Стабилизатор напряжения на транзисторе: Простой мощный параллельный стабилизатор на транзисторах

Содержание

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

Линейные стабилизаторы напряжения на транзисторах и ОУ

Основным недостатком линейных стабилизаторов средней и большой мощности является их низкий КПД. Причем, чем меньше выходное напряжение источника питания, тем меньше становится его КПД. Это объясняется тем, что в режиме стабилизации силовой транзистор источника питания обычно включен последовательно с нагрузкой, а для нормальной работы такого стабилизатора на регулирующем транзисторе должно действовать напряжение коллектор-эмиттер (11кэ) не менее 3…5 В. При токах более 1 А это дает значительные потери мощности за счет выделения тепловой энергии, рассеиваемой на силовом транзисторе. Что приводит к необходимости увеличивать площадь теплоотводящего радиатора или применять вентилятор для принудительного охлаждения.

Широко распространенные благодаря низкой стоимости интегральные линейные стабилизаторы напряжения на микросхемах из серии 142ЕН(5…14) обладают таким же недостатком. В последнее время в продаже появились импортные микросхемы из серии «LOW DROP» (SD, DV, LT1083/1084/1085). Эти микросхемы могут работать при пониженном напряжении между входом и выходом (до 1…1.3 В) и обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение в диапазоне 1,25…30 В при токе в нагрузке 7,5/5/3 А соответственно. Ближайший по параметрам отечественный аналог типа КР142ЕН22 имеет максимальный ток стабилизации 5 А.

При максимальном выходном токе режим стабилизации гарантируется производителем при напряжении вход-выход не менее 1,5 В. Микросхемы также имеют встроенную защиту от превышения тока в нагрузке допустимой величины и тепловую защиту от перегрева корпуса.

Данные стабилизаторы обеспечивают нестабильность выходного напряжения «0,05%/В, нестабильность выходного напряжения при изменении выходного тока от 10 мА до максимального значения не хуже 0,1 %/В. Типовая схема включения таких стабилизаторов напряжения приведена на рис. 4.1.

Конденсаторы С2…С4 должны располагаться вблизи от микросхемы и лучше, если они будут танталовые. Емкость конденсатора С1 выбирается из условия 2000 мкФ на 1 А тока. Микросхемы выпускаются в трех видах конструктивного исполнения корпуса, показанных на рис. 4.2. Вид корпуса задается последними буквами в обозначении. Более подробная информация по данным микросхемам имеется в справочной литературе, например J119.

Такие стабилизаторы напряжения экономически целесообразно применять при токе в нагрузке более 1 А, а также в случае недостатка места в конструкции. На дискретных элементах также можно выполнить экономичный источник питания. Приведенная на рис. 4.3 схема рассчитана для выходного напряжения 5 В и тока нагрузки до 1 А. Она обеспечивает нормальную работу при минимальном напряжении на силовом транзисторе (0,7… 1,3 В). Это достигается за счет использования в качестве силового регулятора транзистора (VT2) с малым напряжением икэ в открытом состоянии. Что позволяет обеспечить работу схемы стабилизатора при меньших напряжениях вход-выход.

Схема имеет защиту (триггерного типа) в случае превышения тока в нагрузке допустимой величины, а также превышения напряжения на входе стабилизатора величины 10,8 В.

Узел защиты выполнен на транзисторе VT1 и тиристоре VS1. При срабатывании тиристора он отключает питание микросхемы DA1 (вывод 7 закорачивается на общий провод). В этом случае транзистор VT3, а значит и VT2 закроются и на выходе будет нулевое напряжение. Вернуть схему в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей перегрузку, можно только выключением и повторным включением блока питания.

Конденсатор СЗ обычно не требуется — его задача облегчить запуск схемы в момент включения.

Вернуть схему в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей перегрузку, можно только выключением и повторным включением блока питания. Конденсатор СЗ обычно не требуется — его задача облегчить запуск схемы в момент включения. Топология печатной платы для монтажа элементов показана на рис. 4.4 (она содержит одну объемную перемычку). Транзистор VT2 устанавливается на радиатор.

При изготовлении использованы детали: подстроенный резистор R8 типа СПЗ-19а, остальные резисторы любого типа; конденсаторы С1 — К50-29В на 16 В, С2…С5 — К10-17, С5 — К52-1 на 6,3 В. Схему можно дополнить светодиодным индикатором срабатывания защиты (HL1). Для этого потребуется установить дополнительные элементы: диод VD3 и резистор R10, как это показано на рис. 4.5.

Литература:  И.П. Шелестов — Радиолюбителям полезные схемы, книга 3.

Линейный стабилизатор напряжения | Volt-info

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение. После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным. При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.

Стабилизаторы напряжения на транзисторах: схема на стабилитроне

Радиоэлектронные устройства для нормальной работы требуют питания стабилизированным напряжением. Подходы к стабилизации различаются в зависимости от предъявляемых требований, потребляемой мощности нагрузки.

Стабилизатор переменного напряжения

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

  • Параметрические;
  • Компенсационные;
  • Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Простейшая конструкция содержит всего два элемента:

  • Стабилизирующий диод – стабилитрон;
  • Токоограничительный резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если дополнить конструкцию со стабилитроном эмиттерным повторителем, получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитроне с лучшими параметрами в отношении тока нагрузки.

В данной схеме напряжение на нагрузке определяется разностью между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.

Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Вst раз, где Вst – статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно еще больше увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема Дарлингтона

Схема параметрического стабилизатора напряжения на транзисторе обладает недостатками. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации конструкции в целом. Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума вызывает повышение выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0.6 Вольт, поскольку ток базы становится равным нулю).

Принципы расчета характеристик

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

  • Напряжение питания;
  • Ток нагрузки;
  • Выходное напряжение.

Порядок расчета:

  1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
  2. Выбирается ключевой элемент по критериям:
  • Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
  • Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
  • Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение эталонного (опорного) потенциала с выходным. Разница через контур отрицательной обратной связи поступает на базу ключевого транзистора, управляя величиной его открытия.

Точность стабилизации зависит от точности формирования опорного напряжения. Так как устройство сравнения потребляет малый ток, то опорный потенциал можно сформировать при помощи параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Компенсационная схема

Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя источник тока вместо токоограничительного резистора. В качестве такого источника наиболее удобно применять полевой транзистор. Компенсационные устройства обладают хорошими характеристиками, поэтому большинство производителей элементной базы выпускает готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимумом элементов.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Схема на двух транзисторах

Используя два транзистора, можно собрать схему компенсационного стабилизатора, в котором один из триодов является ключевым, а второй служит для управления обратной связью. Такая конструкция легко позволяет регулировать величину выхода. Правильный стабилизатор также должен предусматривать защиту от перегрузки.

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Видео

Параметрические стабилизаторы с повышенной нагрузочной способностью

 

Типовые схемы параметрических стабилизаторов обеспечивают приемлемые параметры только при достаточно малых тока нагрузки (не более \({0,5…1} \cdot I_{ст max}\)). Для питания более мощных цепей требуются дополнительные меры.

Может показаться, что проблема разрешима при параллельном включении нескольких однотипных стабилитронов на выходе стабилизатора. Однако делать это недопустимо, поскольку из-за разброса параметров стабилитроны будут работать в существенно различающихся режимах. В крайнем случае можно применить стабилитрон с большей мощностью. Если же таким образом повысить ток нагрузки до требуемого уровня не удается, то можно применить дополнительный транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя (рис. 3.5-6).

 

Рис. 3.5-6. Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

 

В такой схеме максимально допустимый ток нагрузки повышается в \(h_{21э}\) раз (\(h_{21э}\) — статический коэффициент усиления тока базы транзистора). Значение резистора \(R1\) (балластный резистор) должно подбираться в зависимости от конкретного тока нагрузки (\(I_{н max} = I_{VT1} \cdot h_{21э} – I_{ст min} \cdot h_{21э}\)). Резистор \(R2\) обеспечивает нормальный режим работы транзистора при малых токах. Выходное напряжение стабилизатора равно: \(U_{вых} = U_{ст} – U_{б-э}\), где \(U_{ст}\) — напряжение стабилизации применяемого стабилитрона, \(U_{б-э}\) — напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора при включении эмиттерного повторителя не увеличивается.

Чтобы увеличить коэффициент стабилизации (в 5…10 раз) необходимо обеспечить постоянство тока стабилитрона при изменениях входного напряжения стабилизатора. Для этого балластный резистор заменяют источником тока. На рис. 3.5‑7 приведена схема стабилизатора с источником тока на биполярном транзисторе, а на рис. 3.5‑8 схемы стабилизаторов с эмиттерным повторителем и источником тока на полевом транзисторе.

 

Рис. 3.5-7. Параметрический стабилизатор с источником тока

 

Рис. 3.5-8. Параметрические стабилизаторы с эмиттерным повторителем и источником тока

 

Если в стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 3.5-8а выбрать \(R1 = 0\), то допустимый ток нагрузки достигнет максимального значения. Однако при этом несколько снижается коэффициент стабилизации. Его можно улучшить, если включить цепь обратной связи, обозначенную пунктиром. Эта цепь вместе с резистором \(R1\) образует для переменной составляющей напряжения на транзисторе \(VT2\) делитель, с выхода которого напряжение поступает в цепь управления этим транзистором таким образом, что ток базы транзистора изменяется в противофазе с напряжением пульсаций.

Применение источника тока для питания стабилитрона позволяет ограничить ток базы транзистора эмиттерного повторителя и, следовательно, ток коллектора этого транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки. Однако в стабилизаторах с большим значением выходного напряжения (особенно при применении германиевых транзисторов) возможен перегрев транзистора вследствие повышения рассеиваемой мощности и эффекта саморазогрева. В стабилизаторе по схеме рис. 3.5-8б действует ООС по току, поскольку ток нагрузки протекает через резистор \(R1\). Поэтому ток короткого замыкания очень слабо зависит от температуры корпуса транзистора \(VT2\) и лавинный саморазогрев не проявляется до температур порядка 50…60 °C. Ток короткого замыкания устанавливается подбором резистора \(R1\).

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторах

В статье расскажем про компенсационный стабилизатор напряжения, о расчёте стабилизатора напряжения. Предоставим практические советы конструкторам. Нарисуем схему стабилизатора.

При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (нестабильности и пульсации) напряжения питания существенно изменяют режимы и параметры работы радиоэлектронных схем. Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания влажности окружающей среды. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.

Компенсационный стабилизатор

Различают компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного и импульсного действия. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, представляющий собой цепочку, состоящую из резистора и стабилитрона. Это было рассмотрено в предыдущей статье Стабилизаторы напряжения, их расчёт.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. В этой схеме регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Схему, состоящую из регулирующего элемента и сопротивления нагрузки можно представить как делитель напряжения, в котором определённая часть входного напряжения «падает» на сопротивлении нагрузки, а всё остальное напряжение – на регулирующем элементе. При этом, и все изменения входного напряжения отражаются не на нагрузке, а на регулирующем элементе.

Опорное стабилизированное напряжение формируется источником опорного напряжения ИОН. Схема сравнения СС сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением Uоп. Разностный сигнал рассогласования Uн — Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.

Если в нагрузке оказывается напряжение большее, чем опорное Uоп – имеет место положительный сигнал рассогласования (Uн — Uоп) > 0, тогда внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Так как регулирующий элемент и нагрузка включены последовательно, то при увеличении Uрэ выходное напряжение уменьшается.

При уменьшении выходного напряжения , отрицательном сигнале рассогласования (Uн — Uоп)

Расчёт стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа и практические советы конструкторам

Как и ранее, я не пишу сложные формулы радиолюбительских расчётов, которые отбивают желание вообще становиться радиолюбителями. Они мной применяются только тогда, когда их использование действительно необходимо. Кроме того, если Вы научитесь понимать их физический смысл, то Вы самостоятельно сможете применять их на практике для расчётов цепей.

Расчёт стабилизированного блока питания мы будем проводить с использованием конкретной схемы, которую мы сначала изобразим, соблюдая правила построения схем, а потом рассчитаем на основе предъявляемых к ней требований.

1. Прежде всего, обратите внимание, на то, что большинство блоков питания имеет минус на массе, поэтому мы так же выполняя условие – «минус на массе» изменим полярности диодов и конденсаторов, а кроме того — тип проводимости транзисторов с p-n-p на n-p-n.

2. Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента мы будем использовать составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора, и на порядок увеличивает нагрузочную способность стабилизатора напряжения. Поэтому (см. схему) к ранее изученному стабилизатору, мы добавим этот транзистор VT3. Считаем, что каждый добавленный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность в 10…20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и «приложится». Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше.

3. Ток через делитель Iдел состоящий из R1,R2,R3 выбирают обычно на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи Rб, VD1. Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения, или повышения сопротивлений R1,R2,R3 нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД, или чувствительности схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям.

4. Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабилитрона – минимальным и максимальным током стабилизации. Как это выглядит практически, я затрону в процессе расчётов.

5. Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего элемента должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выходного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2 и VT3 «нечем будет управлять» — напряжение на эмиттерах будет превышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет.

6. Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные способности стабилизатора потому, что разница входного и выходного напряжения стабилизатора помноженная на выходной ток, будет «падать» в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах. Поэтому необходимо выбирать транзисторы способные выдерживать такую мощность – повторяется правило — чем мощнее транзистор, тем лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент передачи.

Расчёт

Исходные данные (допустим, к разрабатываемому ИП предъявлены такие требования):

— среднее выходное напряжение стабилизатора – 12 вольт;

— максимальный ток нагрузки стабилизатора – 2 ампера;

— используется трансформатор достаточной мощности, с выходным напряжением 25 вольт.

При расчётах сложных схем, обычно идут «с конца к началу», поэтому, предлагаю начать с расчёта схем опорного напряжения и сравнения.

1. Выберем стабилитрон измерительного моста Стабилитрон VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном половине выходного напряжения стабилизатора:

12в / 2 = 6 вольт

При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Но стабилитрон на такое напряжение в рознице отсутствует, поэтому выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению стабилизации – КС156А, у которого Uст = 5,6 вольт, Iст = 10 мА.

2. Найдём резистор :

На резисторе падает напряжение:

URб = Uвых – Uст = 12в – 5,6в = 6,4в

Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома определяем сопротивление резистора:

Rб = URб / = 6,4в/0,01А = 640 Ом

Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду — 620 Ом.

Мощность резистора находим из условия РRб = URб * Iст * 2 = 6,4в * 0,01А * 2 = 0,128 Вт

Если кто не знает, что в формуле обозначает цифра 2, поясню, это коэффициент запаса по мощности (чтобы резистор не грелся). Более подробно написано в статье Резистор . Ближайшее наибольшее значение мощности резистора по номинальному ряду – 0,125 Вт.

Таким образом, параметры Rб – 620 Ом на 0,125 Вт.

3. Определим возможные значения выходного напряжения стабилизатора, при которых стабилизация происходит.

Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.

а) Определим минимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику минимальный ток стабилизации КС156А = 3 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых.min = Uст + (Iст.min * Rб) = 5,6 в + (0,003 * 620) = 7,46 вольт

б) Определим максимальное (регулируемое) напряжение стабилизации:

По справочнику максимальный предельный ток стабилизации КС156А = 55 мА. Это большой ток, при котором стабилитрон будет греться и нужны дополнительные меры защиты, поэтому ограничимся значением, в 2 раза превышающем номинальное — 20 мА. При этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых.max = Uст + (Iст.max * Rб) = 5,6 в + (0,02 * 620) = 18 вольт

Поскольку мощность прикладываемая к резистору возросла, для того, чтобы резистор не сгорел от большой прикладываемой мощности, его мощность следует увеличить до значения:

РRб = URб * Iст * 2 = 12,4 в * 0,02 А * 2 = 0,5 Вт

Если Вы хотите, чтобы Ваш стабилизатор выдавал 18 вольт, то мощность резистора необходимо увеличить, но если Вы делаете стабилизатор на фиксированное напряжение (в данном случае 12 вольт), то этого можно не делать, удовлетворившись расчётом, приведённым в пункте 2.

4. Рассчитаем делитель R1,R2,R3:

Нам известно, что на стабилитроне КС156А падает – 5,6 вольта. А ещё мы знаем (см. статью Биполярный транзистор), что в режиме стабилизации, транзистор VT1 находится в «рабочей точке», это означает, что на его переходе база-эмиттер «падает» напряжение 0,65 вольта. А это в свою очередь означает, что на базе должно быть всегда 5,6 + 0,65 = 6,25 вольта относительно корпуса стабилизатора. База соединена с «ползунком» среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 6,25 вольта всегда присутствует на его «ползунке».

Исходя из этого, можно составить, систему уравнений с тремя неизвестными, но это Вас только запутает, поэтому мы пойдем по более простому, но практичному пути.

При максимальном напряжении стабилизации Uвых.max = 18 вольт, ползунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации Iст.max = 0,02 A, а ток делителя R1,R2,R3 в 10 раз меньше: Iцепи = 0,002 А , следовательно:

R3 = 6,25 / Iцепи = 6,25 / 0,002 = 3,125 кОм;
R1 + R2 = (Uвых.max — UR3) / Iцепи = 11,75 / 0,002 = 5,875 кОм.

Суммарное сопротивление R1 + R2 + R3 = 5 875 + 3 125 = 9 кОм

При минимальном напряжении стабилизации Uвых.min = 7,46 вольта, ток делителя будет:

Iцепи = Uвых.min / (R1 + R2 + R3) = 7,46 / 9000 = 0,00083 А

найдем значение R1 = (Uвых.min – 6,25) / Iцепи = (7,46 – 6,25) / 0,00083 = 1,46 кОм,

отсюда значение R2 = 5,88 – 1,46 = 4,42 Ом,

округлим значения резисторов до значений номинального ряда: R1 = 1,5 кОм, R2 = 4,3 кОм (переменный), R3 = 3 кОм

5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смещения VT2.

В качестве стабилитрона выбираем Д816А, у которого Uст = 22 вольта, Iст = 10 мА.

Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 25 вольт, тогда Rсм = (Uтр. — Uст) / Iст = 25 – 22 / 0,01А = 300 Ом.

Мощность резистора РRсм = URсм / Iст = 3 *0,01 = 0,03 Вт, ближайшая из номинального ряда — 0,125 Вт

Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD2, необходимо, чтобы не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток должен быть не менее, чем в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением: URк = Uтр. — Uвых. = 25 – 12 = 13 вольт,

отсюда: Rк = URк / (Iст/2) = 13 / 0,005 = 2,7 кОм.

Мощность РRк = URк * Iст / 2 = 13 *0,005 = 0,0325 Вт, ближайший 0,125 Вт.

6. Наконец дело дошло до транзисторов.

В качестве VT1 подойдёт транзистор КТ315Г. Он удовлетворяет требованиям:

— достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h31Э = 50…350;

— допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 35 вольт.

В качестве VT2 подойдёт транзистор КТ815 с любым буквенным индексом. Коэффициент передачи h31Э = 40 – 70 , обеспечивает усиление тока резистора с 5 мА до 250 мА;

В качестве VT3 попробуем взять не то, что надо искать, а то, что есть — например КТ809А. Коэффициент передачи h31Э = 15…100 , что обеспечивает усиление тока с 250 мА до 3,7 А, но максимальный ток коллектора – 3 А это по справочнику – предел, нет «запаса прочности», поэтому ставим два транзистора в параллель. При выходном напряжении = 12 вольт и токе 2 ампера, на них должно падать 13 вольт, таким образом, общая мощность рассеивания транзисторов: РVT3 = UVT3 * I VT3 = 2 * 13 = 26 Вт.

Это вполне приемлемое значение. Для выравнивания мощностей на транзисторах придётся использовать два резистора в эмитерных цепях выходных транзисторов. 0,05…1 Ом с мощностью по 2 Вт.

7. Остался один резистор . Его расчет приведён в предыдущей статье Простейшие стабилизаторы напряжения. Rэ = 0,65 / 2 * 50 = 16 Ом,

где 0,65 – падение на переходе база-эмиттер, 2 – номинальный ток нагрузки = 2 ампер), 50 — усреднённое значение коэффициента передачи транзистора.

Рисуем схему нашего стабилизатора

Дополнения к статье

1. При выборе стабилитронов возможно последовательное их соединение, например два КС156А (по 5,6 вольта) можно соединить последовательно для получения стабилитрона на напряжение стабилизации 11,2 вольта;

2. Для возможности регулировки выходного напряжения в более широких пределах цепочку источника опорного напряжения R3, VD6 (см. схему) подключают не к выходу, а на вход стабилизатора с применением цепей сглаживания (по аналогии с R1, VD5 и С2). Естественно, необходимо пересчитать резистор R3. Как это делается описано в этой статье и предыдущей статье Простейшие стабилизаторы напряжения. В результате этого, входное напряжение ИОН не зависит от выходного напряжения, поэтому ток стабилизации номинальный и постоянен. Другой вариант расширения диапазона стабилизируемых напряжений — использование в качестве одного резистора Rб – галентного переключателя с несколькими резисторами;

3. Для повышения нагрузочных свойств стабилизатора, и как следствие повышения надёжности рекомендую вместо двух КТ809А поставить один составной КТ827А без резисторов R4 – R6.

4. Никогда не брезгуйте рассчитать мощность резисторов, иначе это может Вам выйти кучей сгоревших дорогих элементов;

5. В приведённой схеме стабилизатора имеется защита по первичной обмотке трансформатора, а во вторичных цепях защита отсутствует. В простейшем случае поставьте на выходе стабилизатора двух-трехватный предохранитель, но лучше сделать более интеллектуальную схему защиты;

6. В этой статье указаны простейшие правила и условия, соблюдение которых позволит проектировать и собирать действующие стабилизаторы. И тогда у Вас не будет возникать вопросов типа тех, на которых и существует половина интернет-Форумов: Я вместо конденсатора поставил резистор, а он как конденсатор работать не хочет!? Или: Почему резистор, предназначенный в схеме для выполнения одной функции, не выполняет другую функцию?

Расчёт с первого взгляда выглядит нудноватым, но это самый простейший расчёт. Поняв принципы работы и расчёта транзисторных каскадов, Вы сможете конструировать и рассчитывать более сложные схемы.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.


Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа


Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.


Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT.


Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения.

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 10 3 . Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия UCE2max

8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента IP изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – IBXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Эти стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схемы.

Компенсационные стабилизаторы подразделяют на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные.

Любой компенсационный стабилизатор состоит из блока сравнения (БС), в который входит источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока (У) и регулирующего элемента (РЭ).

Здесь изображена схема компенсационного стабилизатора на дискретных пролупроводниковых приборах. В этом стабилизаторе в блок сравнения (БС) входит параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резистора R5, и резистивный делитель R1R2R3. Усилителем постоянного тока является усилитель на транзисторе Т2 и резисторе Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т1.

В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузочном резисторе Uн (или части его) с опорным напряжением Uоп.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока Iн, напряжение Uн повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения равная bUн (b- коэффициент деления резистивного делителя), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп, т.к. опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 из- за увеличения напряжения bUн уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т2 снижается. Это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором транзистора Т1, что равносильно увеличению его сопротивления. В следствии этого падение напряжения на транзисторе Т1 возрастает, благодаря чему напряжение Uн приобретает значение близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R2 осуществляется регулирование напряжения Uн.

В современных стабилизаторах на интегральных микросхемах для повышения коэффициента стабилизации вместо усилителя на транзисторе Т2 применяют интегральный операционный усилитель. Это позволяет получить коэффициент стабилизации равный нескольким тысячам. В таком стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходных напряжений, снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения.

К достоинствам компенсационных стабилизаторов относят:

* высокий коэффициент стабилизации К>100;

* низкое внутреннее сопротивление Riст=10 -3 …10 -4 Ом;

* отсутствие собственных помех.

К недостаткам относятся:

* невысокий КПД, не превышающий 0,5…0,6 ;

* значительная масса из- за необходимости применения радиатора на регулирующем транзисторе при стабилизации больших токов.

В отечественной аппаратуре наиболее широкое распространение получил стабилизатор на микросхемах серий К142, К275, К181, которые оснащены схемами защиты от перегрузок и короткого замыкания.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8841 – | 7555 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе.

В различной литературе неоднократно описывались различные схемы стабилизаторов к различным блокам питания. В этой статье автор приводит описание аналогового стабилизатора напряжения для блока питания повышенной мощности. В схеме стабилизатора напряжения, удалось значительно улучшить параметры, применив в качестве силового элемента мощный переключательный полевой транзистор.

В основном при построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор. Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис.1.

Рис.1.

В нем в качестве силового применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме. Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30А при температуре корпуса до 100 °С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В [1]. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт. Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431). Ее назначение, устройство и параметры подробно описаны в статье [2]. Работает стабилизатор (рис. 1) следующим образом. При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13В (эффективное значение). Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе большой емкости (обычно несколько десятков тысяч микрофарад) выделяется постоянное напряжение около 16 В.

Оно поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через делитель R2R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления ву микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т. е. частично закрывая его, и устройство входит в режим стабилизации. Конденсатор СЗ ускоряет выход стабилизатора на рабочий режим. Значение выходного напряжения можно установить в пределах от 2,5 до 30В подбором резистора R2, его значение может изменяться в широких пределах. Конденсаторы С1, С2 и С4 обеспечивают устойчивую работу стабилизатора.

Для описанного варианта стабилизатора минимальное падение напряжения на регулирующем мощном транзисторе VT1 составляет 2,5…3В, хотя потенциально этот транзистор может работать при напряжении сток-исток, близком к нулю. Обусловлен данный недостаток тем, что управляющее напряжение на затвор поступает из цепи стока, поэтому при меньшем значении падения напряжения на нем, транзистор открываться не будет, ведь на затворе открытого транзистора должно быть положительное напряжение относительно истока.

Рис.2.

Чтобы уменьшить падение напряжения на регулирующем транзисторе, цепь его затвора целесообразно питать от отдельного выпрямителя с напряжением на 5… 7В больше, чем выходное напряжение стабилизатора. Если нет возможности сделать дополнительный выпрямитель, то в устройство можно ввести дополнительный диод и конденсатор (рис. 2). Эффект от такой простой доработки может быть большим. Дело в том, что напряжение, поступающее на сток транзистора, является пульсирующим, имеет значительную переменную составляющую, которая увеличивается при увеличении потребляемого тока. Благодаря диоду VD2 и конденсатору С5 напряжение на затворе будет примерно равно пиковому значению пульсирующего, т.е. может быть на несколько вольт больше, чем среднее или минимальное. Поэтому стабилизатор оказывается работоспособным при меньшем среднем напряжении сток-исток.

Рис.3.

Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 3). В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе. При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроечным резистором. Значение выходного напряжения можно определить по формуле: Uвых = 2,5(1+R2/R3).

Детали

В устройстве допустимо применить подходящий транзистор из списка в вышеприведенном справочном листке, желательно выделенный желтым цветом. Если использовать, к примеру, IRF840, то минимальное значение управляющего напряжения на затворе будет составлять 4,5… 5В. Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4. Диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Рис.4.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод. Примененный транзистор предназначен для установки на радиатор с помощью пайки. В этом случае целесообразно использовать промежуточную медную пластину толщиной несколько миллиметров, к которой припаивают транзистор и на которой можно установить остальные детали (рис. 4). Затем, после окончания монтажа, пластину можно разместить на радиаторе. Пайки при этом уже не требуется, поскольку пластина будет иметь большую площадь теплового контакта с радиатором.

Рис.5.

Если применить для поверхностного монтажа микросхему DA1 типа TL431С, резисторы типа Р1 -12 и соответствующие чип-конденсаторы, то их можно разместить на печатной плате (рис. 5) из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Плату припаивают к выводам транзистора и приклеивают к упомянутой медной пластине клеем. В качестве такой пластины можно использовать, например, корпус с фланцем от испорченного мощного биполярного транзистора, скажем, КТ827, применив при этом навесной монтаж.

Настройка

Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам С1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

И. Нечаев

Литература:

1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, №5, с. 45.

2.И. Нечаев. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А. — Радио, 2003, № 5, с. 53,54.

Принципиальная схема

и его работа

В системе питания регулятор является важным компонентом, используемым для управления выходной мощностью в силовой электронике. Силовую электронику можно определить как управление, а также преобразование электроэнергии в части электроники. Стабилизатор напряжения генерирует стабильный выходной сигнал при изменении входа или нагрузки. Существуют различные типы регуляторов напряжения, такие как стабилитрон, последовательный, шунтирующий, фиксированный положительный, IC, регулируемый, отрицательный, двойное отслеживание и т. Д.В этой статье обсуждается обзор стабилизатора напряжения серии транзисторов.


Что такое стабилизатор напряжения серии транзисторов?

Последовательный регулятор напряжения можно определить как регулятор, который имеет такие ограничения, как высокое рассеивание, менее эффективный, а также напряжение транзистора и напряжения стабилитрона при повышении температуры.

Схема последовательного транзисторного регулятора напряжения

Эта схема регулятора напряжения показана ниже.Следующая схема может быть построена как на транзисторе, так и на стабилитроне. В этой схеме ток нагрузки протекает через транзистор серии Q1. Это причина называть этот регулятор последовательным транзисторным регулятором напряжения. Когда на входные клеммы схемы подается нерегулируемый источник постоянного тока, мы можем получить регулируемый выход через нагрузку. Здесь стабилитрон обеспечивает опорное напряжение.

Принципиальная схема последовательного регулятора напряжения транзистора

Регулятор напряжения последовательного транзистора работает , когда напряжение на базе транзистора поддерживается на уровне стабильного напряжения на диоде.Например, если напряжение стабилитрона равно 8 В, базовое напряжение транзистора останется примерно 8 В. Следовательно, Vout = VZ — VBE

Эксплуатация

Этот транзистор может работать в двух случаях, например, когда выходное напряжение увеличивается и уменьшается.

При снижении выходного напряжения

Когда напряжение o / p уменьшается в цепи, тогда напряжение BE будет увеличиваться и заставляет транзистор работать больше. В результате выходное напряжение будет поддерживаться на стабильном уровне.

При увеличении выходного напряжения

Когда в цепи увеличивается напряжение o / p, тогда напряжение BE будет уменьшаться, и транзистор будет работать хуже. В результате выходное напряжение будет поддерживаться на стабильном уровне.

Преимущества / недостатки

Преимущества s регуляторов напряжения этой серии перечислены ниже.


  • Основное преимущество этой схемы регулятора напряжения состоит в том, что изменения тока стабилитрона уменьшаются на коэффициент ß.Следовательно, эффект импеданса стабилитрона будет значительно уменьшен, и мы сможем получить дополнительный стабилизированный выход.

Недостатки регулятора напряжения серии перечислены ниже.

  • Корректировки в пределах тока Зенера уменьшены до значительной суммы; произведенное количество не является полностью стабильным. Это происходит из-за того, что как VZ, так и VBE уменьшаются при повышении температуры в помещении.
  • Изменить напряжение o / p непросто, потому что таких ресурсов нет.

Таким образом, КПД стабилитрона RPS (стабилизированного источника питания) становится чрезвычайно низким при высоком токе нагрузки. В этих условиях часто используется стабилитрон, похожий на транзистор, для поддержания стабильного напряжения п / п. По сути, транзисторные регуляторы напряжения, которыми управляет стабилитрон, подразделяются на два типа, а именно последовательные регуляторы напряжения и шунтирующие регуляторы напряжения. Вот вам вопрос, какова основная функция регулятора напряжения?

Принцип работы и применение

Регулятор — это устройство, которое поддерживает постоянную и регулируемую мощность на выходных клеммах по всей нагрузке.Из-за колебаний напряжения и несимметрии 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 постоянное напряжение нагрузки и отсутствие гармоник.Далее они классифицируются в зависимости от конфигурации и применения. В усовершенствованных регуляторах вместо транзистора также могут использоваться другие компоненты с регулируемым током, такие как MOSFET, IGBT. В этой статье обсуждается обзор стабилизатора напряжения серии транзисторов и его работы.

Что такое стабилизатор напряжения серии транзисторов?

Стабилизатор напряжения на транзисторах можно определить как устройство, поддерживающее выходное напряжение на постоянном уровне. Как показано на рисунке, транзисторный стабилизатор последовательного напряжения действует как регулирующий элемент.Он принимает нерегулируемый вход и обеспечивает регулируемый выход.

Блок-схема

Встроенный в микросхему интегральной схемы (ИС), он поддерживает постоянное напряжение нагрузки при любых изменениях входного напряжения. Он работает по принципу транзистора, который изменяет его сопротивление при изменении напряжения смещения. В нем используется стабилитрон для поддержания постоянного напряжения базы транзистора. Он часто используется в электронных схемах, таких как регуляторы напряжения, адаптеры, выпрямительные схемы и т. Д.для обеспечения регулируемого выходного напряжения. Регулятор подключается последовательно и шунтирует нагрузку в зависимости от применения.

Работа регулятора напряжения серии транзисторов

Как показано на рисунке, стабилизатор напряжения серии транзисторов состоит из следующих компонентов.

Принципиальная схема

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

Стабилитрон — Стабилитрон, как показано на принципиальной схеме, подключен к базе транзистора. Стабилитрон 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 составляет 9 В. Это означает, что стабилитрон начинает проводить при 9 В. Поскольку стабилитрон подключен к базе транзистора, 9 В становится опорным напряжением для базы транзистора, которое является фиксированным значением.
  • Напряжение на нагрузке, то есть выходное напряжение — это разность напряжений между напряжением на стабилитроне и напряжением на базе эмиттера.То есть это может быть задано как
    V0 = VZ — VBE
  • Напряжение на базе эмиттера является проводящим напряжением транзистора, значение которого составляет 0,7 В. Поскольку входное напряжение составляет 12 В, выходное напряжение становится 9 — 0,7 = 8,3 В согласно приведенному выше уравнению.
  • Теперь, если есть увеличение входного напряжения, скажем, 12,5 В, тогда напряжение на нагрузке также первоначально увеличивается. Оно увеличивается до 8,7 В. Но стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на уровне 9 В.
  • Следовательно, напряжение транзистора становится меньше нуля.7 В. Для этого увеличивается сопротивление коллектор-эмиттер. (Это свойство транзистора, передаточное сопротивление). Следовательно, теперь выходное напряжение остается постоянным на уровне 8,3 В.
  • Теперь давайте рассмотрим случай уменьшения входного напряжения. Уменьшение входного напряжения сначала приведет к уменьшению напряжения нагрузки. Но опять же, напряжение нагрузки необходимо поддерживать постоянным. На этот раз сопротивление коллектор-эмиттер уменьшается, что увеличивает напряжение база-эмиттер. Можно отметить, что сопротивление коллектор-эмиттер
  • ,
  • транзистора изменяется в соответствии с изменением входного напряжения.Это происходит из-за принципа транзистора и фиксированного напряжения, обеспечиваемого стабилитроном.
  • В обоих случаях при изменении входного напряжения напряжение нагрузки остается постоянным. Отсюда видно, что при изменении входного напряжения выходное напряжение остается постоянным. Таким образом, стабилизатор напряжения серии транзисторов действует как регулирующий элемент.В этом эксперименте в цепь подается нерегулируемый источник постоянного тока. Выходной сигнал на нагрузке проверяется на основе напряжения на стабилитроне. Выполняется увеличение и уменьшение входного напряжения и проверяется постоянное выходное напряжение. Далее проверяется регулирующий элемент, совмещая его с выпрямителем. Это означает, что входной переменный ток подается на выпрямитель, который преобразует переменный ток в импульсный постоянный ток по принципу выпрямителя. Импульсный постоянный ток снова подается на транзисторный стабилизатор напряжения, и наблюдается постоянное выходное напряжение постоянного тока.

    Классификация регуляторов напряжения

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

      Регулятор напряжения серии
    • — В этой схеме транзистор подключен последовательно с нагрузкой
    • Шунт Стабилизатор напряжения — в этой схеме транзистор подключен параллельно нагрузке. схемы.Изменения в строке указывают на изменение напряжения питания. Колебания напряжения питания могут быть вызваны незначительными неисправностями или интерпретацией гармоник.
    • Регулятор нагрузки — В этой схеме изменения нагрузки регулируются схемой. Изменение нагрузки может быть вызвано изменениями констант цепи или резким добавлением или удалением нагрузки.

    Преимущества и недостатки регулятора напряжения

    Преимущества:

    • Регулируемое выходное напряжение получается из этой схемы.
    • Получены низкий уровень шума, меньше пульсаций и стабильная работа.
    • Компоненты, необходимые для построения схемы, легко доступны.
    • Не имеет электромагнитных помех.
    • Быстрое время отклика при любых изменениях линии или нагрузки

    Недостатки:

    • Эффективность схемы меньше
    • Из-за большого количества рассеиваемого тепла требуются радиаторы.
    • В регуляторах напряжения выходное напряжение всегда меньше входного.

    Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о транзисторах MCQ

    FAQs

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

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

    2). Как работает шунтирующий регулятор напряжения?

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

    3). Какой тип регулятора более эффективен?

    По сравнению с последовательными и шунтирующими регуляторами напряжения, последовательный регулятор напряжения более эффективен. В целом, импульсные регуляторы напряжения считаются наиболее эффективными регуляторами напряжения

    4). Где находится регулятор напряжения?

    Регулятор напряжения расположен между линией и нагрузкой.

    5). Для чего нужен регулятор напряжения?

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

    Таким образом, мы увидели принцип действия регулятора напряжения последовательного транзистора, его применение, а также достоинства 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 вместе с передовыми методами модуляции для поддержания постоянного выходного напряжения.Вот вам вопрос, почему транзисторы называются устройствами с регулируемым током?

    Схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора


    Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.

    , автор Lewis Loflin

    Обновлено, отредактировано в октябре 2016 года. В нем будут рассмотрены основные операции стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения. Они будут использоваться вместе с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями для реальных регуляторов напряжения.Нижеследующее предназначено только для информационных целей и не дает никаких гарантий.

    Связанные — Эксперименты с шунтирующим стабилизатором TL431A типа регулируемого стабилитрона.

    Видео на YouTube: Учебное пособие по стабилитронам.

    Стабилитрон — это твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении будет проводить и действовать как любой другой кремниевый диод. В режиме обратного смещения всегда используются стабилитроны, предназначенные для пробоя при определенном напряжении. На рис.1 показано базовое подключение стабилитрона.

    Z1 и Rs включены последовательно, а нагрузочный резистор RL на 200 Ом параллельно Z1. Наш общий ток (Is) протекает через Rs и делится через Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 В поддерживает постоянное напряжение на RL, когда Vin изменяется в определенном диапазоне. Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL. Если Vin увеличивается до 18 вольт, то ток стабилитрона Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.

    В любое время падение напряжения на Z1 плюс Rs всегда равно напряжению питания Vin, в то время как напряжение на RL, таким образом, IL постоянно.Если Rs слишком мало, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1. Если Rs слишком велико, нам не хватает минимального тока Iz для поддержания регулирования напряжения. Обратите внимание на следующее:

     
    Is = Iz + IL = 24 мА + 51 мА = 75 мА;
    Rs = VRs / Is = 5,8 В / 75 мА = 77 Ом.
      

    Следующий вопрос заключается в том, какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.


    Рис. 2

    На Рис. 2 мы видим исправную схему стабилизации стабилитрона при Z1 = 5.1 вольт при питании 10 вольт. Но что происходит, если мы увеличиваем нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.


    Рис. 3

    На рис. 3 мы понизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL. Хотя общий ток Rs остается неизменным, часть тока для Z1 (Iz) идет в RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.


    Рис. 4

    На Рис. 4 RL теперь составляет 100 Ом и потребляет такой большой ток от Z1, что у нас больше нет никакого регулирования напряжения.Эта установка практически бесполезна как источник питания, за исключением малых токов. Вот почему мы используем транзисторы вместе со стабилитронами.


    Рис. 5

    Чтобы обойти ограничения мощности, мы используем транзистор с последовательным проходом. На рис. 5 NPN-транзистор с коэффициентом усиления Hfe или постоянного тока, равным 100, фактически «умножает» 1 мА из цепи стабилитрона до 100 мА. Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, заключается в том, чтобы компенсировать падение 0,6 В на переходе B-E Q1. Да, вам нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем.По мере того, как мы потребляем больший ток нагрузки, 99% тока происходит из Q1.


    Рис. 6

    На рис. 6 мы используем два NPN-транзистора в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом. Мне пришлось использовать стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах B-E.


    Рис. 7

    На Рис. 7 мы используем Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.


    Рис.8

    На Рис.8 у нас есть стабилизатор на стабилитроне для источника питания с отрицательной полярностью. Транзистор NPN был заменен транзистором PNP, а полярность стабилитрона и конденсатора 100 мкФ была изменена. Все текущие потоки также были почитаемы.

    На этом завершается введение в регулирование напряжения на основе стабилитронов.

    Учебное пособие: Схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора
    Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX
    Учебное пособие по базовому исправлению источника питания

    Транзисторный регулятор напряжения



    (источник: Electronics World , август.1963)

    ДЖОН Р. ГЁРКИ / Служба связи Хеллера

    КОЛИЧЕСТВО компаний мобильной радиосвязи используют автомобильный аккумулятор и комбинация двигатель-генератор для оснащения испытательного радиостенда низковольтным оборудованием, сильноточная мощность. Однако гораздо больше магазинов используют аккумуляторные батареи и зарядное устройство. Немногие компании, если таковые имеются, будут использовать обычные низковольтные блок питания, преобразующий 117-вольтовый переменный ток. линия на сильноточный постоянный ток В Причина этого в том, что обычный источник питания обычно имеет очень плохое регулирование напряжения для требований по току, которые сильно колеблются при кнопка передачи радиоприемника нажимается и отпускается.Также вывод Импеданс источника питания обычно высокий по сравнению с сопротивлением накопителя. аккумулятор. Можно приобрести регулируемый низковольтный сильноточный источник питания, но это будет сравнительно дорого, и приложение может не гарантировать такие затраты.


    ——— Простой транзисторный последовательный стабилизатор используется вместе с с обычным авторегулятором.

    Комбинация автомобильного аккумулятора и зарядного устройства, вероятно, наиболее популярны у обслуживающего персонала.Зарядное устройство подключено к аккумулятору а затем включается, когда радиостанция ставится на верстак для обслуживания. После радио отремонтировано и отключено от источника, разрешено зарядное устройство поработать некоторое время, чтобы снова разрядить аккумулятор.

    Затем необходимо выключить зарядное устройство и отсоединить аккумулятор так, чтобы он не разряжается через блок питания. Неудобство просмотра над аккумулятором, чтобы он не перезарядился, и отключите его, чтобы не разряжается, устраняется обычным автомобилем регулятор напряжения, как будет описано.


    Рис. 1. Принципиальная схема обычного тройного реле напряжения и тока. регулятор, используемый в автомобилях.

    Регулятор стандартного напряжения

    Стандартный регулятор напряжения (рис. 1) состоит из трех основных компонентов. Первое из них — реле отключения RL3.

    Это реле нормально разомкнуто, когда двигатель работает медленно или не работает. вообще и предотвращает разряд аккумулятора обратно через генератор.Когда двигатель работает и мощность генератора начинает расти, ток идет от генератора через последовательные и шунтирующие катушки к заземляет и подает питание на реле; подключение генератора к аккумулятору. Второе реле, RL2, представляет собой вибрационный регулятор тока, который управляет выходной ток генератора с шунтовой обмоткой. Этот регулятор сохраняет токовый выход генератора в безопасных пределах, так как генератор с шунтирующей обмоткой не имеет встроенных функций ограничения тока.

    Третий компонент — реле контроля напряжения вибрации, RL1. Весна натяжение якоря регулятора напряжения реле удерживает контакты закрывается, пока выход генератора не достигнет заданного напряжения. Как напряжение приближается к этому значению, ток через обмотку катушки намагничивает сердечник достаточно, чтобы опустить якорь, тем самым размыкая контакт точки. Это подключает сопротивление последовательно с обмоткой возбуждения и снижает выходное напряжение.

    Биметаллический шарнир обычно используется на якоре регулятора, чтобы для размыкания точек контакта в холодную погоду потребуется большее напряжение поскольку для зарядки аккумулятора в холодных условиях необходимо более высокое напряжение.

    Транзисторный регулятор напряжения

    Транзисторный электромеханический регулятор напряжения — это просто обычный автомобильный регулятор, подключенный к транзисторной схеме, которая занимает место функции поля генератора.См. Рис. 2. Используется с обычным нерегулируемый источник питания или зарядное устройство и аккумулятор на 12 вольт. Реле регулятора напряжения и тока штатного регулятора управления ток возбуждения генератора путем добавления сопротивления к нормально заземленный конец цепи возбуждения. Резисторы, найденные на оригинальном регуляторе должны быть удалены в транзисторном приложении, так как реле будут теперь используется для управления базовым током силового транзистора.

    Реле отключения работает в транзисторной системе так же, как и в автомобиле. Когда блок питания включен, ток течет через серийная и шунтирующая обмотки. Два результирующих магнитных поля действуют в том же направлении и добавить, чтобы потянуть вниз якорь реле, подключив аккумулятор к питанию через транзистор.

    Когда источник питания отключен, напряжение батареи выше, чем напряжение питания (заряд остался в конденсаторах фильтра), обратный ток течет от АКБ к земле в шунтирующей обмотке и от АКБ к источнику питания на землю в последовательной обмотке.Эти два течения теперь будет создавать противоположные полюса в сердечнике выреза и магнитного потяните за фиксаторы якоря реле, размыкая цепь, чтобы аккумулятор не разряжать обратно через блок питания.


    — Нижняя сторона радиатора транзистора, показывающая размещение базы резистор смещения. Обратите внимание на подключение к изолированной клеммной колодке.

    Регулятор тока RL2 ограничивает максимальную величину протекающего тока. из источника питания.Полный ток зарядки, идущий на аккумулятор должен проходить через обмотку катушки регулятора тока. Это текущие наборы магнитное поле и потянуть за якорь реле. Если текущий (и результирующее магнитное притяжение) превышает то, при котором натяжение якоря установлен, реле размыкается, отсоединяя базу транзистора от земли и отключение тока, идущего к батарее. Как только цепь в открытом состоянии, однако, поле регулятора схлопывается и реле возвращается в исходное положение.Этот, в свою очередь, снова настраивает поле и процесс повторяется от 150 до 250 раз в секунду. Это действие служит для предотвращения превышения энергопотребления. его максимальная номинальная токовая нагрузка.


    Рис. 2. Схема использования последовательного транзистора.

    Для удвоенного токового выхода можно использовать второй транзистор.

    Регулятор напряжения RL1 регулирует максимальное напряжение на клеммах аккумуляторной батареи. Когда напряжение аккумулятора достигает некоторого заданного напряжения во время зарядки (около 15 вольт) ток в обмотке шунта создает достаточно магнитного сила тянуть якорь реле вниз против натяжения пружины.Этот открывает цепь базы транзистора и отключает зарядный ток. Когда напряжение аккумулятора немного уменьшается, магнитное поле ослабевает. и позволяет контактам снова замкнуться. Это включает транзистор и позволяет источнику питания снова зарядить аккумулятор. Этот цикл повторяется от 50 до 200 раз в секунду, чтобы вызвать вибрацию якоря и т. удерживайте напряжение на достаточно постоянном уровне.

    ——-

    Детали конструкции простой схемы последовательного регулятора, которая спроектирована для использования с нерегулируемым настольным источником питания или зарядным устройством и аккумуляторной батареей.Занят для обслуживания мобильной радиосвязи.

    ———

    Когда питание включено и контакты RL1 и RL2 замкнуты, около 600 мА. базовых текущих потоков; транзистор теперь «повернут» включен или насыщен. Сопротивление коллектор-эмиттер очень низкое (около 0,080 Ом) и максимальный ток коллектора (ток зарядки). Когда контакты RL1 или RL2 размыкаются из-за чрезмерного напряжения или тока, базовый ток не протекает, и транзистор «повернут» выкл. «или отрезать.Сопротивление коллектора к эмиттеру очень высокое; приближающийся состояние разомкнутой цепи.

    RL1 можно регулировать в диапазоне напряжений, изменяя натяжение пружины. на реле якоря. RL2 следует отрегулировать, чтобы ограничить ток коллектора. до 10 ампер при использовании одного транзистора. Если больше зарядного тока требуется, можно подключить еще один транзистор (Q2), как показано на рис. 2 пунктирными линиями. Два транзистора могут выдерживать ток 20 ампер, обеспечивая используемый блок питания способен выдерживать ток 20 ампер при 16 вольт d.c.

    Регулятор, показанный на фотографиях, был сконструирован для зарядного тока. 5 ампер при 16 вольт. Транзистор должен иметь коллекторный ток. номинал, достаточный для выдерживания желаемого зарядного тока. Показанный это 2N174.

    Однако можно использовать силовой транзистор 2N277, 2N278 или 2N441. Даже некоторые транзисторы «по выгодной цене» могут использоваться в большинстве случаев, так как максимальное напряжение коллектор-эмиттер составляет 16 вольт или меньше.

    При установке транзистора на радиатор немного силиконовой смазки. должен быть помещен между ним и радиатором для лучшей теплопроводности.Радиатор электрически соединен с коллектором транзистора. поэтому следует позаботиться о том, чтобы ничто с другим потенциалом не могло коротко против него.

    Радиатор имеет площадь около 80 квадратных дюймов и трехконтактный барьерная планка, установленная на одном конце для подключения к эмиттеру транзистора, базовый резистор и коллектор. Резистор смещения базы помещается под радиатор с помощью изоляционной стойки, как показано на одном фотографий.Радиатор установлен вертикально под испытательный стенд. наряду с обычным автомобильным регулятором напряжения.


    Регулятор напряжения серии

    | Ошибка работы усилителя

    Регулятор напряжения серии транзисторов:

    Когда маломощный стабилитрон используется в простом последовательном стабилизаторе напряжения на транзисторах, ток нагрузки ограничивается максимальным током диода. Мощный стабилитрон, используемый в такой схеме, может обеспечивать более высокие уровни тока нагрузки, но при малой нагрузке теряется много энергии.Стабилизатор с эмиттерным повторителем, показанный на рис. 17-1, является усовершенствованием простой схемы регулятора, поскольку он потребляет большой ток от источника питания только тогда, когда это требуется для нагрузки. На рис. 17-1 (а) схема изображена в виде усилителя с общим коллектором (эмиттерного повторителя). На рис. 17-1 (b) схема показана в форме, обычно называемой регулятором серии . Транзистор Q 1 называется последовательным транзисторным стабилизатором напряжения .

    Выходное напряжение (В ) последовательного регулятора составляет (В Z — В BE ), а максимальный ток нагрузки (I L (макс) ) может быть максимальным током эмиттера, который Q 1 может пройти.Для транзистора 2N3055 I L может приближаться к 15 A. Когда I L равен нулю, ток, потребляемый от источника питания, приблизительно равен (I Z + I C (мин) ), где I C ( min) — это минимальный ток коллектора, обеспечивающий работоспособность Q 1 . Схема стабилитрона (R 1 и D 1 ) должна обеспечивать только базовый ток транзистора. Таким образом, последовательный транзисторный стабилизатор напряжения намного более эффективен, чем простой стабилизатор на стабилитронах.

    Стабилизатор напряжения серии

    с усилителем ошибки:

    Последовательный стабилизатор, использующий дополнительный транзистор в качестве усилителя ошибки , показан на рис. 17-2. Усилитель ошибки улучшает линейное регулирование и регулировку нагрузки в цепи. Усилитель также позволяет иметь выходное напряжение больше, чем напряжение стабилитрона. Резистор R 2 и диод D 1 являются опорным источником стабилитрона. Транзистор Q 2 и связанные с ним компоненты составляют усилитель ошибки, который управляет последовательным транзистором (Q 1 ).Выходное напряжение делится резисторами R 3 и R 4 , и сравнивается с уровнем напряжения стабилитрона (В 2 ). C 1 — конденсатор большой емкости, обычно от 50 мкФ до 100 мкФ, подключенный к выходу, чтобы подавить любую тенденцию регулятора к колебаниям.

    При изменении выходного напряжения схемы это изменение усиливается транзистором Q 2 и возвращается на базу Q 1 для корректировки уровня выходного напряжения.Предположим, что схема рассчитана на V o = 12 В, и что напряжение питания составляет V S = 18 В. Подходящее напряжение стабилитрона в этом случае может быть V Z = 6 В. Для этого V Z уровень, базовое напряжение Q 2 должно быть, V B2 = V Z + V BE2 = 6,7 В. Итак, резисторы R 3 и R 4 выбраны, чтобы дать V B2 = 6,7 В и V o = 12 В. Напряжение на базе Q 1 равно, V B1 = V o + V BE1 = 12.7 В. Кроме того, V R1 = V S — V B1 = 5,3 В. Ток через R 1 в основном является током коллектора Q 2 .

    Теперь предположим, что выходное напряжение по какой-то причине немного упало. Когда V o уменьшается, V B2 уменьшается. Поскольку напряжение эмиттера Q 2 поддерживается на уровне V Z , любое уменьшение V B2 появляется на базе эмиттера Q 2 . Уменьшение V BE2 приводит к уменьшению I C2 .Когда I C2 падает, V R1 уменьшается, а напряжение на базе Q 1 возрастает (V B1 = V S — V R1 ), вызывая увеличение выходного напряжения. Таким образом, уменьшение V o вызывает эффект обратной связи, который заставляет V o увеличиваться до своего нормального уровня. Применяя тот же подход, повышение V o выше его нормального уровня вызывает эффект обратной связи, который толкает V o снова к его нормальному уровню.

    При изменении входного напряжения изменяется напряжение на резисторе R 1 , чтобы выходное напряжение оставалось постоянным. Это изменение в V R1 производится изменением в I C2 , которое само по себе производится небольшим изменением в V или . Следовательно, изменение напряжения питания (ΔV S ) вызывает небольшое изменение выходного напряжения (ΔV o ). Соотношение между ΔV S и ΔV o зависит от усиления усилителя ошибки.Точно так же, когда ток нагрузки (I L ) изменяется, I B1 изменяется по мере необходимости, увеличивая или уменьшая I E1 . Вариант I B1 создается изменением I C2 , которое, опять же, является результатом изменения выходного напряжения ΔV o .

    Стабилизатор напряжения серии

    без усилителя ошибки:

    Характеристики последовательного регулятора без усилителя ошибки (рис. 17-1) аналогичны характеристикам стабилизатора на стабилитронах, за исключением случая воздействия нагрузки.Последовательный транзистор имеет тенденцию улучшать влияние нагрузки регулятора на коэффициент, равный транзистору h FE .

    Усилитель ошибки в регуляторе на рис. 17-3 (воспроизведенный с рис. 17-2) улучшает все аспекты характеристик схемы на величину, непосредственно связанную с усилением напряжения усилителя (A v ). Когда V S изменяется на ΔV S , выходное изменение составляет

    .

    Если ΔV S создается изменением напряжения питания переменного тока, влияние источника питания уменьшается в A v раз.ΔV S также может быть результатом увеличения или уменьшения тока нагрузки, что вызывает изменение среднего уровня напряжения питания постоянного тока. Таким образом, нагрузка от источника питания снижается в против раз.

    Теперь рассмотрим влияние пульсаций напряжения питания на схему на рис. 17-3. Форма волны пульсаций появляется на коллекторе транзистора Q 1. Если бы не было отрицательной обратной связи, она также присутствовала бы на базе Q 1 и на выходе регулятора.Однако, как и при изменении напряжения питания, входная пульсация уменьшается в A v , когда она появляется на выходе. Коэффициент подавления пульсаций рассчитывается как отношение децибел входного и выходного пульсаций напряжения.

    Конструкция регулятора:

    Для разработки принципиальной схемы последовательного транзисторного регулятора (как на рис. 17-3) стабилитрон выбран так, чтобы напряжение V Z было меньше выходного напряжения. Обычно подходит напряжение на стабилитроне, примерно равное 0,75 В .Соответствующие уровни тока выбираются для каждого резистора, а номиналы резисторов рассчитываются по закону Ома. Транзистор Q 1 выбран так, чтобы пропускать требуемый ток нагрузки и выдерживать необходимое рассеяние мощности. Радиатор (см. Раздел 8-8) обычно требуется для последовательного транзистора в регуляторе, который обеспечивает большие токи нагрузки. Как уже говорилось, к выходу обычно подключается большой конденсатор, чтобы гарантировать стабильность переменного тока усилителя (C 1 на рис. 17-3).

    Разница между входным и выходным напряжениями регулятора — это напряжение коллектор-эмиттер последовательного транзистора (Q 1 ), и это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы транзистор оставался работоспособным. Минимальный уровень V CE1 (известный как падение напряжения ) возникает в самой низкой точке формы волны пульсации (выпрямленного и отфильтрованного) необработанного входного постоянного тока. Если V CE1 слишком мал для правильной работы в этот момент, на выходе регулятора появляется пульсация большой амплитуды.

    Цепи стабилизации напряжения

    с использованием транзистора (BJT) и стабилитрона

    Цепи регулирования напряжения (регуляторы напряжения):

    Регулировка напряжения в цепи означает, что нам в голову придет стабилитрон. Но это не универсальное решение для регулирования напряжения.
    В этом коротком посте мы вкратце обсудим различные схемы регуляторов напряжения ….
    Рекомендуется прочитать о том, как стабилитрон обеспечивает стабилизацию напряжения в цепи. прежде чем продолжить….

    Стабилитрон на основе стабилизатора напряжения:



    Мы можем сделать простой стабилизатор напряжения, используя стабилитрон, как показано на рисунке ниже.
    Поскольку мы уже подробно обсуждали регулирование напряжения с помощью стабилитрона, здесь мы увидим ограничения / ограничения.

    1. Выходное напряжение V OUT не может быть настроено на точное значение.
    2. Стабилитрон обеспечивает лишь умеренную защиту от пульсаций напряжения.
    3. При изменении импеданса нагрузки стабилизатор стабилитрона не работает эффективно.
    4. Для соответствия большим колебаниям нагрузки следует использовать стабилитрон с большой номинальной мощностью. Это будет дорого.

    Транзисторный стабилизатор напряжения: Схема № 1

    На схеме ниже показан стабилизатор напряжения на транзисторе.
    По сравнению с стабилитроном обеспечивает лучшее регулирование.
    Эта схема обеспечивает регулировку напряжения с широкими вариациями нагрузки.
    В дополнение к этому, он обеспечит высокий выходной ток с лучшей стабильностью.

    Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что стабилитрон подключен к базе npn-транзистора.

    • Стабилитрон используется для регулирования тока от коллектора к эмиттеру.
    • Конденсатор (C) встроен для уменьшения шума стабилитрона.
    • В сочетании с резистором (R) он также образует RC-фильтр, который используется для уменьшения пульсаций напряжения.
    • BJT используется в конфигурации эмиттер-повторитель.
      т.е. эмиттер будет следовать за базой.
    • Стабилитрон используется для регулирования базового напряжения, которое приводит к регулируемому напряжению эмиттера.

    Обратите внимание, что в транзисторе ток, требуемый базой, всего лишь в 1 / hFE, умноженный на ток эмиттера и коллектора. Таким образом, стабилитрон малой мощности может регулировать базовое напряжение BJT, которое может пропускать через него огромный ток.

    Регулятор напряжения на основе BJT: Схема № 2
    • В некоторых случаях стабилитрон, подключенный к базе транзистора, не обеспечивает достаточного тока базы.
    • Для решения этой проблемы используется дополнительный транзистор, как показано на следующей схеме.
    • Этот дополнительный транзистор действует как усилитель.
    • Он усиливает ток, посылаемый на базу верхнего транзистора (т. Е. Ток базы верхнего BJT).

    Спасибо, что прочитали о схемах стабилизации напряжения …

    Подробнее:

    Идеи проекта Arduino в реальном времени (проекты аналогового ввода)
    Различия между механическим и электронным коммутатором
    Мини-проект «Электроника» для студентов-дипломников
    Как использовать ИС мостового выпрямителя? Как определить терминалы?

    Пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже…


    Назад к основам: ИС регуляторов напряжения, часть 1

    Среди регуляторов самая простая схема регулятора предназначена для регулятора напряжения с малым падением напряжения (LDO), топология которого показана на рис. 1 . Как линейный регулятор напряжения, его основными компонентами являются проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и выходной МОП-транзистор. Один вход усилителя ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения. Другой вход — это стабильное опорное напряжение (VREF).Если выходное напряжение увеличивается относительно VREF, усилитель ошибки изменяет выход проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

    Рис. 1. Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

    Низкое падение напряжения относится к разнице между входным и выходным напряжениями, которая позволяет ИС регулировать выходное напряжение. То есть LDO регулирует выходное напряжение до тех пор, пока его вход и выход не сблизятся друг с другом при падении напряжения.В идеале падение напряжения должно быть как можно меньшим, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности и максимизировать эффективность.

    Основным преимуществом LDO IC является ее относительно «тихая» работа, поскольку она не требует переключения. Напротив, импульсный регулятор обычно работает в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц, что может создавать электромагнитные помехи, влияющие на аналоговые или радиочастотные цепи. LDO с внутренним силовым MOSFET или биполярным транзистором могут обеспечивать выходные сигналы в диапазоне от 50 до 500 мА. Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

    Падение напряжения стабилизатора LDO определяет наименьшее используемое входное напряжение питания. То есть, хотя спецификации могут указывать на широкий диапазон входного напряжения, входное напряжение должно быть больше, чем напряжение падения плюс выходное напряжение. Для LDO с выпадением 200 мВ входное напряжение должно быть выше 3,5 В, чтобы на выходе было 3,3 В.

    При использовании LDO разница между входным и выходным напряжением может быть небольшой, а выходное напряжение должно строго регулироваться. Кроме того, переходные процессы должны быть достаточно быстрыми, чтобы выдерживать нагрузки, которые могут составлять от нуля до десятков ампер за наносекунды.Кроме того, выходное напряжение может изменяться из-за изменений входного напряжения, выходного тока нагрузки и температуры. В первую очередь, эти колебания выходного сигнала вызваны влиянием температуры на опорное напряжение LDO, усилитель ошибки и его резисторы выборки (R1 и R2).

    ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

    Во многих приложениях линейные источники питания были заменены импульсными источниками. Показанный в Рис. 2 — это типичный изолированный импульсный источник питания.

    Фиг.2. Импульсный источник питания включает и выключает входной постоянный ток, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока.

    Один из широко используемых подходов использует время включения и выключения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления выходным напряжением переключателя мощности. Отношение времени включения к времени периода переключения — это рабочий цикл. Чем выше рабочий цикл, тем выше выходная мощность переключателя силового MOSFET. Фильтр нижних частот, подключенный к выходному трансформатору, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения контроллера ШИМ.Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, который заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. Если выходное напряжение изменяется, обратная связь регулирует рабочий цикл, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

    Для генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, соответствующего разности двух входов. Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса.Выход компаратора подается на драйвер, выход которого идет на силовой полевой МОП-транзистор.

    Выходной фильтр нижних частот индуктора-конденсатора преобразует коммутируемое напряжение переключающего трансформатора в постоянное напряжение. Фильтр не идеален, поэтому всегда есть некоторый остаточный выходной шум, называемый пульсацией. Величина пульсации зависит от эффективности фильтра нижних частот на частоте переключения. Частоты переключения источника питания могут находиться в диапазоне от 100 кГц до более 1 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего номинала в выходном фильтре нижних частот.Однако более высокие частоты также могут увеличивать потери в силовых полупроводниках, что снижает эффективность источника питания.

    Что касается рассеиваемой мощности, выключатель питания является ключевым компонентом импульсного источника питания. Переключатель обычно представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, который работает только в двух состояниях — включенном и выключенном. В выключенном состоянии переключатель питания потребляет очень мало тока и рассеивает очень мало энергии. Во включенном состоянии переключатель питания потребляет максимальное количество тока, но его сопротивление во включенном состоянии невелико, поэтому в большинстве случаев его рассеиваемая мощность минимальна.При переходе из включенного состояния в выключенное и выключенного во включенное состояние переключатель питания проходит через свою линейную область, где он потребляет некоторую мощность. Таким образом, общие потери для переключателя мощности складываются из потерь во включенном и выключенном состояниях плюс потери при переходе через его линейную область.

    ИС преобразователя

    ИС для импульсных источников питания бывают двух основных конфигураций: ИС преобразователя и ИС контроллера.

    ИС преобразователя представляют собой полный преобразователь постоянного тока в постоянный в одном корпусе.Единственными необходимыми внешними компонентами обычно являются пассивные устройства. Переключатели питания могут быть либо биполярными, либо полевыми МОП-транзисторами, способными обрабатывать требуемый ток и мощность. Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС. Большинство переключателей мощности используют широтно-импульсную модуляцию для управления выходным напряжением, поэтому рабочий цикл изменяется в соответствии с желаемым выходным напряжением.

    Для ИС контроллера требуется внешний переключатель питания, либо биполярный транзистор, либо силовой полевой МОП-транзистор.Схема контроллера, в которой используется внешний переключатель питания, обычно имеет более высокий КПД, чем преобразователь со встроенным силовым полевым МОП-транзистором, поскольку интегрированные полевые МОП-транзисторы имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

    И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. Таким образом, материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

    Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.Изолированный преобразователь ( Рис. 2 ) использует трансформатор для обеспечения изоляции между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

    Первоначально в преобразователях с интегрированным переключателем мощности использовались биполярные переключатели питания, но практически во всех новых устройствах используются переключатели питания на полевых МОП-транзисторах, которые повышают эффективность.Еще одно повышение эффективности — использование интегрированных синхронных выпрямителей, состоящих из переключателей силовых полевых МОП-транзисторов, которые выпрямляют выход источника питания и обеспечивают выход постоянного тока.

    Среди функций, имеющихся в ИС преобразователя и контроллера:

    • Постоянное или регулируемое выходное напряжение

    • Несимметричные или синхронные выходы

    • Плавный пуск, обеспечивающий постепенное увеличение мощности

    • Блокировка минимального напряжения

    • Тепловое отключение

    • Максимальная токовая защита

    • Защита от перенапряжения

    НАСОС НАСОС ICS

    Зарядные насосы на самом деле представляют собой другую форму переключения питания.Они переключают конденсаторы, чтобы обеспечить преобразование постоянного напряжения, используя сеть переключателей для зарядки и разрядки одного или нескольких конденсаторов. Сеть переключателей переключает между состояниями заряда и разряда конденсаторов. Как показано на рис. 3 , «летающий конденсатор» (C1) перемещает заряд, а «накопительный конденсатор» (C2) удерживает заряд и фильтрует выходное напряжение.

    Рис. 3. Преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с индуктором или трансформатором.

    В базовом насосе заряда отсутствует регулирование, которое обычно добавляется с использованием либо линейного регулирования, либо модуляции насоса заряда. Линейное регулирование обеспечивает наименьший выходной шум и, следовательно, лучшую производительность. Модуляция подкачки заряда обеспечивает больший выходной ток для данного размера (или стоимости) кристалла, потому что ИС регулятора не обязательно должна включать в себя транзистор с последовательным проходом.

    Основным преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают при использовании индуктора или трансформатора.Существует один возможный источник электромагнитных помех — высокий зарядный ток, который течет к «летающему конденсатору», когда он подключается к входному источнику или другому конденсатору с другим напряжением.

    MOSFET, потому что интегрированные MOSFET имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

    И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. Таким образом, материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

    Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.В изолированном преобразователе (рис. 2) используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

    МНОГОКРАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР ICS

    ИС контроллеров с несколькими выходами состоят из двух или более регуляторов в одном корпусе.Это могут быть два импульсных преобразователя или два регулятора LDO.

    Примером двойного импульсного регулятора является понижающий DC-DC преобразователь с двойным токовым режимом PWM с внутренними переключателями мощности 2 А, эта ИС работает от входного напряжения от 3,6 В до 25 В, что позволяет ей регулировать широкий диапазон мощности. такие источники, как четырехэлементные батареи, логические шины 5 В, нерегулируемые настенные трансформаторы, свинцово-кислотные батареи и распределенные источники питания. Два регулятора имеют общую схему, включая источник входного сигнала, источник опорного напряжения и генератор, но в остальном они независимы.Их контур обратной связи контролирует пиковый ток в переключателе во время каждого цикла. Это управление в режиме тока улучшает динамику контура и обеспечивает ограничение тока от цикла к циклу.

    Пример микросхемы стабилизатора напряжения с двумя выходами и малым падением напряжения имеет встроенные функции сброса, сброса при включении (POR) и стабилизации питания (PG). Дифференцированные функции, такие как точность, быстрая переходная характеристика, схема контроля (сброс при включении питания), вход ручного сброса и независимые функции включения, обеспечивают полное системное решение.Эти регуляторы напряжения имеют чрезвычайно низкий уровень шума на выходе без использования каких-либо дополнительных байпасных конденсаторов фильтра и разработаны для обеспечения быстрой переходной характеристики и обычно стабильны с конденсаторами с низким ESR.

    Это семейство LDO также может иметь спящий режим; подача высокого сигнала на разрешающий вход отключает Регулятор 1 или Регулятор 2 соответственно. Перевод регуляторов в спящий режим снижает входной ток до TJ = 25 ° C. Каждый регулятор имеет внутренний разрядный транзистор для разрядки выходного конденсатора, когда регулятор выключен (отключен).

    Микросхемы контроллеров с несколькими выходами также могут состоять из двух или более преобразователей накачки заряда в одном корпусе. Это могут быть контроллеры с внешними переключателями питания или регуляторы с внутренним переключателем питания. Одна из возможностей — это выход 5 В и выход 3,3 В для процессоров и логических приложений.

    Например, типичные микросхемы контроллера накачки заряда с несколькими выходами могут понижать преобразователи постоянного тока в постоянный, которые производят два регулируемых регулируемых выхода из одного 2.Вход от 7 В до 5,5 В. В ИС используется дробное преобразование переключаемых конденсаторов для достижения типичного повышения эффективности на 50% по сравнению с линейным регулятором. Никаких индукторов не требуется.

    ИС имеет два переключаемых насоса заряда конденсаторов для понижения VIN до двух регулируемых выходных напряжений. Два нагнетательных насоса работают со сдвигом по фазе на 180 °, чтобы уменьшить входную пульсацию. Регулировка достигается путем измерения каждого выходного напряжения через внешний резистивный делитель и модуляции выходного тока накачки заряда на основе сигнала ошибки.Двухфазный, неперекрывающийся тактовый сигнал активирует два зарядных насоса, запускающих их в противофазе друг от друга.

    СИНХРОННАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

    КПД — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, требующих малой мощности. Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. Выходные выпрямители могут быть диодами Шоттки, но с синхронным выпрямлением ( рис.4 ), состоящие из силовых полевых МОП-транзисторов, обеспечивают более высокий КПД.

    Рис. 4. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем выпрямитель на диоде Шоттки.

    МОП-транзисторы демонстрируют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки. В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.