устраняет тепловой перегрузки регулирующего транзистора. Чтобы возвратить подобный стабилизатор в рабочий режим, необходимо практически полностью отключить нагрузку, а это не всегда приемлемо, особенно для стабилизатора, служащего составной частью более сложного устройства.

Защита стабилизатора, схема которого изображена на рис. 1, срабатывает уже при небольшом уменьшении выходного напряжения, вызванном перегрузкой. Номиналы элементов схемы даны для выходного напряжения 12 В в двух вариантах: без скобок, если VD1 — Д814Б, и в скобках, если он — КС139Е. Краткое описание работы подобного стабилизатора имеется в [3].

Его хорошие параметры объясняются тем, что все необходимые сигналы сформированы из стабилизированного выходного напряжения, а оба транзистора (регулирующий VT1 и управляющий VT2) работают в режиме усиления напряжения. Экспериментально снятые нагрузочные характеристики этого стабилизатора приведены на

рис. 2(кривые 3 и 4).

При отклонении выходного напряжения от номинала его приращение через стабилитрон VD1 передается на эмиттер транзистора VT2 почти полностью. Если не учитывать дифференциальное сопротивление стабилитрона, ΔUэ ≈ ΔUвых. Это — сигнал отрицательной ОС. Но в устройстве имеется и положительная. Ее создает часть приращения выходного напряжения, поступающая на базу транзистора через делитель напряжения R2R3:

Суммарная обратная связь в режиме стабилизации — отрицательная, сигналом ошибки служит величина,

которая по абсолютной величине тем больше, чем меньше R3 по сравнению с R2. Уменьшение этого отношения благоприятно сказывается на коэффициенте стабилизации и выходном сопротивлении стабилизатора. Учитывая, что

стабилитрон VD1 следует выбирать на максимально возможное, но меньшее выходного напряжение стабилизации.

Если заменить резистор R3 двумя включенными в прямом направлении и соединенными последовательно диодами (как предложено, например, в [4]), параметры стабилизатора улучшатся, так как место R3 в выражениях для ΔUб и ΔUбэ займет малое дифференциальное сопротивление открытых диодов. Однако подобная замена приводит к некоторым проблемам при переходе стабилизатора в защитный режим. На них остановимся ниже, а пока резистор R3 оставим на прежнем месте.

В режиме стабилизации падение напряжения на резисторе R1 остается практически неизменным. Ток, протекающий через этот резистор, — сумма тока стабилитрона VD1 и тока эмиттера транзистора VT2, практически равного току базы транзистора VT1. С уменьшением сопротивления нагрузки последняя составляющая тока, текущего через R1, растет, а первая (ток стабилитрона) — уменьшается вплоть до нулевого значения, после чего приращение выходного напряжения больше не передается на эмиттер транзистора VT2 через стабилитрон. В результате цепь отрицательной ОС оказывается разорванной, а продолжающая действовать положительная ОС приводит к лавинообразному закрыванию обоих транзисторов и отсечке тока нагрузки. Ток нагрузки, при превышении которого срабатывает защита, можно оценить по формуле

где h31э — коэффициент передачи тока транзистором VT1. К сожалению, h31э имеет большой разброс от экземпляра к экземпляру транзистора, зависит от тока и температуры. Поэтому резистор R1 зачастую приходится подбирать при налаживании. В стабилизаторе, рассчитанном на большой ток нагрузки, сопротивление резистора R1 невелико. В результате ток через стабилитрон VD1 при снижении тока нагрузки возрастает настолько, что приходится применять стабилитрон повышенной мощности.

Наличие в нагрузочных характеристиках (см. кривые 3 и 4 на рис. 2) сравнительно протяженных переходных участков между рабочим и защитным режимами (заметим, эти участки — самые тяжелые с точки зрения теплового режима транзистора VT1) объясняется в основном тем, что развитию процесса переключения препятствует местная отрицательная ОС через резистор R1. Чем меньше напряжение

стабилизации стабилитрона VD1, тем больше при прочих равных условиях номинал резистора R1 и тем более «затянут» переход из рабочего в защитный режим стабилизатора.

Этот, как и ранее сделанный, вывод о целесообразности применения стабилитрона VD1 с возможно большим напряжением стабилизации подтверждается экспериментально. Выходное напряжение стабилизатора по схеме, показанной на рис. 1, со стабилитроном Д814Б (Uст = 9 В), по сравнению с аналогичным стабилитроном КС139Е (UCT = 3,9 В), значительно меньше зависит от нагрузки и он более «круто» переходит в защитный режим при перегрузке.

Уменьшить и даже полностью устранить переходный участок нагрузочной характеристики стабилизатора удается, добавив в него дополнительный транзистор VT3, как показано на рис, 3. В рабочем режиме этот транзистор находится в насыщении и практически не оказывает влияния на работу стабилизатора, лишь незначительно ухудшая температурную стабильность выходного напряжения. Когда в результате перегрузки ток стабилитрона VD1 стремится к нулю, транзистор VT3 переходит в активное состояние, а затем закрывается, создавая условия для быстрого включения защиты. Плавный переходный участок нагрузочной характеристики в этом случае отсутствует (см. кривую 1 на рис. 2).

Диоды VD2 и VD3 в рабочем режиме стабилизируют напряжение на базе транзистора VT2, что способствует улучшению основных параметров стабилизатора. Однако без дополнительного транзистора VT3 это негативно сказывается на защите, так как ослабляет положительную составляющую ОС. Переключение в защитный режим в этом случае очень затянуто и происходит только после снижения напряжения на нагрузке до величины, близкой к поддерживаемой диодами VD2 и VD3 на базе транзистора VT2 (см. кривую 2 на рис. 2).

Рассмотренные стабилизаторы обладают существенным для многих применений недостатком: остаются в защитном состоянии после устранения причины перегрузки, а нередко и при подаче напряжения питания с подключенной нагрузкой не переходят в рабочий режим. Известны различные способы их запуска, например, с помощью дополнительного резистора, установленного параллельно участку коллектор—эмиттер транзистора VT1, или (как предложено в [4]) «подпиткой» базы транзистора VT2. Проблема решается за счет компромисса между надежностью запуска под нагрузкой и величиной тока короткого замыкания, что не всегда приемлемо. Варианты узлов запуска, рассмотренные в [5] и [6], более эффективны, однако усложняют стабилизатор в целом.

Малораспространенный, но интересный способ вывода стабилизатора из защитного режима предложен в [7]. Он заключается в том, что специально предусмотренный генератор импульсов периодически принудительно открывает регулирующий транзистор, переводя стабилизатор на некоторое время в рабочий режим. Если причина перегрузки устранена, по окончании очередного импульса защита не сработает вновь и стабилизатор продолжит нормальную работу. Средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе при перегрузке, возрастает незначительно.

На рис. 4 приведена схема одного из возможных вариантов стабилизатора, работающего по такому принципу. Он отличается от описанного в [7] отсутствием отдельного узла — генератора импульсов. При перегрузке стабилизатор переходит в колебательный режим за счет положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С1. Резистор R3 ограничивает ток зарядки конденсатора, a R4 служит нагрузкой генератора при замыкании внешней нагрузки.

В отсутствие перегрузки после подачи напряжения питания стабилизатор запускается благодаря резистору R2. Так как конденсатор С1 зашунтирован соединенными последовательно открытым диодом VD2 и резисторами R3—R5, условия самовозбуждения не выполняются и устройство работает аналогично рассмотренному ранее (см. рис. 1). Во время перехода стабилизатора в защитный режим конденсатор С1 действует как форсирующий, ускоряя развитие процесса.

Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме показана на рис. 5.

При сопротивлении нагрузки Rн, равном нулю, плюсовой вывод конденсатора С1 соединен через резистор R4 с общим проводом (минусом источника входного напряжения). Напряжение, до которого конденсатор зарядился еще в режиме стабилизации, приложено к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности и поддерживает транзистор закрытым. Конденсатор разряжается током i1. текущим через резисторы R3—R5 и открытый диод VD2. Когда напряжение на базе VT1 превысит -0,7 В, диод VD2 закроется, но перезарядка конденсатора продолжится током i2, протекающим через резистор R2. По достижении небольшого положительного напряжения на базе транзистора VT2 последний, а вместе с ним и VT1 начнут открываться. За счет положительной ОС через конденсатор С1 оба транзистора откроются полностью и некоторое время останутся в таком состоянии, покв конденсатор не зарядится током i3 почти до напряжения Uвх. после чего транзисторы закроются и цикл повторится. При указанных на схеме рис. 5 номиналах элементов длительность генерируемых импульсов — единицы миллисекунд, период повторения — 100…200 мс. Амплитуда импульсов выходного тока в защитном режиме приблизительно равна току срабатывания защиты. Среднее значение тока короткого замыкания, измеренное стрелочным миллиамперметром, — примерно 30 мА.

С увеличением сопротивления нагрузки RH наступает момент, когда при открытых транзисторах VT1 и VT2 отрицательная ОС «перевешивает» положительную и генератор вновь превращается в стабилизатор напряжения. Величина RH, при которой происходит смена режимов, зависит в основном от сопротивления резистора R3. При слишком малых его значениях (менее 5 Ом) в нагрузочной характеристике появляется гистерезис, причем при нулевом сопротивлении R3 стабилизация напряжения восстанавливается лишь при сопротивлении нагрузки более 200 Ом. Излишнее увеличение сопротивления резистора R3 приводит к тому, что в нагрузочной характеристике проявляется переходный участок.

Амплитуда импульсов отрицательной полярности на базе транзистора VT2 достигает 10 В, что может привести к электрическому пробою участка база—эмиттер этого транзистора. Однако пробой обратим, а ток его ограничен резисторами R1 и R3. Работы генератора он не нарушает. При выборе транзистора VT2 необходимо также учитывать, что напряжение, приложенное к его участку коллектор—база, достигает суммы входного и выходного напряжений стабилизатора.

В действующей аппаратуре выход стабилизатора напряжения обычно зашунтирован конденсатором (С2, показан на рис. 4 штриховой линией). Его емкость не должна превышать 200 мкФ. Ограничение связано с тем, что при перегрузке, не сопровождающейся полным замыканием выхода, этот конденсатор входит в цепь положительной ОС генератора. Практически это выражается в том, что генератор «заводится» только при значительной перегрузке, а в нагрузочной характеристике появляется гистерезис.

Сопротивление резистора R4 должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем во время импульса было достаточным для открывания транзистора VT2 (≈1 В) и обеспечивало выполнение условий автогенерации при нулевом сопротивлении нагрузки. К сожалению, в режиме стабилизации этот резистор лишь уменьшает КПД устройства.

Для четкой работы защиты необходимо, чтобы при любом допустимом токе нагрузки минимальное (с учетом пульсаций) входное напряжение стабилизатора оставалось достаточным для его нормального функционирования. При проверке всех рассмотренных выше стабилизаторов с номинальным выходным напряжением 12 В источником питания служил мостовой диодный выпрямитель на 14 В с конденсатором емкостью 10000 мкФ на выходе. Напряжение пульсаций на выходе выпрямителя, измеренное милливольтметром ВЗ 38. не превышало 0,6 В.

При необходимости импульсный характер защиты можно использовать для индикации состояния стабилизатора, в том числе звуковой. В последнем случае при перегрузке будут слышны щелчки с частотой повторения импульсов.

На рис. 6 показана схема более сложного стабилизатора с импульсной защитой, в значительной мере лишенного недостатков рассмотренного в первой части статьи (см. рис. 4). Его выходное напряжение — 12 В, выходное сопротивление — 0,08 Ом, коэффициент стабилизации — 250, максимальный рабочий ток — 3 А, порог срабатывания защиты — 3,2 А, средний ток нагрузки в защитном режиме — 60 мА. Наличие усилителя на транзисторе VT2 позволяет при необходимости значительно увеличить рабочий ток, заменив транзистор VT1 более мощным составным.

Алгоритм работы защиты этого стабилизатора мало отличается от ранее описанного. В защитном режиме транзисторы VT2 и VT3 образуют генератор импульсов с частотозадающим конденсатором С1. Конденсатор С2 подавляет высокочастотную паразитную генерацию. Ухудшающий КПД последовательный резистор в выходной цепи стабилизатора (аналогичный R4, см. рис. 4) отсутствует, нагрузкой генератора служит резистор R1. Назначение диодов VD1, VD2 и транзистора VT4 аналогично элементам VD2, VD3 и VT3 в стабилизаторе по схеме, изображенной на рис. 3.

Номинал ограничительного резистора R4 может находиться в пределах от десятков ом до 51 кОм. Выход стабилизатора допускается зашунтировать конденсатором емкостью до 1000 мкФ, что приводит, однако, к возникновению гистерезиса в нагрузочной характеристике: при пороге срабатывания защиты 3,2 А измеренное значение тока возврата в режим стабилизации — 1,9 А.

Для четкого переключения режимов необходимо, чтобы с уменьшением сопротивления нагрузки ток через стабилитрон VD3 прекратился раньше, чем войдет в насыщение транзистор VT2 Поэтому номинал резистора R1 выбирают таким образом, чтобы перед срабатыванием защиты между коллектором и эмиттером этого транзистора оставалось напряжение не менее 2…3 В. В защитном режиме транзистор VT2 входит в насыщение, в результате амплитуда импульсов тока нагрузки может в 1.2…1,5 раза превышать ток срабатывания защиты. Следует учитывать, что при значительном уменьшении сопротивления R1 ощутимо возрастает рассеиваемая на транзисторе VT2 мощность.

Наличие конденсатора С1 теоретически способно привести к росту пульсации выходного напряжения стабилизатора. Однако на практике этого наблюдать не приходилось.

Выходное стабилизированное напряжение равно сумме падений напряжения на диодах VD1 и VD2, участке база—эмиттер транзистора VT4 и напряжения стабилизации стабилитрона VD3 за вычетом падения напряжения на участке база—эмиттер транзистора VT3 — приблизительно на 1,4 В больше напряжения стабилизации стабилитрона. Ток срабатывания защиты вычисляют по формуле

Благодаря дополнительному усилителю на транзисторе VT2 ток, протекающий через резистор R3, сравнительно невелик, даже при значительных расчетных токах нагрузки. Это, с одной стороны, улучшает КПД стабилизатора, но с другой — заставляет применять в качестве VD3 стабилитрон, способный работать при малых токах. Минимальный ток стабилизации показанного на схеме (см. рис. 6) стабилитрона КС211Ж — 0,5 мА.

Подобный стабилизатор, кроме своего прямого назначения, может служить ограничителем разрядки аккумуляторной батареи. Для этого выходное напряжение устанавливают таким, чтобы при напряжении батареи меньше допустимого сработала защита, предотвращая дальнейшую разрядку. Номинал резистора R6 в этом случае целесообразно увеличить до 10 кОм. В результате ток, потребляемый устройством в рабочем режиме, уменьшится с 12 до 2,5 мА. Следует иметь в виду, что на грани срабатывания защиты этот ток возрастает приблизительно до 60 мА, но с запуском генератора импульсов среднее значение тока разрядки батареи падает до 4…6 мА.

По рассмотренному принципу импульсной защиты можно строить не только стабилизаторы напряжения, но и самовосстанавливающиеся электронные «предохранители», устанавливаемые между источником питания и нагрузкой. В отличие от плавких вставок, такие предохранители можно использовать многократно, не заботясь о восстановлении после устранения причины срабатывания.

Электронный предохранитель должен выдерживать как кратковременное, так и продолжительное, полное или частичное замыкание нагрузки. Последнее нередко возникает при длинных соединительных проводах, сопротивление которых — заметная часть полезной нагрузки. Этот случай наиболее тяжел для коммутационного элемента предохранителя.

На рис. 7 приведена схема простого самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой. Принцип его работы близок к описанному выше стабилизатору напряжения (см. рис. 4), но до срабатывания защиты транзисторы VT1 и VT2 находятся в состоянии насыщения и выходное напряжение практически равно входному.

Если ток нагрузки превысил допустимое значение, транзистор VT1 выходит из насыщения и выходное напряжение начинает уменьшаться. Его приращение через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT2, закрывая последний, а вместе с ним и VT1. Выходное напряжение уменьшается еще больше, и в результате лавинообразного процесса транзисторы VT1 и VT2 оказываются закрытыми полностью. Через некоторое время, зависящее от постоянной времени цепи R1C1, они откроются вновь, однако, если перегрузка сохранилась, опять закроются. Этот цикл повторяется до устранения перегрузки.

Частота генерируемых импульсов — приблизительно 20 Гц при нагрузке, незначительно превышающей допустимую, и 200 Гц при ее полном замыкании. Скважность импульсов в последнем случае — более 100. При увеличении сопротивления нагрузки до допустимого значения транзистор VT1 войдет в насыщение и генерация импульсов прекратится.

Ток срабатывания «предохранителя» можно ориентировочно определить по формуле

Коэффициент 0,25, подобранный экспериментально, учитывает, что в момент перехода транзистора VT1 из насыщения в активный режим его коэффициент передачи тока значительно меньше номинального. Измеренный ток срабатывания защиты при входном напряжении 12 В — 0,35 А, амплитуда импульсов тока нагрузки при ее замыкании — 1,3 А. Гистерезис (разность токов срабатывания защиты и восстановления рабочего режима) не обнаружен. К выходу «предохранителя» при необходимости можно подключить блокировочные конденсаторы суммарной емкостью не более 200 мкФ, что увеличит ток срабатывания приблизительно до 0,5 А.

При необходимости ограничить амплитуду импульсов тока нагрузки в эмиттерную цепь транзистора VT2 следует включить резистор в несколько десятков ом и немного увеличить номинал резистора R3.

При неполном замыкании нагрузки возможен электрический пробой участка база—эмиттер транзистора VT2. На работу генератора это влияет незначительно, да и для транзистора опасности не представляет, так как заряд, накопленный в конденсаторе С1 перед пробоем, сравнительно невелик.

Недостатки «предохранителя», собранного по рассмотренной схеме (рис. 7), — низкий КПД из-за включенного последовательно в цепь нагрузки резистора R3 и не зависящего от нагрузки тока базы транзистора VT1. Последнее характерно и для других подобных устройств [8]. Обе причины, снижающие КПД, устранены в более мощном «предохранителе» с максимальным током нагрузки 5 А, схема которого показана на рис. 8. Его КПД превышает 90 % в более чем десятикратном интервале изменения тока нагрузки. Ток, потребляемый в отсутствие нагрузки, — менее 0,5 мА.

Для уменьшения падения напряжения на «предохранителе» в качестве VT4 применен германиевый транзистор. При токе нагрузки меньше допустимого этот транзистор находится на грани насыщения. Это состояние поддерживает петля отрицательной ОС, которую при открытом и насыщенном транзисторе VT2 образуют транзисторы VT1 и VT3. Падение напряжения на участке коллектор—эмиттер транзистора VT4 не превышает 0,5 В при токе нагрузки 1 А и 0,6 В — при 5 А.

При токе нагрузки, меньшем тока срабатывания защиты, транзистор VT3 находится в активном режиме и напряжение между его коллектором и эмиттером достаточно для открывания транзистора VT6, что обеспечивает насыщенное состояние транзистора VT2 и в конечном итоге — проводящее состояние ключа VT4. С увеличением тока нагрузки ток базы VT3 под действием отрицательной ОС увеличивается, а напряжение на его коллекторе уменьшается до закрывания транзистора VT6. В этот момент и срабатывает защита. Ток срабатывания можно оценить по формуле

где Rэкв — общее сопротивление соединенных параллельно резисторов R4, R6 и R8.

Коэффициент 0,5, как и в предыдущем случае, — экспериментальный. При замыкании нагрузки амплитуда импульсов выходного тока приблизительно в два раза больше тока срабатывания защиты.

Благодаря действию положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С2, транзистор VT6, а с ним и VT2—VT4 полностью закрываются, VT5 — открывается. Транзисторы остаются в указанных состояниях до окончания зарядки конденсатора С2 током, текущим через участок база—эмиттер транзистора VT5 и резисторы R7, R9, R11, R12. Так как из перечисленных резисторов самый большой номинал у R12, он и определяет период повторения генерируемых импульсов — приблизительно 2,5 с.

После окончания зарядки конденсатора С2 транзистор VT5 закроется, VT6 и VT2—VT4 откроются. Конденсатор С2 приблизительно за 0,06 с разрядится через транзистор VT6, диод VD1 и резистор R11. При замкнутой нагрузке коллекторный ток транзистора VT4 в это время достигает 8…10 А. Затем цикл повторится. Однако во время первого же после устранения перегрузки импульса транзистор VT3 не войдет в насыщение и «предохранитель» вернется в рабочий режим.

Интересно, что во время импульса транзистор VT6 не открывается полностью. Этому препятствует образованная транзисторами VT2, VT3, VT6 петля отрицательной ОС. При указанном на схеме (рис. 8) номинале резистора R9 (51 кОм) напряжение на коллекторе транзистора VT6 не опускается ниже 0,3Uвх.

Самая неблагоприятная для «предохранителя» нагрузка — мощная лампа накаливания, у которой сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем разогретой. Проверка, проведенная с автомобильной лампой 12 В 32+6 Вт, показала, что 0,06 с для разогрева вполне достаточно и «предохранитель» после ее включения надежно входит в рабочий режим. Но для более инерционных ламп длительность и период повторения импульсов возможно придется увеличить, установив конденсатор С2 большего номинала (но не оксидный).

Скважность генерируемых импульсов в результате такой замены останется прежней. Равной 40 она выбрана не случайно. В этом случае, как при максимальном токе нагрузки (5 А), так и при замыкании выхода «предохранителя», на транзисторе VT4 рассеивается приблизительно одинаковая и безопасная для него мощность.

Транзистор ГТ806А можно заменить другим из этой же серии или мощным германиевым, например, П210слюбым буквенным индексом. Если германиевые транзисторы отсутствуют или необходимо работать при повышенной температуре, можно использовать и кремниевые с h31э>40, например, КТ818 или КТ8101 с любыми буквенными индексами, увеличив номинал резистора R5 до 10 кОм. После такой замены напряжение, измеренное между коллектором и эмиттером транзистора VT4, не превышало 0,8 В при токе нагрузки 5 А.

При изготовлении «предохранителя» транзистор VT4 необходимо установить на теплоотвод, например, алюминиевую пластину размерами 80x50x5 мм. Теплоотвод площадью 1,5…2 см² нужен и транзистору VT3.

Первое включение устройства производите без нагрузки, и прежде всего проверьте напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4, которое должно быть приблизительно 0,5 В. Затем к выходу через амперметр подключите проволочный переменный резистор сопротивлением 10…20 Ом и мощностью 100 Вт. Плавно уменьшая его сопротивление, переведите устройство в защитный режим. С помощью осциллографа убедитесь, что переключение режимов происходит без затянутых переходных процессов, а параметры генерируемых импульсов соответствуют указанным выше. Точное значение тока срабатывания защиты можно установить подборкой резисторов R4, R6, R8 (желательно, чтобы их номиналы оставались одинаковыми). При продолжительном замыкании нагрузки температура корпуса транзистора VT4 не должна превышать допустимое для него значение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клюев Ю., Абашав С. Стабилизатор напряжения. — Радио, 1975, № 2, с. 23.
2. Попович В. Усовершенствование стабилизатора напряжения. — Радио, 1977, № 9, с. 56.
3. Поляков В. Теория: понемногу — обо всем. Стабилизаторы напряжения. — Радио, 2000, № 12,с.45,46.
4. Каныгин С. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок. — Радио, 1980. № 8. с. 45. 46.
5. За рубежом. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки. — Радио, 1984, № 9, с. 56.
6. Козлов В. Стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания и перегрузки по току. — Радио, 1998, № 5, с. 52—54.
7. Андраав В. Дополнительная защита стабилизатора от перегрева. — Радио, 2000, № 4, с. 44.
8.  Бобров О. Электронный предохранитель. — Радио, 2001, № 3, с. 54.

 

Стабилизатор тока на транзисторе

Содержание:

1. Простой стабилизатор тока на транзисторе
2. Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема
3. Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов

В процессе работы электрических сетей постоянно возникает необходимость в стабилизации тока. Данная процедура осуществляется с помощью специальных приборов, в число которых входит стабилизатор тока на транзисторе. Они широко применяются в различных электронных устройствах, а также при зарядке аккумуляторов всех типов. Стабилизаторы используются в интегральных микросхемах в качестве генераторов тока, создавая преобразовательные и усилительные каскады.

Обычные стабилизаторы тока обладают большим выходным сопротивлением, исключая тем самым влияние факторов сопротивления нагрузки и входного напряжения на величину выходного тока. Основным недостатком этих устройств является необходимость использования источника питания с высоким напряжением. В этом случае стабильность тока достигается применением резисторов с большим сопротивлением. Поэтому мощность, выделяемая резистором (P = I2 x R) при больших значениях токов может стать неприемлемой для нормальной работы системы. Гораздо лучше зарекомендовали себя стабилизаторы тока на транзисторах, которые выполняют свои функции, независимо от величины входного напряжения.

Простой стабилизатор тока на транзисторе

Наиболее простыми устройствами считаются диодные стабилизаторы. Благодаря им, электрические схемы значительно упрощаются, что приводит к снижению общей стоимости приборов. Работа схем становится более устойчивой и надежной. Эти качества сделали диодные стабилизаторы просто незаменимыми в обеспечении питания светодиодов. Диапазон напряжений, в котором они могут нормально функционировать, составляет 1,8-100 вольт. За счет этого становится возможным преодолевать импульсные и продолжительные изменения напряжения.

Поэтому свечение светодиодов может быть разной яркости и оттенков, в зависимости от тока, протекающего в цепи. Несколько таких светильников, включенных последовательно, работают в нормальном режиме при участии всего лишь одного диодного стабилизатора. Данная схема может быть легко преобразована, в зависимости от количества светодиодов и питающего напряжения. Необходимый ток задается стабилизаторами, включенными параллельно в светодиодную цепь.

Такие стабилизаторы установлены во многих конструкциях светодиодных светильников, в том числе применяется и стабилизатор тока на биполярном транзисторе. Это связано со свойствами светодиодов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, когда на светодиоде изменяется напряжение, изменение тока происходит непропорционально. При постепенном увеличении напряжения, вначале наблюдается очень медленное возрастание тока и свечение светодиода отсутствует. После достижения напряжением порогового значения свет появляется и одновременно наблюдается очень быстрый рост тока.

Если напряжение продолжает увеличиваться, наступает критическое возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода. Поэтому значение порогового напряжения всегда указывается в числе характеристик светодиодных источников света. Светодиоды повышенной мощности выделяют много тепла и должны подключаться к специальным теплоотводам.

В связи с широким разбросом порогового напряжения, все светодиоды должны подключаться к источнику питания через стабилизатор. Даже у однотипных светодиодов может быть разное прямое напряжение. Следовательно, при параллельном подключении двух источников света, через них будет проходить разный ток. Отличие может быть настолько велико, что один из светодиодов раньше времени выйдет из строя или сразу сгорит.

С помощью стабилизатора для светодиода устанавливается значение заданного тока, независимо от напряжения, приложенного к схеме. Когда напряжение превышает пороговый уровень, ток, достигнув нужного значения, дальше уже не изменяется. При дальнейшем росте напряжения, оно остается неизменным на светодиоде, а возрастает лишь на стабилизаторе.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема

Скачки сетевого напряжения очень часто приводят к выходу из строя электроприборов, устройств и прочего оборудования. Для того чтобы предупредить возникновение подобных ситуаций применяются различные стабилизирующие устройства. Среди них широкой популярностью пользуются стабилизаторы тока на полевых транзисторах, обеспечивающие стабильную работу электрооборудования. В быту часто используется стабилизатор постоянного тока своими руками, схема которого позволяет решать основные задачи.

Основной функцией данных устройств является компенсация перепадов и скачков напряжения в сети. Стабилизаторы автоматически поддерживают точно заданные параметры тока. Помимо скачков тока, компенсируется изменение мощности нагрузки и температуры окружающей среды. Например, если мощность, потребляемая оборудованием, возрастет, то соответственно увеличится и потребляемый ток. Как правило это приводит к падению напряжения на сопротивлении проводов и источника тока.

Среди многих стабилизирующих устройств, наиболее надежной считается схема стабилизатора тока на полевике, в которой транзистор подключается последовательно с сопротивлением нагрузки. Это вызывает лишь незначительные изменения нагрузочного тока, тогда как значение входного напряжения постоянно меняется.

Для того чтобы знать, как работают такие стабилизаторы, нужно знать устройство и принцип действия полевых транзисторов. Данные элементы управляются электрическим полем, в связи с этим и возникло их название. Само электрическое поле возникает под действием приложенного напряжения, следовательно, все полевые транзисторы являются полупроводниковыми приборами, работающими под управлением напряжения, открывающего каналы этих устройств.

Полевой транзистор состоит из трех электродов – истока, стока и затвора. Вход заряженных частиц происходит через исток, а выход – через сток. Закрытие или открытие потока частиц осуществляется с помощью затвора, выполняющего функции крана. Заряженные частицы будут течь лишь при условии напряжения, которое должно быть приложено между стоком и истоком. Если напряжение отсутствует, то и тока в канале не будет. Следовательно, чем выше подаваемое напряжение, тем больше открывается кран. За счет этого ток в канале между стоком-истоком увеличивается, а сопротивление канала – уменьшается. Для источников питания предусмотрена работа полевых транзисторов в режиме ключа, обеспечивающая полное открытие или закрытие канала.

Данные свойства позволяют сделать расчет стабилизатора тока на транзисторе, обеспечивающего поддержание токовых параметров на определенном уровне. Использование полевых транзисторов определяет и принцип действия такого стабилизатора. Всем известно, что каждый идеальный источник тока обладает ЭДС, стремящейся к бесконечности и также бесконечно большим внутренним сопротивлением. Это позволяет получить ток с необходимыми параметрами, вне зависимости от сопротивления нагрузки.

В таком идеальном источнике возникает ток, который остается на одном и том же уровне, несмотря на изменения сопротивления нагрузки. Поддержание тока на неизменном уровне требует постоянного изменения величины ЭДС в диапазоне свыше нуля и до бесконечности. То есть сопротивление нагрузки и ЭДС должны изменяться таким образом, чтобы ток при этом стабильно оставался на том же уровне.

Однако на практике такая идеальная микросхема стабилизатора тока не сможет обеспечить всеми необходимыми качествами. Это связано с тем, что диапазон напряжения на нагрузке сильно ограничен и не поддерживает требуемого уровня тока. В реальных условиях источники тока и напряжения используются совместно. В качестве примера можно привести обычную сеть, напряжением 220 вольт, а также другие источники в виде аккумуляторов, генераторов, блоков питания и других устройств, вырабатывающих электроэнергию. К каждому из них могут последовательно подключаться стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Выходы этих устройств по сути являются источниками тока с нужными параметрами.

Таким образом, зависимость нагрузки и выходных характеристик полевого транзистора оказывает влияние на значение тока при минимальном и максимальном значении входного напряжения. Однако токовые изменения незначительны и не оказывают отрицательного влияния на потребителей.

Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе — radiohlam.ru

Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.

Обозначения:

1. I_к — коллекторный ток транзистора
2. I_н — ток нагрузки
3. I_б — ток базы транзистора
4. I_R — ток через балластный резистор
5. U_вх — входное напряжение
6. U_вых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
7. U_ст — падение напряжения на стабилитроне
8. U_бэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы параметрического стабилизатора на стабилитроне? Да почти ничем их работа не отличается, — напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока. То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.

Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора. Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода — примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.

Теперь добавим немного математики.

С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: U_вых=U_ст-U_бэ, давайте рассчитаем R₀ и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка — кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:

Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R₀ и области нормальной работы тоже очень похожи.

Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:

U_вх=U_ст+I_RR₀, учитывая что I_R=I_ст+I_б, получим

U_вх=U_ст+(I_ст+I_б)R₀   (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне всегда было в пределах от U_{ст min} до U_{ст max}) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от I_{ст min} до I_{ст max}. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:

R₀=(U_{вх min}-U_{ст min})/(I_{б max}+I_{ст min})   (2)

Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением I_э=I_б(h_21Э+1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо U_{ст min} возьмём просто U_ст), то получим, что

R₀=(U_{вх min}-U_ст)/(I_{н max}/(h_21Э+1)+I_{ст min})   (3)

h_21Э+1 — это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h_21K), но поскольку h_21Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое «+1» выкидывают и считают, что h_21К=h_21Э, тогда формула (3) становится чуть проще:

R₀=(U_{вх min}-U_ст)/(I_{н max}/h_21Э+I_{ст min})

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (U_{ст min} и U_{ст max}) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что I_н=I_э=I_бh_21Э («+1» — выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:

(4)

Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне — при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.

Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (I_ст=3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до I_max. Транзистор возьмём КТ815А (h_21Э=40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R₀ около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.

Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора. Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в статье про параметрический стабилизатор на стабилитроне, чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).

Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные — нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне. Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона. Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h_21Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.

Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h_21Э будет гораздо больше.

Ну и самый писк — сделать компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе, поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много — много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, — ещё более стабильное выходное напряжение).

Есть другой вариант — можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.

На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).

Принцип работы и типовые схемы компенсационных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Наиболее широкое практическое применение находят компенсационные последовательные стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рис. 1. В зависимости от величины тока нагрузки регулирующий транзистор может быть составным (как показано на рис. 1) или одиночным.

Основными недостатками типовой схемы являются низкий коэффициент стабилизации и довольно большие пульсации на выходе стабилизатора.

Последнее особенно сильно проявляется при больших токах нагрузки. Это объясняется тем, что база регулирующего транзистора питается от нестабилизированного источника. Увеличение емкости конденсатора C1 уменьшает пульсации лишь тогда, когда эта емкость будет равна не скольким тысячам мкф, что практически трудно реализовать.

Качество стабилизатора существенно улучшится, если базовую цепь регулирующего транзистора питать от стабилизированного источника или источника с малым напряжением пульсаций переменного тока. Ниже рассматривается несколько вариантов улучшения стабилизатора по этому принципу.

На рис. 2 приведена схема стабилизатора со сглаживающим фильтром в базовой цени регулирующего транзистора. В этом стабилизаторе резистор R5 заменен двумя — R5`R5″ добавлен конденсатор С2. Так как ток, протекающий через этот фильтр, весьма мал, то даже при емкости С2 в несколько десятков мкФ пульсации на базе регулирующего транзистора, а следовательно, и на выходе стабилизатора существенно уменьшаются. Следует иметь в виду, что сумма сопротивлений резисторов R5` и R5″ должна быть равна сопротивлению резистора R5 на схеме рис. 1.

В стабилизаторе, схема которого показана на рис. 3, для питания цепей баз регулирующего транзистора и транзистора усилителя обратной связи применен стабилизирующий трехполюсник. Этот стабилизатор позволяет отказаться от применения составного регулирующего транзистора при значительных токах нагрузки. В стабилизирующем трехполюснике используется n-р-n транзистор, напряжение на базе которого стабилизировано с помощью диода Д2. В качестве диода Д2 могут быть использованы кремниевые стабилитроны, которые имеют напряжение стабилизации в прямом направлении порядка 0,5В. Поскольку напряжение перехода база — эмиттер транзистора стабилизировано, ток Iк2, коллектора транзистора Т2 не меняется при изменении входного напряжения Uвх и при наличии пульсаций на входе.

Базовые цепи регулирующего транзистора и транзистора усилителя обратной связи в стабилизаторе, схема которого дана на рис. 4, питаются от стабилизированного источника. При больших токах нагрузки мощность рассеяния на регулирующем транзисторе этого стабилизатора резко увеличивается. Поэтому применение его целесообразно лишь при сравнительно небольших токах нагрузки (до 0,3—0,5A).

На рис. 5 изображена схема стабилизатора, качество работы которого улучшено применением транзистора Т2 типа n-р-n взамен р-n-р в стабилизаторе по схеме рис. 1 и изменением места включения опорного стабилитрона. Нетрудно видеть, что колебания входного напряжения поступают на эмиттерные переходы всех транзисторов только через достаточно большие сопротивления коллекторных переходов, и таким образом, дестабилизирующее влияние источника питания на стабилизатор существенно уменьшается.

 

 

В стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 6, применены регулирующий и усилительный транзисторы разных типов проводимости. Особенностью стабилизатора является то, что регулирующий транзистор подключен к положительному полюсу стабилизируемого напряжения. Так как коллекторный ток усилительного транзистора и базовый ток регулирующего транзистора направлены согласованно, отпадает необходимость в специальном нагрузочном резисторе и источнике вспомогательного напряжения, а также значительно упрощается согласование режимов транзисторов. Роль нагрузки усилительного каскада здесь играет весьма значительное по величине сопротивление коллекторного перехода регулирующего транзистора. При выполнении стабилизатора по этой схеме можно обойтись без применения в регулирующем элементе составного транзистора до токов нагрузки 300—500 мА.

Все стабилизаторы напряжения, описанные в статье, испытывались при токе нагрузки Iн—300 мА и выходном напряжении Uн=15 в. Во время испытаний стабилизаторы питались от выпрямителя, собранного по мостовой схеме без сглаживающего фильтра.

В заключение следует отметить, что коэффициент стабилизации всех схем, приведенных выше, можно повысить увеличением доли выходного напряжения, действующей на усилитель обратной связи стабилизатора. С этой целью необходимо увеличивать значение коэффициента n=R2/R1+R2 (для схемы рис. 1), что возможно путем выбора опорного напряжения, близкого к значению Uн. Другим путем является замена резистора R1 (см. рис. 1) таким стабилитроном (показан пунктиром), чтобы Uст. Д1+Uст.Д2≈Uн. Такая замена позволяет увеличить коэффициент стабилизации стабилизатора по схеме рис. 1 с 20 до 50.

 

 

Ознакомиться с основными характеристиками и цоколевкой интегральных микросхем стабилизаторов напряжения можно на страницах нашего сайта:

Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения AN серии
Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения MC серии
Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения LM серии