Транзисторный стабилизатор напряжения схема. Транзисторные стабилизаторы напряжения: принцип работы, схемы, характеристики

Как работают транзисторные стабилизаторы напряжения. Какие бывают типы схем транзисторных стабилизаторов. Каковы основные характеристики и преимущества транзисторных стабилизаторов напряжения. Как рассчитать и собрать простой транзисторный стабилизатор.

Принцип работы транзисторного стабилизатора напряжения

Транзисторный стабилизатор напряжения — это электронное устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Основными элементами такого стабилизатора являются:

• Регулирующий транзистор
• Источник опорного напряжения (обычно стабилитрон)
• Схема сравнения и усиления ошибки

Принцип работы транзисторного стабилизатора заключается в следующем:

1. Выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением
2. При отклонении выходного напряжения формируется сигнал ошибки
3. Этот сигнал управляет регулирующим транзистором, изменяя его проводимость
4. Изменение проводимости транзистора компенсирует отклонение выходного напряжения

Таким образом осуществляется автоматическая стабилизация выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки.

Основные типы схем транзисторных стабилизаторов

Существует два основных типа схем транзисторных стабилизаторов напряжения:

1. Параллельный стабилизатор

В параллельном стабилизаторе регулирующий транзистор включен параллельно нагрузке. Такая схема проста, но имеет низкий КПД при больших токах нагрузки.

2. Последовательный стабилизатор

В последовательном стабилизаторе регулирующий транзистор включен последовательно с нагрузкой. Эта схема сложнее, но обеспечивает более высокий КПД и лучшую стабилизацию.

Последовательные стабилизаторы бывают:

• Однокаскадные — с одним транзистором
• Двухкаскадные — с двумя транзисторами (регулирующим и усилительным)

Характеристики транзисторных стабилизаторов

Основными характеристиками транзисторных стабилизаторов напряжения являются:

• Коэффициент стабилизации — показывает во сколько раз стабилизатор ослабляет изменения входного напряжения
• Выходное сопротивление — определяет изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки
• КПД — отношение мощности на нагрузке к потребляемой мощности
• Диапазон входных напряжений — допустимый диапазон изменения входного напряжения
• Максимальный ток нагрузки — предельно допустимый ток через стабилизатор

Преимущества транзисторных стабилизаторов

Транзисторные стабилизаторы напряжения имеют ряд преимуществ:

• Высокий коэффициент стабилизации (до 1000 и более)
• Малое выходное сопротивление
• Возможность получения больших токов нагрузки
• Низкий уровень пульсаций выходного напряжения
• Возможность регулировки выходного напряжения
• Высокое быстродействие

Расчет простого транзисторного стабилизатора

Рассмотрим расчет простого однокаскадного последовательного стабилизатора напряжения:

1. Выбираем выходное напряжение Uвых и максимальный ток нагрузки Iн.макс
2. Выбираем стабилитрон с напряжением стабилизации Uст = Uвых + 0.7В
3. Рассчитываем минимальное входное напряжение: Uвх.мин = Uвых + 2В
4. Выбираем регулирующий транзистор с Uкэ.макс > Uвх.макс и Iк.макс > Iн.макс
5. Рассчитываем сопротивление в цепи стабилитрона: R = (Uвх.мин — Uст) / Iст.мин

Такой расчет позволяет создать простой, но эффективный транзисторный стабилизатор напряжения.

Применение транзисторных стабилизаторов

Транзисторные стабилизаторы напряжения широко применяются в различных областях электроники:

• Источники питания радиоаппаратуры
• Лабораторные блоки питания
• Зарядные устройства
• Системы электропитания компьютеров
• Стабилизация напряжения в автомобильной электронике
• Источники опорного напряжения в измерительных приборах

Защита транзисторных стабилизаторов

Для повышения надежности в транзисторные стабилизаторы напряжения встраивают различные схемы защиты:

• Защита от короткого замыкания на выходе
• Защита от перегрузки по току
• Тепловая защита регулирующего транзистора
• Защита от пробоя транзистора обратным напряжением
• Защита нагрузки от превышения выходного напряжения

Применение схем защиты позволяет создавать надежные и безопасные в эксплуатации транзисторные стабилизаторы напряжения.

Заключение

Транзисторные стабилизаторы напряжения являются эффективным решением для получения стабильного питающего напряжения. Они обеспечивают высокую точность стабилизации, имеют хорошие динамические характеристики и позволяют получать большие токи нагрузки. Понимание принципов работы и основных схем транзисторных стабилизаторов позволяет грамотно их применять и проектировать источники стабилизированного напряжения для различных электронных устройств.

Транзисторный стабилизатор напряжения схема

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

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Радиосхемы Схемы электрические принципиальные. Схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах
• Простейший стабилизатор постоянного тока
• Схема транзисторного компенсационного стабилизатора напряжения
• Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе
• Стабилизаторы и преобразователи
• Компенсационные стабилизаторы
• Стабилизатор напряжения на транзисторе
• Транзисторные стабилизаторы напряжения
• Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах и транзисторах
• Транзисторный стабилизатор с защитой от КЗ 15-27В/3А

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Простой, мощный регулируемый стабилизатор напряжения

Радиосхемы Схемы электрические принципиальные. Схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах

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

Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе. Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая — управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его.

Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот. Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями. Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации обратно приложенного начинает пропускать ток в обратном направлении.

Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения. Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален.

При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя.

Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком. Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

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

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:. Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.

Далее следует рассчитать максимальную мощность Pmax, которую будет рассеивать транзистор:. Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток — больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле — 0. По этим показателям подходит ДД, но в этом случае ток базы будет составлять 0, А, то есть надо понизить выходные значение.

Для этого используется второй транзистор КТ Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом. Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне. Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями.

Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели.

Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается. Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5.

Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона. В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением.

Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:.

КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко. Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой.

Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования. Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. RU — интернет-энциклопедия про всё, что связано с домашней электрикой: выключатели, розетки, лампочки, люстры, проводка.

Советы, инструкции и наглядные примеры.

Простейший стабилизатор постоянного тока

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны. Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных электронных устройств, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов электронных вольтметров, осциллографов и др.

Если напряжение Uвх, поступающее на вход стабилизатора, в процессе работы Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на .

Схема транзисторного компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация напряжения необходима, если нужно добиться на устройстве неизменяемости напряжения питания при изменнениях напряжения на первичных источниках сеть, батарея. Добится идеальной стабилизации нельзя, можно только ослабить дестабилизирующие воздействие на напряжение источника питания. Они подразделяются в зависимости от рода напряжения на стабилизаторы постоянного и переменного напряжения, а по принципу на стабилизаторы параметрические и компенсационные. А именно, при увеличении напряжения на входе стабилизатора ток через стабилитрон VD резко увеличивается, соответственно увеличивается падение напряжения на балластном резисторе Rб. Коэффициент стабилизации в этом случаи будет равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада. При последовательном соединении нескольких стабилитронов, увеличивается стабилизируемое напряжение Параллейное включение стабилитронов не допускается, так как небольшая разница в рабочих напряжениях, которая всегда имеет место, приводит к неравномерному распределению протекающих через них токов. Для рассчета параметрического стабилизатора нужно знать номинальный ток нагрузки и выбрать номинальный ток стабилизации, который, примерно, будет равен полусумме минимального и максимального тока стабилизации. Сложив номинальный ток стабилитрона и нагрузки, получим номинальный ток через балластный резистор. Потом выбираем входное напряжение, примерно равное 1. И наконец, определяем сопротивление балластного резистора.

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе

Русский: English:. Бесплатный архив статей статей в Архиве. Справочник бесплатно. Параметры радиодеталей бесплатно. Даташиты бесплатно.

О стабилизаторах напряжения непрерывного действия написано, кажется, все.

Стабилизаторы и преобразователи

Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I ст , протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I ст. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке R H напряжение, называемое напряжением стабилизации U CT , стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Если напряжение U вх , поступающее на вход стабилизатора , в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения U вх. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным.

Компенсационные стабилизаторы

Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов рисунок 5. Рисунок 5. Они имеют довольно высокий к. Так как напряжение U 6э транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U ЭК , то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне. Падение напряжения на R 0 возрастет. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению.

Назначением стабилизаторов напряжения (тока) является уменьшение .. представлена схема транзисторного стабилизатора напряжения с.

Стабилизатор напряжения на транзисторе

Параллельные стабилизаторы. На рис. Схема рассчитывается так, чтобы стабилитрон работал на участке пробоя.

Транзисторные стабилизаторы напряжения

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: sxematube — схема простого регулятора напряжения, микросхема регулируемый стабилизатор напряжения

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

Реклама MarketGid: Загрузка

Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах и транзисторах

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения. Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем.

Транзисторный стабилизатор с защитой от КЗ 15-27В/3А

При проектировании линейных стабилизаторов, вырабатывающих высокое напряжение, возникает ряд специальных проблем. Поскольку напряжение пробоя обычного транзистора не превышает, как правило, В, при разработке источников с более высоким напряжением необходимо применять некоторые нестандартные решения. В этом разделе мы представим набор таких способов.

2.3.2. Транзисторный стабилизатор

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

Рис. 4.4. Схема стабилизатора параллельного типа

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

Рассматривая схему как линейную, можно показать, что

. (4.10)

Выходное сопротивление

, (4.11)

где и – соответственно сопротивление эмиттера и базы транзистора.

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

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

Рис. 4.5. Схема стабилизатора последовательного типа

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

. (4.12)

Выходное сопротивление такой схемы определяется выражением (4.11).

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

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

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

Рис. 4.6а. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа

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

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

Рис. 4.7. Обобщённая схема двухкаскадного стабилизатора

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

, (4.13)

здесь .

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

Выходное сопротивление стабилизатора (рис. 4.7)

, (4.14)

здесь .

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

Регулируемые блоки питания

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понимание работы последовательных регуляторов напряжения.
• • Регулятор простой серии.
• • Обратная связь и усиление ошибок.
• • Защита от перегрузки по току (ограничение тока).
• • Защита от перенапряжения.

 

Регуляторы напряжения простой серии

Рис. 2.2.1 Регулятор простой серии

На рис. 2.2.1 R _S и D _Z образуют простой ШУНТ-регулятор, как описано в модуле источников питания 2.1. Однако в этой схеме они используются для обеспечения стабильного опорного напряжения V _Z на базе Tr1. Напряжение эмиттера Tr1 обычно примерно на 0,7 В меньше, чем напряжение базы, и поэтому V _OUT будет иметь более низкое напряжение, чем напряжение базы.

В _ВЫХ = В _Z — В _БЭ

Если выходное напряжение В _OUT падает из-за повышенного потребления тока нагрузкой, это приведет к увеличению V _BE и, как следствие, увеличится ток через транзистор (от коллектора к эмиттеру). Это обеспечит дополнительный ток, необходимый для нагрузки, и, таким образом, отрегулирует выходное напряжение V _OUT .

Если V _OUT имеет тенденцию к увеличению из-за снижения потребления тока нагрузкой, то это приведет к уменьшению V _BE по мере увеличения напряжения эмиттера, а базовое напряжение остается стабильным из-за D _З . Это уменьшение V _BE приведет к выключению транзистора, уменьшению протекающего тока и снова регулированию выходного напряжения V _OUT .

Этот регулирующий эффект возникает из-за того, что базовый потенциал Tr1 поддерживается постоянным с помощью D _Z , так что любое изменение напряжения эмиттера, вызванное изменением протекающего тока, вызывает изменение V _BE , изменяя проводимость транзистора Tr1, который обычно будет силовым транзистором. Это действие противодействует изменению тока нагрузки. Однако с этой простой схемой регулировка не идеальна, и изменения выходной мощности происходят по следующим причинам.

Рис. 2.2.2 Рабочая область стабилитрона

1. Любое увеличение тока нагрузки (I _L ) вызывает небольшое увеличение тока базы на отношение I _L /hfe. Это, в свою очередь, вызывает увеличение V _BE , и, поскольку выходное напряжение V _OUT = V _Z — V _BE , любое увеличение V _BE ведет к уменьшению выходного напряжения. Величина этого падения составляет около 0,25 В при изменении выходного тока с 10 мА до 1 А.

2. Поскольку ток базы увеличивается с нагрузкой, ток через стабилитрон D _Z будет уменьшаться по мере увеличения тока, потребляемого базой Tr1. Поскольку характеристика диода имеет наклон в рабочей области, как показано на рис. 2.2.2, большое изменение тока стабилитрона (ΔI) вызовет очень небольшое изменение напряжения стабилитрона (δV). Это в свою очередь немного повлияет на V _BE и на выходное напряжение.

3. По указанным выше причинам 1 и 2 любое изменение нагрузки приведет к менее чем идеальному регулированию, поэтому любое изменение на выходе немного изменит нагрузку на входную цепь. Поскольку вход обычно берется из нестабилизированного источника, на входное напряжение будут легко влиять небольшие изменения тока нагрузки. Поскольку входное напряжение также является источником опорного напряжения В _Z любое изменение выходного тока, воздействуя на входное напряжение, может оказывать заметное влияние на выходное напряжение, несколько снижая эффективность регулирования.

Каждый из вышеперечисленных эффектов незначителен, но в совокупности они дают общий эффект, который заметен, когда источник питания работает в сложных условиях. Тем не менее, эта недорогая схема достаточно эффективна для многих приложений и более эффективна, чем шунтовой стабилизатор. Кроме того, при использовании подходящего силового транзистора последовательный стабилизатор можно использовать для более высоких токов нагрузки, чем шунтирующая конструкция.

Рис. 2.2.3 Серийный регулятор с обратной связью и усилителем ошибки

Обратная связь и усиление ошибки.

Чтобы улучшить простой последовательный регулятор, к базовой последовательной цепи можно добавить цепь обратной связи и усилитель ошибки.

На рис. 2.2.3 показана блок-схема схемы последовательного регулятора с усилением ошибки. В этой системе опорное напряжение V _Z сравнивается с напряжением обратной связи V _F , которое является частью фактического выходного напряжения. Разница между двумя входами создает напряжение ошибки, которое используется для изменения проводимости управляющего элемента, корректируя любую ошибку выходного напряжения.

Принципиальная схема.

Принципиальная схема этой системы показана на рис. 2.2.4. Tr1 является последовательным управляющим элементом. Обычно это силовой транзистор, установленный на солидном радиаторе, чтобы справиться с необходимой рассеиваемой мощностью.

Стабильное опорное напряжение обеспечивается резисторами R4 и D1 из нестабилизированного входного напряжения. Tr2 является усилителем ошибки, и его коэффициент усиления определяется значением его нагрузочного резистора R3. Tr2 сравнивает долю выходного напряжения V _F возвращается с делителя выходного потенциала R1/R2 со стабильным опорным напряжением V _Z на стабилитроне D _Z .

Рис. 2.2.4 Принципиальная схема для рис. 2.2.3

Выходное напряжение В _OUT на рис. 2.2.4 может быть выражено как: BE2 ) + (V _OUT — V _F )

Где:

V _Z напряжение на D _Z

В _BE2 — напряжение базы/эмиттера Tr2

В _F — напряжение обратной связи, полученное от ползунка VR1

Следовательно:

(V _Z + V _{BE4) — напряжение на 2 900 R2 и нижняя часть VRI}

и

(V _OUT − V _F ) представляет собой напряжение на R1 и верхней части VRI

Если напряжение обратной связи V _F изменяется путем регулировки потенциометра VR1 , разница между V _F и V _Z изменятся. Это приведет к изменению управляющего напряжения ошибки Tr1 и изменению выходного напряжения V _OUT . Таким образом, VR1 обеспечивает переменное выходное напряжение, которое после установки остается стабильным при этом значении.

Регулирующее действие схемы определяется напряжением на переходе база/эмиттер Tr2, то есть разницей между V _F и V _Z .

Если V _OUT имеет тенденцию к увеличению, то V _F — V _Z тоже увеличивается. Это увеличивает ток коллектора Tr2 и, таким образом, увеличивает p.d. через R3, уменьшая базовое напряжение и, следовательно, напряжение базы/эмиттера Tr1, уменьшая проводимость Tr1, тем самым уменьшая ток, проходящий через нагрузку.

Выходное напряжение V _OUT уменьшается таким образом до тех пор, пока не будет достигнут баланс, поскольку часть обратной связи (V _F ) V _OUT также уменьшается. Общий эффект заключается в том, что выход поддерживается на уровне, который зависит от пропорции обратной связи, установленной переменным резистором (частью R1/R2).

Если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, то и V _F . Напряжение база/эмиттер Tr2 снижается из-за стабильного V _Z на эмиттере. Tr2 проводит меньше, и ток через R3 падает, уменьшая p.d. через него. Базовое напряжение Tr1 возрастает и увеличивает проводимость управляющего транзистора. Это увеличивает выходной ток и V _OUT до тех пор, пока V _F снова не будет на правильном уровне.

Цепи защиты

Защита от перегрузки по току (ограничение тока)

Рис. 2.2.5 Последовательный стабилизатор с защитой от перегрузки по току

На рис. 2.2.5 показано, как можно защитить последовательный стабилизатор от чрезмерного тока, потребляемого нагрузкой. Это предотвратит повреждение источника питания в случае слишком большого тока, потребляемого с выхода, или даже полного короткого замыкания на выходных клеммах.

Добавлены два компонента, Tr3 и R5. Резистор R5 имеет очень низкое значение (обычно менее 1 Ом).

Когда ток нагрузки превысит заданное значение, небольшого напряжения на R5 станет достаточно (около 0,7 В), чтобы включить Tr3. Поскольку Tr3 подключен к переходу база/эмиттер основного управляющего транзистора Tr1, включение Tr3 уменьшит напряжение базы/эмиттера Tr1 на величину, зависящую от величины избыточного тока. Выходной ток не может превысить заданную величину, даже если на выходных клеммах произойдет полное короткое замыкание. В этом случае напряжение базы/эмиттера Tr1 будет снижено практически до нуля вольт, что предотвратит проводимость Tr1. В этих условиях выходное напряжение будет падать до нуля до тех пор, пока сохраняется состояние избыточного тока, но источник питания не будет поврежден.

Рис. 2.2.6 Серийный регулятор с защитой от перегрузки по току и перенапряжению

Защита от перенапряжения.

При использовании регулируемых источников питания входное постоянное напряжение регулятора часто значительно превышает требуемое выходное напряжение. Поэтому в случае неисправности блока питания регулируемое выходное напряжение может внезапно возрасти до уровня, который может повредить другие компоненты. По этой причине обычно в стабилизированных источниках питания имеется защита от перенапряжения. Схему, показанную на рис. 2.2.6, иногда называют схемой «лома», потому что при ее срабатывании происходит полное короткое замыкание между выходом и выходом — эффект, аналогичный падению металлического ломика на плюсовую и заземляющую выходные клеммы!

Работа цепи лома.

На рис. 2.2.6 стабилитрон D _Z 2 имеет напряжение пробоя чуть меньше максимально допустимого значения для V _OUT . Остальная часть V _OUT разрабатывается для R6, VR2 и R7.

VR2 представляет собой потенциометр, так что напряжение может быть взято из сети резисторов для правильного смещения диода D1. Катод этого диода удерживается на уровне 0 В с помощью R8, а VR2 отрегулирован так, что D1 просто не проводит, то есть его анодное напряжение примерно на 0,5 В выше, чем его катодное напряжение.

Теперь, если V _OUT увеличится, напряжение на R6, VR2 и R7 повысится на ту же величину, а напряжение на D _Z 2 останется прежним. Следовательно, произойдет значительное повышение напряжения на ползунке R7, что приведет к тому, что D1 будет проводить, подавая импульс тока на затвор тиристора Th2, заставляя его «загораться» и сильно проводить до тех пор, пока V _OUT не упадет практически до 0в. R9 включен для ограничения результирующего тока, протекающего через тиристор, до безопасного уровня.

Большой ток, протекающий при срабатывании Th2, теперь вызывает срабатывание схемы ограничения тока, как описано ранее. Это безопасно отключит питание до тех пор, пока перегрузка по току, вызванная Th2, не исчезнет, ​​что, конечно, произойдет, как только V _OUT достигнет 0 В, но если перенапряжение все еще будет присутствовать, когда Th2 выключится, а V _OUT возрастет. снова схема будет перезапущена, в результате чего напряжение на нагрузке будет постоянно меняться между своим нормальным значением и нулем; безобидный, но явный признак проблемы с перенапряжением.

 

Конструкция источника питания постоянного тока

Простейшая схема: RS1

RS1 — простейшая схема последовательного регулятора, использующая всего три дополнительных компонента;

• стабилитрон для опорного напряжения;
• резистор для подачи тока на стабилитрон и смещения транзистора;
• и силовой транзистор.

Обеспечивает фиксированное выходное напряжение Vz1 — 0,7 В

Принцип работы

При включении R1 подает ток на TR1 и Vout возрастает. Когда Vout приближается к Vz1 — Vbe, базовый ток падает, поэтому выходной ток уменьшается, чтобы поддерживать выходное напряжение при Vout = Vz1 — Vbe

Недостатки этой простой схемы

1. Ток на стабилитроне не регулируется, поэтому изменить
2. Напряжение база-эмиттер транзистора изменяется в зависимости от температуры.
3. Выходное сопротивление равно (RZ1//R1)/усиление. Поскольку HFE обычно составляет 30 для силовых транзисторов, а RZ1 около 10 Ом,
   Rout около 0,3 Ом . Регуляция плохая.
4. Цепь опорного напряжения использует до 10 % доступной мощности.

Лучшая схема: RS2

В этой схеме используется второй транзистор для контроля выходного напряжения. Всего три дополнительных компонента обеспечивают следующие преимущества:

1. лучшее регулирование напряжения благодаря отрицательной обратной связи
2. меньший дрейф благодаря постоянному току через стабилитрон
3. программируемый (или переменный) выход напряжения

(выход можно сделать переменным, добавив потенциометр в цепочку делителя R2+R3, как показано в примере ниже)

Мы используем силовой транзистор пары Дарлингтона для TR1.

Почему Дарлингтон?

Обычные силовые транзисторы имеют очень низкий HFE (коэффициент усиления) — обычно около 30. Для выходного тока 3 А требуется базовый ток 100 мА, что вызывает нагрев наших регулирующих компонентов и дрейф напряжения. Пара Дарлингтона объединяет два транзистора в одном корпусе, что дает коэффициент усиления около 1000. Теперь мы можем создать источник питания 10 А, а в цепи управления нам потребуется всего 10 мА.

Кроме того, использование датчика Дарлингтона улучшает регулирование за счет снижения выходного сопротивления.
Как и прежде, Rout = Rint/Hfe.

Rint = параллельная комбинация RZ1 и R1. Мы будем обозначать это знаком параллельности //

Просто замена силового транзистора в приведенной выше схеме транзистором Дарлингтона меняет Rout с
Rout = (RZ1//R1)/усиление = 10/30 = 0,3 Ом до
Rout = (RZ1//R1)/усиление Дарлингтона = 10/1000 = 0,01 Ом

Кроме того, они недороги и позволяют сократить количество компонентов.

Пример конструкции

Разработайте источник питания с регулируемым напряжением, обеспечивающий 2 А при напряжении от 20 до 30 В. У нас есть нерегулируемый источник питания, который обеспечивает (пример конструкции 1) 38 В при 2 А с пульсациями 2 В от пика до пика.

Компоненты:

TR1: Питание darlington должно принимать 40 В и 2 А с номинальной мощностью (40 В -20 В) * 2 А = 40 Вт
это популярный TIP120 , Дарлингтон питания NPN с
ВФЭ=>1000; Vсео=60В; Iс=5А; Pd=65W

Hfe 1000 дает Ib как 2 мА, когда Ie = 2A. Мы выберем R1, чтобы подать минимум 12 мА на TR2 и стабилитрон.

VZ1: Мы выбираем стабилитрон 7,5 В (7,5 * 10 = 75 мВт) типа BZX85C7V5 , так как его темп (+0,2%/K) уравновешивает темп перехода база-эмиттер.

TR2: должен принимать 30-7,5 В и 12 мА = 250 мВт BC546B имеет:
Напряжение коллектора-эмиттера Vceo: 65 В; Ток коллектора постоянного тока: 100 мА; Pt=0,6 Вт
Коэффициент усиления по постоянному току hfe:150

Тогда базовый ток TR2 составляет 10 мА / 150 = 66 мкА. Мы можем игнорировать это влияние при расчете цепи резисторов.

R1 : чтобы определить это, нам нужно знать напряжения на Vint и базе TR1.

Винт (макс.) = 38 В + 2 В = 40 В; Vint(мин) = 38 — 2 = 36В

Vb1 (макс) = 30 + 0,7 = 31В; Vb1 (мин) = 20 + 0,7 = 21В

VR1(max) = (Vint (max) — Vb1 (min)) = 19V ; VR1(мин) = (Vint(мин) — Vb1 (макс)) = 36 — 31 = 5В .

Текущий IR1(макс.) = VR1(макс.) / R1 и IR1(мин.) = VR1(мин.)/R1 — поэтому

IR1(макс.) / IR1(мин.) = VR1(макс.) / VR1(мин.) . Это вариант 4:1.

IR1(мин) должен быть > Ib для TR1, который был 2 мА, а также учитывать правильный ток смещения для стабилитрона .
Стабилитрону на 7,5 В требуется около 10 мА для достижения низкого Rz.

Пусть IR1(мин) будет 8 мА + 2 мА = 10 мА.

R1 = 5/10 = 0,50 кОм — ближайший = 0,470, тогда Imax = 10/0,470 = 21 мА. R1 = 470 Ом .

21 мА * 19 В = 0,40 мВт. Нам нужен резистор мощностью 1 Вт или лучше .

Расчет делительной цепи

R2, R3, VR1. Чтобы рассчитать их, мы начнем с предположения, что R3 = 1 кОм.

На этой диаграмме ползунок VR1 находится внизу его дорожки.

Rобщ = R2 +VR1 +R3; ИР2 = ИВР1 = ИР3;

IR3 = 8,2 В /( R3 = 1 кОм) = 8,2 мА;

30 В = Rобщ * 8,2 мА, поэтому Rобщ = 30/8,2 = 3,66 кОм

В этой конфигурации ползунок находится в верхней части VR1.

I= 20 В / Rобщ. = 20 / 3,66 = 5,46 мА

(R3 = 1 кОм) +VR1 = 8,2 В / 5,46 мА = 1,5 кОм. поэтому VR1 = 0,5 кОм.

R2 = 20 В — 8,2 В / 5,46 мА = 11,8/5,46 = 2,16 кОм

Проверить; 2,16k + 0,5k + 1k = 3,66k

Нам нужно сделать VR1 предпочтительным значением для потенциометра. Мы могли бы выбрать 1k; это даст максимальный ток цепи делителя 8,2 / 2 = 4,1 мА, что нормально. Мы просто масштабируем все значения.