Стабилизаторы напряжения

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.

Стабилитроны и стабисторы
Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации, т. е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры.

Конструкции стабилитронов широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямой, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на том участке обратной ветви вольт-амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона поможет его вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 1.

 

Вольт-амперная характеристика стабилитрона


Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень мало — характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр (на рис. 1 — около 9,5 В) p-n переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой же p-n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторой допустимой величины.

 

Стабистор, как и выпрямительный диод, работает на прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис.2).

 

Вольт-амперная характеристика стабистора


Стабистор открывается при незначительном прямом напряжении Uпр и через него начинает течь нарастающий по величине прямой ток Iпр. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабистора проходит почти параллельно оси Iпр; при значительном изменении прямого тока через стабистор падение напряжения на нем изменяется очень мало. Это свойство стабистора и используется для стабилизации напряжения.

 

Вот наиболее важные параметры (характеристики) стабилитронов и стабисторов: напряжение стабилизации Uст , ток стабилизации Iст, минимальный ток стабилизации Iст.мин и максимальный ток стабилизации Iст.макс.

Параметр Uст - это падение напряжения, которое создается между выводами стабилизатора или стабистора в рабочем режиме.

Минимальный ток стабилизации Iст.мин - это: для стабилитрона — наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме «пробоя» (на рис.1 — линия Iст.мин); для стабистора - наименьший прямой ток, при котором крутизна вольт-амперной характеристики резко уменьшается (на рис.2 — на уровне линии Iст.мин). С уменьшением этого тока приборы перестают стабилизировать напряжение.

Максимально допустимый ток стабилизации Iст.макс - это наибольший ток через прибор, при котором температура его р-n перехода не превышает допустимой (на рис. 1 и 2 — линии Iст.макс). Превышение тока Iст.макс ведет к тепловому пробою р-n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Параметрический стабилизатор напряжения
Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне, схема которого приведена на рис. 3.

 

Параметрический стабилизатор напряжения


Схема на стабисторе выглядит аналогично с той лишь разницей, что полярность включения стабистора прямая.

 

Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток IСТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем IСТ.МИН, и больше, чем IСТ.МАКС. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке RH напряжение, называемое напряжением стабилизации UСТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации UCT и его допустимый разброс ?UCT.

Если напряжение UВХ, поступающее на вход стабилизатора (рис. 3), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения UBX.МИН до наибольшего UBX.МАКС, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями IСТ.МИН и IСТ.МАКС, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора

(?UВХ/UВХ) к относительному изменению напряжения на его выходе (?UВыХ/UВыХ) называют коэффициентом стабилизации (КСТ).

Следовательно,

 



Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением — rд.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов rд.ст=5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель (рис.4), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации.

Делитель



Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через UП.ВХ, а на выходе — через UП.ВХ, то в соответствии с рис. 4 получим

 

Так как rд.ст >> R1, то rд.ст/(R1+ rд.ст)<< 1 и оказывается, что UП.ВЫХ<<UП.ВХ.
Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельствует об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного напряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном напряжении.

Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (RВЫХ), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (?IH) при неизменном входном напряжении:

 

 

Для простейшего стабилизатора RВЫХ= rд.ст.

Транзисторные стабилизаторы напряжения
Рассмотренный стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между IСТ.МИН и IСТ.МАКС. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны. Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра — стабилизатора остается неизменным.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рис. 5, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

 

Схемы транзисторного стабилизатора напряжения

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ << Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

 

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 5, а видно, что напряжение на нагрузке (UH) отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе UЭБ транзистора VT2, т. е. UH=UCT-UЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH, и напряжения UH. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения UЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор—эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор—эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение UЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор—эмиттер и напряжения на этом переходе.

Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода — регулирующим.

Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор — эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис. 5, б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является еще следующее. Напряжение на нагрузке UH отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на напряжение, падающее на переходе эмиттер—база UЭБ транзистора VT (рис. 5, а), т. е. UH=UCT-UЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 5, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер—база UЭБ транзистора VT равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е. UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ.

При перемещении движка переменного резистора RУСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке UH. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения UCT-UЭБ).

 

Регулируемый стабилизатор

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 6. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (UOC). Из рисунка видно, что UOC=U+ UЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

 

Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение UКЭ.МАКС должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (UВХ.МАКС), а максимально допустимый ток коллектора IK.МАКС - быть больше предельного значения тока нагрузки.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:

 

 

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности РК.МАКС приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор — с большим значением РК.МАКС.

Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы h21E, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:

 


Поскольку ток IБ макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:
(Uвх.макс-Uст.мин)/Iст.мах ? R1 ? (Uвх.мин-Uст.мин)/(Iст.мин-IБ.макс)
Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:
R2=Uвых/Iн*(0,05...0,1)Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

 

Интегральные стабилизаторы напряжения
Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения.

Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

 

 

Примером интегрального стабилизатора напряжения, получившего широкое распространение в радиолюбительской практике, является микросхема серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. Корпус микросхемы соединен с металлической пластинкой, в которой имеется отверстие для крепления на терморассеивающем радиаторе.

В качестве примера рассмотрим схемы стабилизаторов на микросхемах К142ЕН1 и К142ЕН2. Электрические принципиальные схемы ИМС К142ЕН1 и K142EH2 идентичны (рис. 7) и различаются только значениями допустимых входных и выходных напряжений. Они содержат следующие основные узлы: источник опорного напряжения (транзисторы VT1 и VT2, диоды VD1 и VD2, резисторы R1 и R2); управляющий элемент (транзисторы VT3, VT4 и VT5, резистор R3); регулирующий элемент (транзисторы VT7 и VT8) и устройство защиты (транзисторы VT6, VT9, диод VD3 и резистор R4).

Типовая схема включения микросхемы К142ЕН1 или К142ЕН2 приведена на рис. 8.

 

Cхема включения микросхемы К142ЕН1  или К142ЕН2

Конденсатор С1, включенный между общей шиной и выводом 6 микросхемы, повышает устойчивость стабилизатора. Установка необходимого значения выходного напряжения осуществляется регулируемым делителем R1, R2, определяющим напряжение базы транзистора VT5 и в конечном итоге сопротивление регулирующего элемента (VT7 и VT8).

 

Коэффициенты нестабильности по напряжению и по току такого стабилизатора не превышают 0,5 и 2 % соответственно при токе нагрузки от 50 до 150 мА. При напряжениях 20В для К142ЕН1 и 40В для К142ЕН2 значения выходных напряжений могут быть установлены соответственно в пределах 3…12 В и 12…30 В.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Борисов В.Г. Юный радиолюбитель.- 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979
  2. Галкин В.И. Промышленная электроника: Учеб.пособие. - Мн.: Выш. шк., 1989
  3. Галкин В.И. Начинающему радиолюбителю: (Справ. пособие). - Мн.: Беларусь, 1983


Данную статью подготовил Осипов А.В по материалам из книг, описанных выше. Запрещается копирование данной статьи без разрешения автора.

©Осипов А.В.