Стабилизатор напряжения на транзисторе схема. Стабилизатор напряжения на транзисторе: схемы, принцип работы, расчет — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает стабилизатор напряжения на транзисторе. Какие бывают схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах. Как рассчитать параметры стабилизатора напряжения на транзисторе. Какие преимущества и недостатки у транзисторных стабилизаторов напряжения.

Содержание

Принцип работы стабилизатора напряжения на транзисторе

Стабилизатор напряжения на транзисторе представляет собой электронную схему, предназначенную для поддержания постоянного выходного напряжения при изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Основной принцип работы такого стабилизатора заключается в использовании транзистора в качестве регулирующего элемента.

Как работает стабилизатор напряжения на транзисторе:

Транзистор включается последовательно с нагрузкой
На базу транзистора подается опорное напряжение от стабилитрона
При повышении входного напряжения транзистор приоткрывается, увеличивая свое сопротивление
При понижении входного напряжения транзистор приоткрывается, уменьшая сопротивление

За счет изменения сопротивления транзистора поддерживается постоянное выходное напряжение

Таким образом, транзистор выполняет роль переменного сопротивления, автоматически регулируемого для стабилизации выходного напряжения.

Основные схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах

Существует несколько базовых схем стабилизаторов напряжения на транзисторах:

1. Параметрический стабилизатор

Простейшая схема, состоящая из стабилитрона и транзистора. Стабилитрон задает опорное напряжение, а транзистор работает в режиме эмиттерного повторителя.

2. Компенсационный стабилизатор

Более сложная схема с цепью обратной связи. Содержит усилитель ошибки, сравнивающий выходное напряжение с опорным. За счет отрицательной обратной связи обеспечивается высокая стабильность выходного напряжения.

3. Стабилизатор с составным транзистором

Использует составной транзистор (пару Дарлингтона) для увеличения коэффициента усиления по току. Позволяет получить больший выходной ток.

4. Стабилизатор с защитой от перегрузки

Дополнительно содержит схему ограничения выходного тока для защиты транзистора от перегрузки и короткого замыкания в нагрузке.

Расчет параметров стабилизатора напряжения на транзисторе

При расчете стабилизатора напряжения на транзисторе необходимо определить следующие основные параметры:

Напряжение стабилизации стабилитрона
Ток стабилизации стабилитрона
Сопротивление ограничительного резистора
Максимальный ток коллектора транзистора
Мощность рассеивания на транзисторе

Пример расчета параметрического стабилизатора:

Выбираем стабилитрон с напряжением стабилизации Uст = 6.2 В
Задаем ток стабилизации Iст = 10 мА
Рассчитываем сопротивление ограничительного резистора: R = (Uвх — Uст) / Iст
Определяем максимальный ток нагрузки: Iн.макс = β * Iст, где β — коэффициент усиления транзистора

Рассчитываем мощность рассеивания на транзисторе: P = (Uвх — Uвых) * Iн.макс

Полученные значения позволяют подобрать необходимые компоненты схемы стабилизатора.

Преимущества стабилизаторов напряжения на транзисторах

Стабилизаторы напряжения на транзисторах обладают рядом достоинств:

Простота схемотехнических решений
Низкий уровень пульсаций выходного напряжения
Высокое быстродействие
Возможность получения больших выходных токов
Низкий уровень собственных шумов

Эти преимущества делают транзисторные стабилизаторы востребованными во многих областях электроники.

Недостатки стабилизаторов напряжения на транзисторах

Однако стабилизаторы напряжения на транзисторах имеют и некоторые недостатки:

Низкий КПД из-за рассеивания мощности на регулирующем транзисторе
Необходимость использования радиатора для отвода тепла

Сложность получения высоких выходных напряжений
Чувствительность к перегрузкам по току

Эти недостатки ограничивают применение транзисторных стабилизаторов в некоторых случаях, особенно при больших перепадах между входным и выходным напряжением.

Области применения стабилизаторов напряжения на транзисторах

Несмотря на развитие интегральных стабилизаторов, транзисторные схемы по-прежнему находят применение в различных областях:

Лабораторные источники питания
Прецизионные измерительные приборы
Аудиотехника высокого класса
Промышленная автоматика
Зарядные устройства

В этих сферах важны такие качества транзисторных стабилизаторов, как низкий уровень шумов и высокое быстродействие.

Сравнение стабилизаторов напряжения на транзисторах и интегральных стабилизаторах

При выборе между транзисторным и интегральным стабилизатором напряжения следует учитывать ряд факторов:

Параметр	Транзисторный стабилизатор	Интегральный стабилизатор
Сложность схемы	Выше	Ниже
Выходной ток	Может быть очень большим	Ограничен характеристиками микросхемы
Уровень шумов	Очень низкий	Низкий
Габариты	Больше	Меньше
Стоимость	Выше при малых токах	Ниже при малых токах

Выбор типа стабилизатора зависит от конкретных требований к устройству и условий его эксплуатации.

Перспективы развития стабилизаторов напряжения на транзисторах

Несмотря на широкое распространение интегральных стабилизаторов, транзисторные схемы продолжают развиваться:

Разрабатываются новые схемотехнические решения для повышения КПД
Создаются гибридные схемы, сочетающие транзисторы и интегральные компоненты

Применяются современные мощные транзисторы с улучшенными характеристиками
Внедряются цифровые методы управления для повышения точности стабилизации

Эти тенденции позволяют сохранить актуальность транзисторных стабилизаторов в современной электронике.

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

Схемы и онлайн расчёт элементов регулируемых стабилизаторов напряжения

Это нужно знать

Весь перечень знаний находится на этой странице

Онлайн расчёт элементов схем линейных стабилизаторов с фиксированным и
регулируемым выходным напряжением.

Для поддержания стабильной работы и сохранения заявленных параметров электрооборудования его питание в большинстве случаев должно осуществляться постоянным и неподконтрольным никаким внешним воздействиям напряжением. Как правило, эта функция возлагается на устройства, называемые стабилизатором напряжения.
Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, предназначенный для поддержания уровня выходного напряжения в заданных пределах при изменениях следующих величин: входного напряжения, сопротивления нагрузки, а также в идеале — температуры и иных внешних воздействий.

Ещё не так давно подобные узлы строились на стабилитронах и транзисторах, однако с появлением специализированных микросхем, необходимость в самостоятельном конструировании подобных схем скоротечно отпочковалась, ввиду очевидной простоты реализации стабилизаторов, выполненных на интегральных микросхемах. А зря!

Там, где значения коэффициента стабилизации Кст допустимо исчислять десятками, а не сотнями-тысячами, простейший параметрический стабилизатор не только имеет право на существование, но и выигрывает у своих интегральных собратьев по такому важному параметру, как чистота выходного напряжения и отсутствие импульсных помех в момент резкого изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим такие простейшие устройства стабилизаторов напряжения.

Рис.1 а) Простейшая схема б) С эмиттерным повторителем в) С регулируемым вых. напряжением

Схема стабилизатора напряжения, приведённая на Рис.1 а), используется в основном с устройствами, через которые не протекает существенных токов. От номинала резистора Rст зависит величина тока Iвх, протекающего как через стабилитрон, так и через нагрузку. Величина этого тока рассчитывается по формуле: R_ст = (U_вх — U_ст)/ I_вх,
а I_вх должен удовлетворять условию I_вх ≥ I_{н. макс} + I_{ст. мин}, где I_{н. макс} — максимальный ток в нагрузке при заданном выходном напряжении, а I_{ст. мин} — минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника. В стабилитронах отечественных производителей параметр I_{ст. мин}, как правило, задан в явном виде, у зарубежных может быть не указан вообще. Куда податься бедному еврею? Я бы рекомендовал в этом случае ориентироваться на значение тока из datasheet-ов «Izk» (значение при котором стабилитрон обладает максимальным импедансом) и увеличить эту величину в 2…3 раза. Хотя, по большому счёту, оптимальным (с точки зрения достижения максимальных параметров) током для стабилитрона является тестовый ток, при котором измеряются основные характеристики полупроводника.

Для наиболее эффективного выполнения своих задач стабилитрону довольно важно, чтобы мощность нагрузки не превышала мощности, рассеиваемой на полупроводнике. Поэтому если возникает потребность стабилизации напряжения в нагрузках, потребляющих значительную мощность, используется дополнительный усилитель тока — эмиттерный повторитель (Рис.1 б)). В этом случае нагрузкой для стабилитрона является входное сопротивление повторителя R_вх ≈ R_н x (1 + β), т.е. ток нагрузки можно увеличить в β раз. Тут важно учитывать падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, в связи с чем напряжение на выходе стабилизатора будет на 0,6…0,7 В (на 1,2…1,4 В для составного транзистора) меньше напряжения стабилизации стабилитрона .

Установив параллельно стабилитрону переменный резистор (Рис.1 в)), возникает возможность изменять напряжение стабилизации в нагрузке от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона (за вычетом падения напряжения Uбэ на переходе транзистора). Естественно, что ток, протекающий через переменник, также необходимо учитывать, задаваясь его значением — не меньшим, чем входной ток эмиттерного повторителя.
Сдобрим пройденный материал калькулятором.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Выбор схемы стабилизатора	Рис.1 а) Рис.1 б) Рис.1 в)
Входное напряжение Uвх (В)
Выходное напряжение Uвых (В)
Макс. выходной ток Iн (мА)
Мин. ток стабилизации стабилитрона (мА)
β транзистора (в схемах б) и в))

Сопротивление R1 (кОм) (не более)
Ток через стабилитрон без нагрузки (мА)
Напряжение стабилизации стабилитрона (В)
Номинал потенциометра Rп (для схемы в)) (кОм)

Схемы компенсационных линейных стабилизаторов являются основой большинства интегральных микросхем, выполняющих функцию стабилизации напряжений и токов, и в простейшем виде могут быть выполнены на стабилитроне и паре транзисторов (Рис. 2).

Рис.2 Схемы компенсационных линейных стабилизаторов напряжения

Здесь стабилитрон является источником опорного напряжения, а транзистор Т2 — устройством сравнения выходного напряжения, поступающего через резистивный делитель на его базу, с опорным значением напряжения на его эмиттере. Повысилось выходное напряжение, а вместе с ним напряжение на базе Т2, транзистор приоткрывается и притягивает напряжение на базе регулирующего транзистора Т1 к минусовой (земляной) шине, тем самым, уменьшая напряжение на его эмиттере, а соответственно и на выходе схемы. Снизилось выходное напряжение — всё то же самое, только наоборот. Компенсационные стабилизаторы на транзисторах имеют более высокий коэффициент стабилизации по сравнению с устройствами, представленными на Рис.1, но в связи наличием обратной связи имеют и свои недостатки.
В связи с этим подробно останавливаться на них мы не будем, а перейдём сразу к интегральным стабилизаторам, имеющим похожий принцип действия, но значительно более сложным по структуре, обладающих более высокими характеристиками и при этом — очень простых и удобных в реализации.

Существует два типа подобных интегральных микросхем: регулируемые стабилизаторы напряжения и стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения. Во втором случае схема стабилизатора приобретает неприлично примитивный вид, незаслуживающий какого-то серьёзного обсуждения.
В случае же стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, схема всё ещё остаётся достаточно простой, но требует некоторых умственных манипуляций, связанных с расчётом резистивного делителя для получения требуемого выходного напряжения.

Типовая схема включения большинства регулируемых микросхем приведена на Рис.3.

Рис.3

Формула для расчёта выходного напряжения имеет вид V_out = V_ref x (1+R2/R1) + I_adj x R2,
причём номинал сопротивления R1, как правило, задаётся производителем микросхемы для достижения наилучших параметров выходных характеристик.

Отдельные бойцы для снижения пульсаций ставят дополнительные электролиты значительных величин параллельно резистору R2. Оно, конечно, бойцы эти герои, но зачем же стулья ломать?
Любое резкое увеличение тока нагрузки, приводящее к снижению выходного напряжения, не сможет моментально отработаться схемой автоматической регулировки из-за задержки в цепи обратной связи, обусловленной данным конденсатором, а это в значительной степени снизит быстродействие устройства.
И если для статических нагрузок параметр быстродействия стабилизатора по барабану, то для динамических (к примеру, таких как УНЧ) — очень даже немаловажен. Поэтому — либо эти электролиты вообще не нужны, либо (если их настоятельно рекомендует Datasheet) ставить конденсаторы небольших номиналов в строгом соответствии с рекомендациями производителя.

Для начала — справочная таблица с основными техническими характеристиками наиболее часто используемых интегральных стабилизаторов с регулировкой выходного напряжения.

Приведённая ниже таблица позволяет рассчитать номиналы резисторов делителя некоторых популярных типов микросхем регулируемых стабилизаторов, представленных разными производителями.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ — СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Тип	U вх макс В	І вых макс А	І вых мин мА	U вых мин В	U вых макс В
КР142ЕН11	-40	1,5	10	-1,2	-37
КР142ЕН12	40	1,5	10	1,2	37
КР142ЕН18	-40	1,5	10	-1,2	-37
КР142ЕН22	35	5	10	1,25	34
КР142ЕН22А	35	7,5	10	1,25	34
КР142ЕН22Б	35	10	10	1,25	34
LT1083	35	7,5	10	1,2	34
LT1084	35	5	10	1,2	34
LT1085	35	3	10	1,2	34
LM117	40	1,5	5	1,2	37
LM137	-40	1,5	10	-1,2	-37
LM138	35	5	10	1,2	32
LM150	35	5	10	1,2	33
LM217	40	1,5	5	1,2	37
LM317	40	1,5	5	1,2	37
LM317LZ	40	0,1	5	1,2	37
LM337	-40	1,5	10	-1,2	-37
LM337LZ	-40	0,1	10	-1,2	-37
LM338	35	5	10	1,2	32
LM350	35	3	10	1,2	33
TL783	126	0,7	0,1	1,25	125

Выбор микросхемы стабилизатора	КР142ЕН11 КР142ЕН12 КР142ЕН18 КР142ЕН22 КР142ЕН22А КР142ЕН22Б, В LT137A LT337A LT1083 LT1084 LT1085 LM117 LM137 LM217 LM317B, D, H, K, P, T LM317LZ, LM LM317MD LM337T LM337LZ LM338T, K LM350 TL783
Выходное напряжение Uвых (В)

Сопротивление R1 (Ом)
Сопротивление R2 (Ом)
Максимально допустимое входное напряжение (В)
Максимальный ток нагрузки (А)
Комментарии при ошибке ввода

Если не хотите, чтобы вдруг «раздался мощный пук» — послеживайте за полярностью включения конденсатора С2.

Она должна совпадать с полярностью входного (выходного) напряжения.

Отдельно хочу остановиться на МИКРОМОЩНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ С МАЛЫМ СОБСТВЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ.

Такого рода стабилизаторы окажутся совсем не лишними в хозяйстве, так как смогут обеспечить такой важнейший показатель радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов.

Здесь выбор интегральных микросхем заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому начну я с простой, но проверенной временем схемы на дискретных элементах.

Рис.2

Чем хорош КТ315 в данном включении?
На обратно смещённом переходе КТ315 при напряжении 6 — 7,5В, в зависимости от экземпляра транзистора, возникает электрический (не побоюсь этого слова) пробой, что позволяет использовать его в качестве стабилитрона на эту-же самую величину напряжения пробоя. При этом транзистор в таком включении, в отличие от многих промышленных стабилитронов, хорошо работает и при малых токах стабилизации, порядка 100 мкА.

Из относительно гуманных по цене интегральных стабилизаторов с малым собственным потреблением, могу порекомендовать LP2950, LP2951, LM2931, LM2936 и им подобные.

Пропуск серии

» Примечания по электронике

Существует множество последовательных схем линейных регуляторов напряжения, использующих простые конструкции с одним транзистором, вплоть до более сложных регуляторов на основе ИС.

Схемы линейных источников питания. Учебное пособие. Включает:
Линейные источники питания. Шунтовой регулятор Серийный регулятор Ограничитель тока Регуляторы и цепи серии 78** Регулятор напряжения LM317 и схемы LDO, регуляторы с малым падением напряжения

См. также: Обзор электроники источника питания Импульсный источник питания Сглаживание конденсатора Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

Последовательный стабилизатор напряжения, или, как его иногда называют, последовательно-проходной регулятор, является наиболее часто используемым подходом к проектированию схем для обеспечения окончательного регулирования напряжения в линейном стабилизированном источнике питания.

Линейный стабилизатор напряжения серии

обеспечивает высокий уровень производительности, особенно когда на регулируемом выходе требуется низкий уровень шума, пульсаций и переходных процессов, а схемы зачастую относительно просты в проектировании.

Существует множество схем линейных регуляторов напряжения, использующих дискретные электронные компоненты, которые обеспечивают стабилизацию с помощью элемента последовательного прохода — метод последовательного прохода наиболее широко используется в блоках питания.

Это означает, что существует множество вариантов последовательных регуляторов напряжения, которые открыты при разработке электронной схемы источника питания.

В схемотехнике можно использовать одну из многих ИС или микросхем регулятора напряжения. Эти ИС широко доступны и довольно дешевы, что делает их идеальным вариантом для многих схем линейных регуляторов напряжения.

Основы схемы регулятора напряжения серии

В последовательном регуляторе напряжения или последовательном регуляторе напряжения используется переменный элемент, включенный последовательно с нагрузкой. Изменяя сопротивление последовательно включенного элемента, можно изменять падение напряжения на нем, чтобы гарантировать, что напряжение на нагрузке остается постоянным.

Блок-схема последовательного регулятора напряжения

Преимущество последовательного регулятора напряжения заключается в том, что величина потребляемого тока фактически равна потребляемой нагрузке, хотя часть тока будет потребляться любой схемой, связанной с регулятором.

В отличие от шунтирующего регулятора напряжения, последовательный регулятор не потребляет полный ток, даже если нагрузка не требует никакого тока. В результате последовательный регулятор напряжения значительно эффективнее.

Вместо того, чтобы потреблять ток, который не требуется нагрузке для поддержания напряжения, он сбрасывает разницу напряжений между входным напряжением и требуемым стабилизированным напряжением.

Для поддержания достаточного уровня регулирования и подавления шумов и переходных процессов, которые могут быть связаны с входным напряжением, последовательные линейные регуляторы напряжения должны обеспечивать значительное падение напряжения.

Для многих высококачественных регуляторов напряжения с низким уровнем шума и пульсаций требуется несколько вольт на последовательном элементе регулятора. Это означает, что в этом компоненте могут рассеиваться значительные уровни мощности, и для устройства регулятора последовательного прохода, а также для источника питания в целом требуется хороший теплоотвод и возможность отвода тепла.

Несмотря на то, что последовательный регулятор значительно более эффективен, чем шунтирующий регулятор, он значительно менее эффективен, чем импульсный источник питания.

Эффективность последовательного стабилизатора напряжения и любых линейных источников питания, использующих их, будет зависеть от нагрузки и т. д., но часто достигаются уровни эффективности менее 50 %, тогда как импульсные источники питания могут достигать уровней более 90 %.

Регуляторы напряжения серии

имеют относительно низкий уровень эффективности по сравнению с импульсными источниками питания, но они имеют преимущества простоты, а также их выходной сигнал свободен от пиков переключения, наблюдаемых на некоторых импульсных источниках питания, хотя SMPS улучшаются, а производительность из многих исключительно хорош в наши дни.

Простой регулятор напряжения эмиттерного повторителя

Электронная схема простого регулятора напряжения на транзисторном эмиттерном повторителе очень проста. Эта схема сама по себе широко не используется в линейных источниках питания, но может использоваться в другом оборудовании для обеспечения понижающего напряжения и т. д. от шины более высокого напряжения.

Регулятор базовой серии с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

В схеме используется однопроходный транзистор в конфигурации с эмиттерным повторителем и один стабилитрон или другой диод регулятора напряжения, управляемый резистором от нерегулируемого источника питания.

Это обеспечивает простую форму системы обратной связи, обеспечивающую поддержание напряжения Зенера на выходе, хотя и с уменьшением напряжения, равным напряжению перехода база-эмиттер — 0,6 вольт для кремниевого транзистора.

Спроектировать подобную схему последовательного регулятора напряжения несложно. Зная максимальный ток, требуемый нагрузкой, можно рассчитать максимальный ток эмиттера. Это достигается путем деления тока нагрузки, то есть тока эмиттера транзистора, на β или hfe транзистора.

Стабилитрону обычно требуется минимум около 10 мА для небольшого стабилитрона, чтобы поддерживать регулируемое напряжение. Затем следует рассчитать резистор, чтобы обеспечить базовый ток возбуждения и минимальный ток Зенера, исходя из нерегулируемого напряжения, напряжения Зенера и требуемого тока. [(Нерегулируемое напряжение — напряжение Зенера)/ток].

стоит отметить, что к току следует добавить небольшой запас, чтобы обеспечить достаточно места для запаса при нагрузке и, следовательно, базе транзистора, принимающей полный ток.

Рассеиваемая мощность стабилитрона должна быть рассчитана для случая, когда ток нагрузки, а значит, и ток базы равен нулю. В этом случае диод Зенера должен будет принимать полный ток, проходящий через последовательный резистор.

Иногда конденсатор может быть размещен параллельно стабилитрону или диоду опорного напряжения, чтобы устранить шум и любые переходные процессы напряжения, которые могут возникнуть.

Выходная выборка

Простая схема последовательного регулятора напряжения эмиттерного повторителя напрямую сравнивает выходной сигнал с эталонным напряжением. Таким образом, выходное напряжение было равно эталонному, без учета падения напряжения на базе-эмиттере.

Однако можно улучшить работу регулятора напряжения, замерив долю выходного напряжения и сравнив ее с эталоном.

Для этой функции можно использовать дифференциальный усилитель, такой как операционный усилитель. Если это сделать, то выходное напряжение станет больше, чем опорное напряжение, поскольку отрицательная обратная связь в цепи пытается сохранить два сравниваемых напряжения одинаковыми.

Если, например, опорное напряжение составляет 5 вольт, а выборка или делитель потенциала обеспечивает 50 % выходного напряжения, то выходное напряжение будет поддерживаться на уровне 10 вольт.

Последовательный стабилизатор напряжения с выборочным выходом /figcaption>

Деление потенциала или дискретизация могут быть сделаны переменными, и таким образом выходное напряжение может быть отрегулировано до требуемого значения. Обычно этот метод используется только для небольших регулировок, так как минимальный выходной уровень, полученный этим методом, равен выходному напряжению.

Следует помнить, что использование делителя потенциала приводит к уменьшению усиления контура обратной связи. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления контура и, таким образом, снижению эффективности регулирования. Обычно имеется достаточное усиление контура, чтобы это не было серьезной проблемой, за исключением случаев, когда оцифровывается очень небольшая часть выходного сигнала.

Также следует соблюдать осторожность, чтобы не увеличивать выходное напряжение до точки, при которой регулятор не имеет достаточного падения для достаточной регулировки выходного напряжения.

Регулятор прохода серии

с обратной связью

Чтобы обеспечить более высокий уровень производительности по сравнению с простым эмиттерным повторителем, в схему регулятора напряжения можно добавить более сложную цепь обратной связи. Это достигается путем выборки выходного сигнала, сравнения его с эталоном и последующего использования дифференциального усилителя той или иной формы для обратной связи по разнице для исправления ошибок.

Можно использовать простую двухтранзисторную схему для последовательного стабилизатора с измерением напряжения и обратной связью. Хотя использовать операционный усилитель, обеспечивающий более высокий уровень обратной связи и, следовательно, лучшее регулирование, довольно просто, эта двухтранзисторная схема хорошо иллюстрирует принципы.

Простая двухтранзисторная схема регулятора последовательного прохода

В этой схеме TR1 образует последовательный транзистор. Второй транзистор, TR2, действует как дифференциальный усилитель, подавая напряжение ошибки между эталонным диодом и измеренным выходным напряжением, которое является пропорцией выходного напряжения, установленного потенциометром. Резистор R1 обеспечивает ток для коллектора TR2 и диода опорного напряжения ZD1.

Опорное напряжение

Любой линейный регулятор напряжения может быть настолько хорош, насколько хорош эталон напряжения, который используется в качестве основы для сравнения в системе.

Хотя теоретически можно использовать батарею, это не подходит для большинства приложений. Вместо этого почти повсеместно используются эталоны на основе стабилитронов.

В стабилизаторах и эталонах на интегральных схемах используются сложные встроенные комбинации транзисторов и резисторов для получения точных источников опорного напряжения с температурной компенсацией.

Опорное напряжение должно подаваться от нерегулируемого источника. Его нельзя снять с регулируемого выхода, так как есть проблемы с запуском. При запуске выходной сигнал отсутствует, поэтому опорный выходной сигнал будет равен нулю и будет поддерживаться до тех пор, пока не будет запущен опорный сигнал.

Упрощенный источник опорного напряжения для последовательного стабилизатора напряжения

Интересно, что будет видно, что базовый источник опорного напряжения типа стабилитрона представляет собой шунтирующий, а не последовательный стабилизатор. Однако это опорное напряжение затем используется для управления последовательной схемой регулятора напряжения.

Часто выходной сигнал источника задания подается через делитель напряжения. Это не только снижает выходное напряжение, что обычно очень полезно, но также позволяет добавить конденсатор к выходу, чтобы устранить любые пульсации или шумы, которые могут присутствовать. Пониженное напряжение также полезно, поскольку минимальное выходное напряжение определяется опорным напряжением.

Линейные стабилизаторы напряжения с интегральной схемой

Существует очень много отличных интегральных схем, которые позволяют очень легко спроектировать последовательный регулятор. Многие из них существуют уже несколько лет, и в результате они широко доступны и очень дешевы.

Интегральные схемы

, такие как известные серии 78xx, LM317, LM340 и многие другие, обеспечивают очень простой способ создания простого, но очень хорошего линейного регулятора.

Эти конкретные схемы представляют собой регуляторы с тремя клеммами, имеющие одну клемму для входа, одну для выхода и общую, либо заземленную, либо резисторную сеть для обратной связи по напряжению.

• Цепи регуляторов серии 74xx и LM340

Регуляторы серии 78xx очень хорошо известны и доступны уже очень много лет. Они доступны для широкого спектра напряжений, где «xx» заменяется требуемым напряжением.

Эти регуляторы представляют собой простые устройства с тремя клеммами, но они имеют большое количество встроенных функций, помимо регулирования напряжения: внутреннее ограничение тока, тепловое отключение и компенсация безопасной зоны, что делает их практически неразрушимыми.

Корпус и распиновка TO220 для регулятора напряжения серии 7800

Эта схема регулятора напряжения очень проста и использует очень мало электронных компонентов.

Базовая схема регулятора напряжения серии 7800

Это базовая схема, используемая для любого регулятора напряжения серии 7800. Он очень успешен и не требует дополнительных компонентов, кроме тех, которые показаны для основной операции.

Серия LM340 практически аналогична серии 78xx, за исключением того, что они имеют несколько более высокие технические характеристики и более строгие допуски по выходному напряжению.

Подробнее о . . . . Схемы регулятора напряжения 78xx.

• Цепи регулятора LM317

ИС стабилизатора напряжения LM317 представляет собой регулируемый стабилизатор положительного напряжения с 3 выводами, который можно использовать в схемных решениях, обеспечивающих ток более 1,5 А в диапазоне выходного напряжения от 1,2 В до 37 В.

Предполагается, что входное напряжение таково, что может быть получено достаточное падение напряжения между входом и выходом, чтобы обеспечить достаточную стабилизацию при требуемом выходном напряжении.

LM317 представляет собой базовый электронный компонент для создания очень простой, но эффективной схемы регулятора переменного напряжения. Конструкция очень проста и требует двух внешних резисторов для установки выходного напряжения.

В дополнение к этому ИС включает в себя внутреннее ограничение тока, тепловое отключение и компенсацию безопасной зоны, что делает ее очень надежной и практически неповреждаемой.

Ввиду того, что выходное напряжение может быть установлено с помощью двух внешних резисторов, схемы регулятора напряжения могут иметь программируемый выходной регулятор или путем подключения постоянного резистора между регулировкой и выходом, LM317 может использоваться в качестве прецизионный регулятор тока.

Базовая схема стабилизатора напряжения серии LM317

Подробнее о . . . . Схемы регулятора напряжения LM317.

Серийные регуляторы напряжения с малым падением напряжения

Одним из соображений, касающихся любого регулятора, является напряжение, которое должно быть приложено к последовательному проходному элементу. Часто для линейных регуляторов требуется значительное падение на последовательном проходном элементе для достижения наилучшего регулирования и подавления шума. Например, линейный регулятор с выходным напряжением 12 вольт может быть рассчитан на входное напряжение 18 вольт или более.

Для любого линейного регулятора существует минимальное напряжение, которое требуется на последовательном элементе до того, как регулятор «выпадет». Это падение напряжения можно увидеть во многих интегральных схемах линейного регулятора.

В некоторых схемах важно иметь стабилизатор с малым падением напряжения. Если доступное входное напряжение не особенно велико, может быть важно иметь линейный стабилизатор с малым падением напряжения. Он должен будет хорошо регулироваться, несмотря на ограниченное напряжение на нем.

Основные параметры для серийных линейных регуляторов напряжения

При рассмотрении технических характеристик серийных линейных регуляторов или при разработке электронной схемы для них большое значение имеет ряд параметров

Максимальное входное напряжение: Это максимальное входное напряжение, которое может выдержать последовательный стабилизатор. Часто хорошее падение напряжения на стабилизаторе обеспечивает лучшую стабилизацию. Однако максимальное входное напряжение не должно превышаться, и обычно рекомендуется иметь значительный запас между приложенным напряжением и указанным максимумом. Работа на 60% или меньше обычно является хорошей практикой и повышает надежность.
Разница между входным и выходным напряжением: Максимальная разница между входным и выходным напряжением — еще одна важная цифра, представляющая собой напряжение на последовательном проходном элементе. В некоторых случаях сама микросхема регулятора может работать над землей, и в этом случае большое значение имеет максимальное входное выходное напряжение. Опять же, работа значительно ниже максимума обеспечит большую надежность.
Текущий рейтинг: Максимальный ток, который может пропустить любой линейный регулятор напряжения. Чем выше ток, тем выше рассеиваемая мощность, особенно при больших перепадах напряжения на элементе последовательного регулятора. Спецификация максимального тока будет зависеть от множества факторов, включая уровень теплоотвода элемента регулятора, а также температуру окружающей среды в оборудовании и, конечно же, перепад напряжения.
Падение напряжения: Спецификация падения напряжения представляет собой минимальный перепад входного и выходного напряжения на последовательном стабилизаторе, при котором он может обеспечить регулируемый выход. Для многих регуляторов оно может составлять несколько вольт, но для регуляторов с малым падением напряжения оно может составлять порядка нескольких сотен милливольт.
Линейное регулирование: Линейное регулирование представляет собой изменение выходной мощности при заданном изменении входного напряжения. Чтобы обеспечить хорошую стабилизацию линии, должно быть достаточное падение напряжения на регуляторе, а также достаточное усиление в контуре обратной связи и датчика напряжения.
Регулирование нагрузки: Регулирование нагрузки — это изменение выходного напряжения при заданном изменении нагрузки и, следовательно, потребляемого тока. Опять же, хорошая обратная связь в контуре измерения напряжения, но токонесущие провода также должны быть достаточными, чтобы пропускать ток без заметного падения напряжения. Иногда в электронных схемах измеряется напряжение на нагрузке, чтобы устранить влияние падения напряжения на проводах. Также необходимо убедиться, что питание регулятора может выдерживать требуемые уровни тока.

Советы и подсказки по проектированию схемы регулятора напряжения

Существует несколько полезных советов и советов, которым можно следовать, чтобы убедиться, что конструкция линейного регулятора напряжения соответствует ожиданиям.

Рассеивание устройства: Регуляторы серии могут рассеивать большое количество тепла. Соответственно, необходимо убедиться, что устройство последовательного регулятора может работать с мощностью, и в дополнение к этому, чтобы оно имело достаточную теплоотводящую способность, как бы это ни было устроено.
Также необходимо убедиться, что повышение температуры всего блока питания не становится слишком высоким в результате рассеивания тепла, так как это может повлиять на надежность. В частности, электролитические конденсаторы разлагаются быстрее, если они работают в горячей среде.
Достаточно ли падения напряжения последовательного регулятора: Для обеспечения хорошего регулирования должно быть достаточное падение напряжения на транзисторе регулятора, полевом транзисторе или ИС. Минимальное падение будет указано для микросхем регуляторов напряжения в их спецификациях.
Достаточно ли развязан вход: В некоторых случаях, когда возможны более длинные провода к микросхеме регулятора, рекомендуется использовать небольшой развязывающий конденсатор между входом и землей. Если это не на месте, IC может колебаться.
Достаточно ли емкости на выходе: Чтобы улучшить переходную характеристику регулятора, на выходе можно установить конденсатор. Обычно это может быть порядка от 0,1 мкФ до 1 мкФ в зависимости от схемы. Если в качестве основы схемы регулятора напряжения используется ИС регулятора напряжения, то в техническом паспорте будут предложены оптимальные значения.
Достаточны ли дорожки и провода для тока: Очень удобно использовать небольшие дорожки на печатной плате, чтобы гарантировать, что все электронные компоненты и схемы связи могут находиться на плате. Однако там, где могут возникнуть более высокие уровни тока, важно убедиться, что любые дорожки могут проводить ток, не рассеивая слишком много тепла или не падая напряжение.
То же самое верно и при использовании обычной проводки — тонкие провода могут падать по напряжению точно так же, как и дорожки на печатной плате.
Могут ли входные схемы и сглаживающие цепи обеспечивать достаточный ток: До самой схемы линейного регулятора напряжения, сглаживающие цепи являются важным элементом общего питания. Он должен обеспечивать требуемый ток без слишком низкого падения напряжения. Также пульсации будут увеличиваться по мере того, как потребляется больше тока.
Важно всегда следить за тем, чтобы минимальное напряжение всегда было достаточным для работы регулятора — иногда впадины пульсаций могут упасть ниже минимума, чтобы регулятор работал удовлетворительно. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании схемы регулятора напряжения.
Включено ли ограничение тока: Ограничение тока является важным элементом современных схем регулятора напряжения, и по возможности его следует включать. Большинство ИС стабилизаторов напряжения включают ограничение тока, но схемы, использующие дискретные компоненты, должны иметь эту возможность.
Возможность ограничения тока предотвратит повреждение самого источника питания, а также приводимой в действие нагрузки в случае короткого замыкания или других условий перегрузки.
Встроена ли защита от перенапряжения: В некоторых случаях регулятор может выйти из строя, и полное входное напряжение регулятора может быть подано на нагрузку. Это может привести к повреждению управляемой цепи. Наличие защиты от перенапряжения может предотвратить значительный ущерб электронной цепи, находящейся под напряжением.

Это лишь некоторые меры предосторожности при проектировании, которые необходимо учитывать при проектировании или создании схемы линейного регулятора для источника питания. Их обычно легко преодолеть, и они могут выступать в качестве контрольного списка дизайна и даже могут быть добавлены.

Хотя показанные здесь схемы представляют собой простые транзисторные схемы, те же принципы используются в более крупных схемах, а также в интегральных схемах. В одних и тех же концепциях стабилизаторов серии, а также в схемах эталонных диодов, дискретизации и других областях используются одни и те же элементы.

Концепции, используемые здесь, используются практически в источниках питания с линейной регулировкой, которые могут обеспечить очень хорошие уровни производительности. Источники питания с линейной стабилизацией больше и тяжелее, чем импульсные источники питания, однако они получили название за низкий уровень шума и хорошую стабилизацию на выходе, без пиков, которые есть у некоторых импульсных источников питания.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Схемы регулятора транзистор-стабилитрон

Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.

, автор: Льюис Лофлин

Обновлено и исправлено в октябре 2016 г. В нем рассматриваются основные принципы работы стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения. Они будут использоваться в сочетании с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями в реальных регуляторах напряжения.

Зенеровский диод представляет собой твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении ведет себя как любой другой кремниевый диод. Стабилитроны всегда используются в режиме обратного смещения, предназначенном для пробоя при определенном напряжении. Рис.1 иллюстрирует базовое подключение стабилитрона.

Z1 и RS включены последовательно, а нагрузочный резистор RL на 200 Ом подключен параллельно Z1. Наш общий ток (Is) протекает через RS и делится на Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 вольта поддерживает постоянное напряжение на RL, так как Vin изменяется в определенном диапазоне.

Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL. Если Vin увеличивается, скажем, до 18 вольт, то ток Зенера Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.

В любой момент времени падение напряжения на Z1 плюс RS всегда равно напряжению питания Vin, а напряжение на RL, таким образом, IL постоянно. Если RS слишком мал, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1.

Если RS слишком велико, то 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.

Возникает следующий вопрос: какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.

Рис. 2

На рис. 2 мы имеем правильно работающую схему регулирования стабилитрона при Z1 = 5,1 вольт при питании 10 вольт. Но что произойдет, если мы увеличим нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.

Рис. 3

На Рис. 3 мы снизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL. В то время как общий ток через RS остается прежним, часть тока для Z1 (Iz) идет на RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.

Рис. 4

На рис. 4 сопротивление RL теперь равно 100 Ом, и он потребляет такой большой ток от Z1, что у нас больше нет регулирования напряжения. Эта установка почти бесполезна как источник питания сама по себе, за исключением низких токов. Вот почему мы используем транзисторы в сочетании со стабилитронами.

Рис. 5

Чтобы обойти ограничение 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 от схемы стабилитрона до 100 мА.

Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, состоит в том, чтобы компенсировать падение напряжения 0,6 В на переходе BE Q1. Да, вам нужен конденсатор на 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем. По мере того, как мы потребляем больше тока нагрузки, 99% тока приходится на Q1.

Рис. 6

На рис. 6 мы используем два транзистора NPN в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А при нагрузке 12 Ом. Мне пришлось перейти на стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах BE.

Рис. 7

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

Рис. 8

На рис. 8 показан стабилизатор на стабилитроне для питания с отрицательной полярностью. NPN-транзистор был заменен на PNP-транзистор, а полярность стабилитрона и конденсатора на 100 мкФ поменялась местами. Все текущие потоки также были почитаемы.