Схема стабилизатор напряжения на транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Содержание

О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

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

Стабилизатор импульсного типа

Принцип работы стабилизатора

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

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

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

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

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

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

Схема и график работы стабилизатора

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

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

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

Два простых стабилизатора

Принципы расчета характеристик

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

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

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

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

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

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

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

Схема на полевом транзисторе

Теперь нужно учесть Iб max ток базы самого транзистора:

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

Iб max=1/25=0.04 А.

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

Теперь определим показатели для Rб балластного резистора:

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

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

Затем считаем балластную мощность:

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

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

Компенсационные стабилизаторы

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

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

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа

На схеме:

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

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

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

Типовая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа

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

U1=U0–IBXR1=const.

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

Импульсные стабилизаторы

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

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

Схема импульсного стабилизатора

Алгоритм работы следующий:

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

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео

Оцените статью:

РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ОДНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

   Всем привет 🙂 В этой статье хочу показать, как сделать регулятор напряжения на одном транзисторе, что пригодится для изготовления простого блока питания или универсального адаптера к радиоустройствам, на различные напряжения. Создать такую схему может даже самый начинающий радиолюбитель. Из компонентов нам понадобится:

 1. Транзистор КТ817Г, его можно заменить на КТ815Г.
 2. Переменный резистор на 10 кОм.
 3. Резистор обычный 0.125 ватт на 1ком.


   В виде чертежа решил сделать полную картинку, дабы новичку было легче усвоить работу и представить схему.


   Начнем сборку. Для начала распечатываем данный чертеж, и ножницами ровно срезаем его без картинок, прикладываем чертеж к текстолиту, и начинанаем сначало сверлить отверстия, т. к потом будет легче нарисовать.


   Далее дырки по чертежу просто соединяем перманентым маркером, или лаком.


   Обрезаем остатки тестолита и приступим к пайке компонентов. Сначала припаивываем транзистор, только будьте внимательны — не перепутайте ножки на транзисторе местами (эмиттер и базу).


   Дальше устанавливаем резистор на 1ком, затем впаиваем проводами переменный резистор на 10ком. Можно поставить и другой резистор, сразу припаять резистор без этих соплей, но мой резистор не позволил этого, и пришлось повесить на провода… Остается припаять 4 вывода к питанию, и к выходам.


   Готово! Подключаем питание, на выход — светодиод, мотор, лампу, в моем случае это был светодиод и вращая регулятор наглядно смотрим на изменение напряжения. Демонстрацию работы данной конструкции, а так-же подробное объяснение подключения, можете посмотреть в видеоролике ниже.
Стоит отметить, что мощность и ток нагрузки не должен превышать предельных значений для указанного транзистора — это примерно пол Ампера. Для подключения к регулируемому стабилизатору более мощных устройств, придётся заменить транзистор на КТ805, КТ819. С вами был [PC]Boil-:D

   Форум по источникам питания

   Обсудить статью РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ОДНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Мощный стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

Очень часто для питания различных электронных устройств требуются напряжения разной величины — например, чувствительные микроконтроллеры могут питаться (в зависимости от конкретного экземпляра) только строго от 5В, другим микросхемам бывает нужно напряжение 9-12В, а есть и совсем низковольтные устройства, которые требуют уровня питания 3-3,3В. Для повышения напряжения, например, чтобы получить из 3,7В литий-ионного аккумулятора целых 9-12В используются импульсные источники питания — в них напряжение повышается за счёт использования явления самоиндукции в катушке индуктивности. Понижающие же преобразователи можно поделить на два типа: те же импульсные и линейные. Первые обладают высоким КПД, но имеют несколько более сложную схемотехнику с применением индуктивностей и специальных ШИМ-контроллеров. Линейные актуальны в том случае, если нужна простота, миниатюрность и отсутствие каких-либо помех на выходе — ведь линейные стабилизаторы, в отличие от импульсных, наоборот уменьшают пульсации напряжения, в отличие от импульсных, которые их наоборот генерируют за счёт высокой частоты работы. И если импульсные стабилизаторы, как повышающие, так и понижающие, очень удобно использовать в виде готовых модулей, которые по небольшим ценам продаются на Али, то вот линейные стабилизаторы имеет смысл изготавливать своими руками, под заданные параметры.


Существуют специальные микросхемы стабилизаторов, например, серия 78lхх, они имеют на выходе фиксированные значения напряжения, либо LM317, микросхема в корпусе ТО-220, которая позволяет регулировать напряжение на выходе в широких пределах. Казалось бы, зачем выдумывать что-то ещё, если можно просто взять готовую LM317 — но не так всё просто, ведь она имеет один недостаток — выходной ток всего 1,5А.
Конечно, этого достаточно для большинства применений линейного стабилизатора, тем более, что уже даже на таком токе он будет сильно нагреваться, но всё же иногда может возникнуть использовать именно мощный линейный стабилизатор с током более 1,5А, например, для подачи стабилизированного питания на аудио-усилитель. Использовать для питания усилителей импульсные источники — не самый лучший вариант по той причине, что помехи от импульсного источника в последствии будут попадать и в звуковой тракт, что явится в виде постороннего шума в звуке. Сделать мощный линейный стабилизатор можно разными путями, например, по схеме, представленной ниже — и использованием мощного полевого транзистора в качестве силового элемента и микросхему TL431 в качестве регулирующего. Такая схема обеспечивает хорошую стабильность выходного напряжения — как пишет автор, напряжение на выходе изменяется лишь на доли вольта в течение большого промежутка времени, а мощный полевой транзистор обеспечивает максимальный ток через нагрузку в 10А и рассеиваемую мощность в 50Вт — при использовании радиатора соответствующих размеров.
Схема такого стабилизатора представлена на картинке ниже.

На контакты в левой части схемы подаётся входное напряжение, оно может лежать в диапазоне 6-50 вольт, что, кстати, больше, чем диапазон входных напряжений у той же LM317. Плюс подаётся на верхний контакт, минус — на нижний, таким образом, минусовые контакты входного напряжения и нагрузки просто соединяются, а коммутация происходит через плюсовой контакт. Конденсатор С1 стоит параллельно питанию на входе, 22 мкФ — минимальная ёмкость, желательно взять побольше, хотя бы 100-470 мкФ, если от стабилизатора питается чувствительная к пульсациям напряжения нагрузка, например, усилитель, ёмкость конденсаторов можно поднять до уровня 2000-4000 мкФ. Далее по схеме в плюсовой цепи стоят контакты сток-исток полевого транзистора, а в цепи его затвора установлена микросхема TL431, которая и следит за напряжением на выходе стабилизатора, поддерживая его на заданном уровне. Купить эту микросхему можно за считанные рубли в магазинах радиодеталей, либо взять из неисправного сетевого импульсного блока питания — там они встречаются довольно часто.


Эта микросхема выпускается в корпусе ТО-92 и имеет три вывода, точно так же, как и транзисторов в этих корпусах, поэтому нужно читать маркировку и не перепутать. Три этих вывода являются катодом, который идёт непосредственно к затвору транзистора, анодом, он подключается к минусу всей схемы, а третий вывод — регулирующий, на него через делитель на резисторах поступает часть выходного напряжения стабилизатора. Соотношение сопротивлений в этом делителе определяет и выходное напряжение, поэтому один из резисторов делителя является постоянным, это R3 на схеме, а второй — переменным, его вращением можно будет регулировать напряжение, в данном случае это RV1 на схеме. Резистор R2, включенный последовательно с ним, нужен для ограничения крайнего положения и особой роли не играет.

Данные номиналы делителя, указанные на схеме, позволят регулировать напряжение на выходе в диапазоне от 3 до 27В, чего достаточно для большинства применений, но при необходимости этот диапазон можно менять в большую или меньшую сторону, подбирая общее сопротивление переменного резистора RV1.
Здесь можно использовать либо полноценный переменный резистор с удобной ручкой для регулировки, либо небольшой подстроечный, например, такие, как на фото ниже. Также имеет смысл установить сюда многооборотный подстроечный резистор, он позволит устанавливать выходное напряжение с высокой точностью.

Конденсатор С3 служит для фильтрации помех в регулировочной части, для большей стабильности выходного напряжения, а С2 — фильтрующий на выходе. Его ёмкость на схеме указана как 22 мкФ, не стоит превышать это значение, слишком большая ёмкость на выходе может привести к неправильной работе схемы, для подавления пульсаций лучше установить большую ёмкость на входе стабилизатора. Для наглядности ниже приведено изображение все трёх электролитических конденсаторов, необходимых для сборки схемы. Обратите внимание, что все они имеют полярность и при впаивании их на плату важно её не перепутать, на схеме минусовые контакты конденсаторов помечены в виде заштрихованной обкладки, а на самих корпусах минусовой вывод отмечен в виде вертикальной полоски.
Несоблюдение полярности электролитических конденсаторов обычно приводит к тому, что они начинают быстро разогреваться, а если вовремя не отключить питание от схемы, то вовсе взрываются, разбрасывая вокруг ошмётки бумаги.

Транзистор на схеме можно применить, например, один из следующих вариантов — IRLZ24/32/44, либо аналогичные им. Ключевыми параметрами здесь являются максимальное напряжение и ток через транзистор.



Схема собирается на небольшой печатной плате, рисунок которой для открытия в программе Sprint Layout представлен в архиве в конце статьи, изготовить плату можно методом ЛУТ.

Как можно увидеть, плата имеет довольно миниатюрные размеры, а потому её без труда можно встроить внутрь какого-либо устройства, того же усилителя. Транзистор не спроста стоит на краю плату спинкой в сторону — его необходимо установить на массивный радиатор. Чем больше будут токи, протекающие через стабилизатор, тем сильнее будет нагреваться транзистор, соответственно и большего размера потребуется радиатор.
Не лишним будет и активное охлаждение с помощью кулера в особых случаях. Расчёт рассеиваемой на транзисторе мощности достаточно прост — нужно лишь умножить разницу в вольтах между входным напряжением и выходным и умножить её на ток, протекающий в цепи — в результате получится мощность в ваттах. Обратите внимание, что она не должна превышать 50Вт, иначе транзистор может не справится с таким большим тепловыделением.

Готовая плата будет иметь такой вид, как на картинках выше. Для подключения проводов весьма удобно использовать винтовые клеммники.

Таким образом, получился весьма простой и мощный стабилизатор, который обязательно найдёт себе применение в радиолюбительском деле. Удачной сборки! Все вопросы и дополнения пишите в комментариях.


Источник (Source)

Стабилизатор напряжения | РадиоГазета — принципиальные схемы для радиолюбителей и меломанов

Автор: Andy Nehan

Когда речь заходит о стабилизаторах напряжения, сразу вспоминаются трехвыводные стабилизаторы типа

LM317/337 или 78ХХ и 79ХХ. Все они работают при небольших напряжениях (до 40 Вольт), имеют всего три вывода и, как следствие, простые схемы включения.

Забегая вперёд, приведу цитату из конца этой статьи:

«Если вы обычно слушаете усилители со стабилизаторами на LM317 и им подобным, то прослушивание усилителя со стабилизатором без обратной связи поначалу может вызвать у вас шок!

Для меня это было сравнимо с тем, когда я первый раз попробовал сырую рыбу.

Просто забудьте про ваши предрассудки!»

Для слежения за выходным напряжением  микросхемы LM317/LM337 и аналогичные используют обратную связь.

Другой тип стабилизаторов обычно называют параллельными и часто говорят, что они не имеют обратной связи, а стабилизация напряжения происходит путем шунтирования нагрузки (из рисунка видно, что это не так и обратная связь присутствует и в этом типе стабилизаторов).

У обоих типов стабилизаторов есть ряд общих черт. Оба используют усилитель сигнала ошибки. При этом все усилители имеют конечный коэффициент усиления и ограниченную полосу пропускания. В идеале, надо использовать усилитель сигнала ошибки с постоянным усилением и фазовым сдвигом в полосе от постоянного тока и далее во всем звуковом диапазоне.

Смысл этого в том, что характеристики усилителя сигнала ошибки и цепи обратной связи определяют выходное сопротивление стабилизатора таким образом, что:

1. чем выше коэффициент усиления, тем ниже выходное сопротивление стабилизатора

2. выходное сопротивление обычно монотонно растёт с ростом частоты. Зависит от АЧХ усилителя ошибки и на практике рост может начинаться с частот 100Гц-10кГц.

На рисунке показан типичный выходной импеданс стабилизатора на микросхеме LM317:

Целью моей работы было создание стабилизатора со стабильным выходным сопротивлением во всем диапазоне звуковых частот, высоким уровнем подавления пульсаций и низким уровнем шумов.

Исходя из этих требований, рассмотрим весь тракт от выпрямления до стабилизации напряжения.

Выпрямление переменного напряжения

Сегодня требования к качеству напряжения сети довольно мягки. Прибавьте к этому огромное количество потребителей с импульсными блоками питания (компьютеры, телевизоры, принтеры, DVD-проигрыватели и т.п.) и нелинейные характеристики понижающих трансформаторов. В результате форма питающего напряжения далека от синуса. В первую очередь наблюдается уплощение вершин полуволн.

На рисунке  показаны результаты измерений напряжения на выходе Ш-образного трансформатора:

Увеличение по клику

Я был удивлен, честно скажу — ожидал худшего.

Примечание главного редактора «РадиоГазеты»: имейте ввиду, что автор живёт в Великобритании!!! В российской электросети  картина будет далеко не такая радужная.

Я использую Ш-образные трансформаторы, потому что их звук мне больше по душе. Они не так быстродействующие, как торы, но я считаю, что они дают лучшую детализацию и проработку сцены в звучании.

На предыдущем рисунке показан и спектр выходного напряжения мостового выпрямителя.

Ужасно! Даже хуже, чем на входе трансформатора.
Теперь появились гармоники частотой 2 кГц, с уровнем около 60 дБ относительно  к 50 Гц пульсациям напряжения.

Чистый вход

Я хотел получить чистое входное напряжение по максимуму очистив его от гармоник и исключив все переходные процессы. Дело в том, что все стабилизаторы имеют некоторую ёмкость между входом и выходом. Плюс помехи могут проникнуть на выход стабилизатора через цепи обратной связи или общий провод. Потому на входе стабилизатора нам требуется иметь максимально чистый сигнал.

Звучит немного утопически? Как получить «чистое» напряжение на входе стабилизатора?
RC или LC-фильтры могут значительно снизить гармоники в выпрямленном напряжении.
А какой сигнал считать достаточно чистым?

Довольно популярны в ламповых усилителях выпрямители на кенотронах, которые в силу своих конструктивных особенностей являются несимметричными, однако же ничего. ..звучат эти усилители! 🙂

Чтобы получить минимальный уровень гармоник в выпрямленном напряжении я экспериментировал с одно и двухзвенными RC-фильтрами, установленными после первого фильтрующего конденсатора.

Как и ожидалось, добавление одного звена даёт наибольший прирост в качестве звучания усилителя.
Второе звено также даёт заметный вклад. Дальнейшее увеличение количества звеньев на звук существенно не влияет, а вот на массо-габаритные показатели очень.


Результаты измерений:

Как видно, существенно уменьшают не только верхние гармоники, но и основные пульсации также существенно затухают. Что и требовалось. К сожалению, моё оборудование не позволяет точно измерить уровень фона в присутствии сигнала. Кроме основой гармоники уровень других гармоник составил ниже 10 мВ.

Дополнительное звено в фильтре может снизить ещё на 20дБ уровень всех гармоник выше 200Гц. Но они и так уже на уровне шума стабилизатора.
Упрощенное моделирование стабилизатора на мощном FET-транзисторе показало уровень подавления низкочастотных составляющих на уровне 100дБ и 40 дБ для гармоник 100 кГц и выше.

Такие впечатляющие цифры вряд ли будут достигнуты на практике из-за паразитных ёмкостей монтажа, наводок со стороны сети и прочих негативных факторов.

Поэтому я решил считать нормальными результаты: подавление 60дБ на нижних частотах и 20дБ на высоких. Получается, что пульсации частотой 50Гц и амплитудой 100 мВ будут ослаблены до уровня 0,1мВ. Подавление ВЧ-гармоник не столь важно, так как они очень хорошо ослабляются RC-фильтрами.

Слабые сигналы

Основываясь на моем опыте, я считаю, что все неосновные (шумы, помехи, гармоники) сигналы питающей сети должны быть подавлены с достаточной степенью. Особенно это относится к высокочастотным составляющим, так как с увеличением частоты из-за паразитных емкостей между входом и выходом стабилизатора, а также ограниченной полосы пропускания усилителя сигнала ошибки, способность стабилизатора их подавлять заметно ухудшается.

Как легко заметить, резистор (или может быть индуктивность) в фильтре включены в оба провода: положительный и общий. Часто резистор (или дроссель) добавляют только в один (положительный) проводник фильтра. На результатах измерений это не сказывается.

Но это ошибка!!! Я уверен, что из-за распределенной индуктивности трансформатора помеха на одном выводе вторичной обмотки может быть больше, чем на другом. (К сожалению, моё измерительное оборудование не позволяет это проверить) Симметричная схема фильтра наиболее эффективно справится с такой помехой.

Если говорить о замене резисторов в фильтре на индуктивности, то я никогда не был доволен LC-фильтрами. На мой взгляд они замедляют атаку и снижают динамику усилителя. Это вовсе не означает, правильно посчитанный и изготовленный дроссель будет звучать плохо. Но за последние 5 лет мне не попалось таких изделий, хорошо сочетающихся с моими конструкциями.

К аналогичному результату (снижению динамики) приводит увеличение номинала резисторов фильтра. Для маломощной нагрузки я использую резисторы на 22 Ом. Для более мощной нагрузки значения резисторов следует уменьшить.

«СВЯЗЬ ВПЕРЁД»

Я разработал топологию стабилизатора без обратной связи. Считаю, что именно она отвечает моим требованиям, а после тестовых прослушиваний я заменил в своих конструкциях типовые стабилизаторы с обратной связью, несмотря на их высокие параметры.

В моей топологии сначала получается стабильное образцовое напряжение, которое через буфер подается на накапливающее устройство (конденсатор). Буфер обеспечивает постоянство выходного сопротивления стабилизатора, а конденсатор мгновенную подачу энергии усилителю при резких колебаниях тока нагрузки.

Обе топологии я смоделировал для проверки своих рассуждений.

Оказалось, что топология с обратной связью имеет чуть больший коэффициент стабилизации и ниже выходное сопротивление, которое повышается с ростом частоты.

Однако, по результатам прослушивания я отдал предпочтение топологии без обратной связи.

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций.
Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:
Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы  MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно.

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

Стабилизатор напряжения для цепей накала.

Буферным элементом стабилизатора может быть как биполярный так и полевой транзистор.  На практике я использовал полевые транзисторы, с высокой крутизной, номинальной мощностью и высоким рабочим напряжением.  Надежность была превосходной!

Теплоотвод для буферного транзистора требуется как для низковольтного, так и в случае высоковольтного стабилизатора.

Конденсатор в цепи TL431 Дополнительно снижает уровень шума.

увеличение по клику

Недостатком схемы можно считать необходимость подстройки выходного напряжения при замене ламп, так как из-за конструктивных особенностей потребление по цепям накала у разных ламп отличается.

Но настоящего аудиофила это не остановит!

Высоковольтный стабилизатор напряжения

Так как максимальное выходное напряжение микросхемы TL431 составляет всего 30В, то для получения больших значений выходного напряжения стабилизатора используется полевой транзистор, включенный как умножитель. Его коэффициент усиления равен отношению суммы резисторов 330кОм и 270 кОм к резистору в 33кОм. При указанных номиналах усиление равно 15, т.е. максимальное выходное напряжение схемы составляет порядка 450В.

Источник тока на транзисторах MJE350 питает источник образцового напряжения током в 5мА, значение которого устанавливается резистором 150R.
В остальном работа схемы аналогична предыдущей.

Следует обратить внимание на качество конденсаторов. Они должны быть низкоимпедансными и быстрыми. К примеру, плёночные конденсаторы фирмы WIMA типа FKP1 отвечают всем этим требованиям.

Кстати, так как схема не обеспечивает плавную подачу анодного напряжения (или задержку включения) до прогрева ламп, для решения это проблемы можно использовать модуль, описанный здесь.

Стабилизатор напряжения отрицательной полярности

Понятно, что для отрицательной полярности напряжения схема должна претерпеть изменения, так как для микросхемы TL431 нет комплементарного аналога.

Тем не менее, я так же использовал TL431, но в связке с составным транзистором (Дарлингтон):

Этот стабилизатор обычно используется для питания вспомогательных цепей, к примеру, катодных источников стабильного тока. Потому образцовые параметры здесь не нужны и усложнять схему я не стал.

Буфер

После рассмотрения стабилизаторов цепей накала и высоковольтного стабилизатора, я предлагаю вашему вниманию схему простого высоковольтного буфера:

Его функция в обеспечении постоянного выходного сопротивления и подавление пульсация и помех по питанию. Если его подключить после обычного стабилизатора, то все негативные факторы от обратной связи в источнике питания можно существенно снизить.

Выходное сопротивление такого буфера обратно пропорционально крутизне транзистора и получается достаточно низким. Оно также постоянно в звуковом диапазоне частот.

Большую роль для качества звучания играет выбор конденсаторов!!!

Кстати, я обнаружил, что параллельное соединение конденсаторов не добавляет качества звучания. К примеру, один конденсатор на 20 мкФ звучит лучше, чем параллельное соединение двух конденсаторов на 10 мкФ того же производителя.

Конструкция.

Конструкция таких стабилизаторов особенностей не имеет. При ограничениях в размерах вы можете использовать двухсторонний монтаж. В этом случае одна сторона платы должны быть заземлена. В моих опытах заземление одной стороны платы давало значительный прирост в качестве звучания!

Подобные стабилизаторы я эксплуатирую в своих конструкциях уже около пяти лет и они не доставляют мне проблем ни с качеством звучания, ни с надёжностью.

Прослушивание.

Если вы обычно слушаете усилители со стабилизаторами на LM317 и им подобным, то прослушивание усилителя со стабилизатором без обратной связи поначалу может вызвать у вас шок!

Первое, что вас удивит — кажущаяся потеря динамики. Я считаю, что LM317 добавляет «лишней скорости звуку», искажая тем самым истинное звучание фонограммы. Закрытое прослушивание показало, что стабилизаторы без ОС удаляют  из звука весь мусор, который привносит LM317.

Потратьте немного времени на привыкание к новому звуку. На это уйдет не больше часа. Но я уверен, что вы будете восхищенны конечным результатом.

Для меня это было сравнимо с тем, когда я первый раз попробовал сырую рыбу.

Просто забудьте про ваши предрассудки!

Теперь немного сравнительных тестов. Я сравнивал стабилизатор на LM317, на лампах и стабилизатор без обратной связи.

1. LM317 как стабилизатор цепей накала и LM317 с двухзвенным фильтром помех. Последний вариант дает более детальный звук.

2. LM371 как стабилизатор цепей накала против безоосного стабилизатора. Второй вариант дает большую динамику и повышает детальность в верхнем диапазоне, что приводит к расширению стереобазы.

3. Выпрямитель на кенотроне и стабилизатор на лампах против безоосного стабилизатора анодного напряжения. Второй вариант даёт в звучании большую динамику и детальность. Ламповый стабилизатор дал более «жирный» звук.

Для получения максимального эффекта необходимо использовать для питания каждой лампы отдельный стабилизатор. Это несколько удорожает, усложняет и утяжеляет конструкцию. Но, поверьте мне, оно того стоит!

Кроме этого я провел много сравнительных прослушиваний для конденсаторов. В результате я остановился на пленочных конденсаторах фирмы WIMA. Я услышал четкие различия в звучании между плёночными и электролитическими конденсаторами. Пленочные гораздо предпочтительнее.

В своей системе я могу на слух отличить какие используются конденсаторы — пленочные или электролитические даже в цепях накала ламп.

Если вы хотите получить достойный результат, будьте готовы использовать качественные материалы!

Статья подготовлена по материалам журнала AudoiXpress.

Удачного творчества!

Замечание от главного редактора «РАДИОГАЗЕТЫ»: мнение редакции может частично или полностью не совпадать с мнением авторов статей.

Так как приходят вопросы по реализации описанных схем на доступных элементах, для примера привожу схему собранную и опробованную в работе.

Здесь интегральный источник тока J310 заменён на более доступную микросхему LM317L, включенную по схеме стабилизатора тока. Можно использовать и источники тока на полевых транзисторах.

Резистор R3 задаёт выходное напряжение (подбирается). Качество стабилизации этой схемы сильно зависит от параметров транзистора Т1. Сюда надо выбрать транзистор с максимальной крутизной и минимальным сопротивлением открытого канала. Отлично показал себя  CEP50N06. Из более доступных стоит попробовать IRFZ44.

Важно иметь в виду, что управляющее напряжение на транзисторе порядка 3,5-4В и для нормальной работы источника тока необходимо напряжение около 3,5В. Поэтому разница между входным и выходным напряжениями такого стабилизатора должна быть не менее 8В! Это несколько снижает КПД этой схемы и при больших токах нагрузки требует использования радиаторов приличных размеров. Настоящего аудиофила такие трудности не остановят 🙂

Похожие статьи:


Стабилизаторы тока. Виды и устройство. Работа и применение

Стабилизаторы тока предназначены для стабилизации тока на нагрузке. Напряжение на нагрузке зависит от его сопротивления. Стабилизаторы необходимы для функционирования различных электронных приборов, например газоразрядные лампы.

Для качественного заряда аккумуляторов также необходимы стабилизаторы тока. Они используются в микросхемах для настройки тока каскадов преобразования и усиления. В микросхемах они играют роль генератора тока. В электрических цепях всегда есть разного рода помехи. Они отрицательно влияют на действие приборов и электрических устройств. С такой проблемой легко справляются стабилизаторы тока.

Отличительной чертой стабилизаторов тока является их значительное выходное сопротивление. Это дает возможность исключить влияние напряжения на входе, и сопротивления нагрузки, на значение тока на выходе устройства. Стабилизаторы тока поддерживают выходной ток в определенных пределах, меняя при этом напряжение таким образом, что ток, протекающий по нагрузке, остается постоянным.

Устройство и принцип действия

На нестабильность нагрузочного тока влияет значение сопротивления и напряжения на входе. Пример: в котором сопротивление нагрузки постоянно, а напряжение на входе повышается. Ток нагрузки при этом также возрастает.

В результате этого повысится ток и напряжение на сопротивлениях R1 и R2. Напряжение стабилитрона станет равным сумме напряжений сопротивлений R1, R2 и на переходе VT1 база-эмиттер: Uvd1=UR1+UR2+UVT1(б/э)

Напряжение на VD1 не меняется при меняющемся входном напряжении. Вследствие этого ток на переходе база-эмиттер снизится, и повысится сопротивление между клеммами эмиттер-коллектор. Сила тока на переходе коллектор-эмиттере и нагрузочное сопротивление станет снижаться, то есть переходить к первоначальной величине. Так выполняется выравнивание тока и поддержание его на одном уровне.

Виды стабилизаторов тока

Существует множество разных видов стабилизаторов в зависимости от их назначения и принципа работы. Рассмотрим подробнее основные из таких устройств.

Стабилизаторы на резисторе

В элементарном случае генератором тока может быть схема, состоящая из блока питания и сопротивления. Подобная схема часто используется для подключения светодиода, выполняющего функцию индикатора.

Из недостатков такой схемы можно отметить необходимость использования высоковольтного источника. Только при таком условии можно использовать резистор, имеющий высокое сопротивление, и получить хорошую стабильность тока. На сопротивлении рассеивается мощность P = I 2 х R.

Стабилизаторы на транзисторах

Значительно лучше функционируют стабилизаторы тока, собранные на транзисторах.

Можно выполнить настройку падения напряжения таким образом, что оно будет очень маленьким. Это дает возможность снижения потерь при хорошей стабильности тока на выходе. На выходе транзистора сопротивление очень большое. Такая схема применяется для подключения светодиодов или зарядки аккумуляторных батарей малой мощности.

Напряжение на транзисторе определяется стабилитроном VD1. R2 играет роль датчика тока и обуславливает ток на выходе стабилизатора. При увеличении тока падение напряжения на этом резисторе становится больше. Напряжение поступает на эмиттер транзистора. В итоге напряжение на переходе база-эмиттер, которое равно разности напряжения базы и эмиттерного напряжения, снижается, и ток возвращается к заданной величине.

Схема токового зеркала

Аналогично функционируют генераторы тока. Популярной схемой таких генераторов является «токовое зеркало», в которой вместо стабилитрона применяется биполярный транзистор, а точнее, эмиттерный переход. Вместо сопротивления R2 применяется сопротивление эмиттера.

Стабилизаторы тока на полевике

Схема с применением полевых транзисторов более простая.

Нагрузочный ток проходит через R1. Ток в цепи: «+» источника напряжения, сток-затвор VТ1, нагрузочное сопротивление, отрицательный полюс источника – очень незначительный, так как сток-затвор имеет смещение в обратную сторону.

Напряжение на R1 положительное: слева «-», справа напряжение равно напряжению правого плеча сопротивления. Поэтому напряжение затвора относительно истока минусовое. При снижении нагрузочного сопротивления, ток повышается. Поэтому напряжение затвора по сравнению с истоком имеет еще большую разницу. Вследствие этого транзистор закрывается сильнее.

При большем закрытии транзистора нагрузочный ток снизится, и возвратится к начальной величине.

Устройства на микросхеме

В прошлых схемах имеются элементы сравнения и регулировки. Аналогичная структура схемы применяется при проектировании устройств, выравнивающих напряжение. Отличие устройств, стабилизирующих ток и напряжение, заключается в том, что в цепь обратной связи сигнал приходит от датчика тока, который подключен к цепи нагрузочного тока. Поэтому для создания стабилизаторов тока используют популярные микросхемы 142 ЕН 5 или LМ 317.

Здесь роль датчика тока играет сопротивление R1, на котором стабилизатор поддерживает постоянное напряжение и нагрузочный ток. Величина сопротивления датчика значительно ниже, чем нагрузочное сопротивление. Снижение напряжения на датчике влияет на напряжение выхода стабилизатора. Подобная схема хорошо сочетается с зарядными устройствами, светодиодами.

Импульсный стабилизатор

Высокий КПД имеют импульсные стабилизаторы, выполненные на основе ключей. Они способны при незначительном напряжении входа создавать высокое напряжение на потребителе. Такая схема собрана на микросхеме МАХ 771.

Сопротивления R1 и R2 играют роль делителей напряжения на выходе микросхемы. Если напряжение на выходе микросхемы становится выше опорного значения, то микросхема снижает выходное напряжение, и наоборот.

Если схему изменить таким образом, чтобы микросхема реагировала и регулировала ток на выходе, то получится стабилизированный источник тока.

При падении напряжения на R3 ниже 1,5 В, схема работает в качестве стабилизатора напряжения. Как только нагрузочный ток повышается до определенного уровня, то на резисторе R3 падение напряжения становится больше, и схема действует как стабилизатор тока.

Сопротивление R8 подключается по схеме тогда, когда напряжение становится выше 16,5 В. Сопротивление R3 задает ток. Отрицательным моментом этой схемы можно отметить значительное падение напряжения на токоизмерительном сопротивлении R3. Эту проблему можно решить путем подключения операционного усилителя для усиления сигнала с сопротивления R3.

Стабилизаторы тока для светодиодов

Изготовить такое устройство самостоятельно можно с применением микросхемы LМ 317. Для этого останется только подобрать резистор. Питание для стабилизатора целесообразно применять следующее:

  • Блок от принтера на 32 В.
  • Блок от ноутбука на 19 В.
  • Любой блок питания на 12 В.

Достоинством такого устройства является низкая стоимость, простота конструкции, повышенная надежность. Сложную схему нет смысла собирать самостоятельно, проще ее приобрести.

Похожие темы:

Генератор пилообразного напряжения.Часть 2.Стабилизаторы тока

Всем доброго времени суток. В предыдущей статье я описывал простейший генератор пилообразного напряжения и приводил его расчет. Данная статья продолжает первую часть, сегодня вы узнаете, как улучшить параметры генераторов и какие для этого применяются схемы.

Как известно из предыдущей статьи основными параметрами для оценки качества генератора пилообразного напряжения являются коэффициент нелинейности и коэффициент использования напряжения питания. Первый коэффициент характеризует нестабильность тока, который заряжает конденсатор, поэтому для обеспечения коэффициента нелинейности ξ интегрирующие цепи наиболее линейный заряд конденсатора происходит в начальный период времени (примерно первые 10 % от времени заряда). Поэтому для лучшей линейности в простейших генераторах пилообразного напряжения с зарядным (или разрядным) резистором приходится использовать напряжение питания в несколько десятков раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Простой стабилизатор тока

Стабилизатор тока (источник тока, генератор тока) называется устройство, которое автоматически поддерживает заданный ток в нагрузке под действием дестабилизирующих факторов. В качестве основного элемента в генераторе тока в большинстве случаев используется биполярный транзистор. В простейшем случае схема представляет собой однокаскадный усилитель, который показан ниже



Простейшая схема стабилизатора тока.

Работает схема следующим образом. Делитель напряжения R1R2 создаёт на базе транзистора VT1 напряжение UB, которое может быть представлено, как сумма напряжений UBE (напряжение на переходе база-эмиттер) и UE – напряжение на эмиттере VT1, тогда

[math]U_{E} = U_{B} — U_{BE}[/math]

При этом напряжение на базе выбирается в пределах UB ≈ (0,3…0,5)* EПИТ

А ток эмиттера будет равен

[math]I_{E} = \frac{U_{E}}{R3} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{R3}[/math]

Так как ток коллектора транзистора практически такой же, как и ток эмиттера, то, если ток эмиттера поддерживать постоянным, то ток коллектора также будет постоянным, несмотря на изменение напряжения на коллекторе. Данная схема является основой для различных источников постоянного тока. При расчёте данной схемы необходимо, чтобы ток делителя R1R2 был в 5…10 раз больше, чем базовый ток транзистора, то есть

[math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}}[/math]

Данная схема достаточно эффективна во многих случаях, но иногда возникают проблемы в связи с нестабильностью источника питания и по этой причине возможно изменение напряжения на базе транзистора UB, как следствие и тока эмиттера IE.

Расчёт простого стабилизатора тока

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий IС = 10 мА, напряжение источника питания ЕПИТ = 10 В.

  1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: UCEmax = 30 В, ICmax = 100 mA, ICBO = 1 mkA, fh31e = 250 МГц, h21e = 20…90 (примем h21e = 50).
  2. Рассчитаем сопротивление эмиттера R3[math]R3 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{I_{E}}[/math]

    где UBE = 0,6 – 0,8 B,

    [math]U_{B}=(0,3…0,5)*E_{PIT} = (0,3…0,5)*10 = 3…5 B[/math]

    Примем UB = 3 В, тогда

    [math]R3 = \frac{3 — 0,7}{0,01} = 230 Om[/math]
  3. Расчитаем сопротивление резисторов R1 и R2.[math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}} = \frac{(5..10)*0,01}{1 + 50} \approx 0,98…1,96 mA[/math]

    Примем IR1R2 = 1 мА

    [math]R1 + R2 = \frac{E_{PIT}}{I_{R1R2}} = \frac{10}{0,001} = 10 kOm[/math]
    [math]\frac{R2}{R1 + R2} = \frac{U_{B}}{E_{PIT}} = \frac{3}{10} = 0,3[/math]
    [math]R2 = 10 * 0,3 = 3 kOm[/math]
    [math]R1 = 10 — 3 = 7 kOm[/math]

    Примем R1 = 6,8 кОм, R2 = 3,3 кОм

Стабилизатор тока с диодным смещением

Как указывалось выше простой стабилизатор тока вследствие нестабильности напряжения питания, может иметь невысокую стабильность тока коллектора, кроме того через делитель напряжения R1R2 протекает достаточно большой ток, что приводит к потере мощности. Поэтому для уменьшения влияния этих факторов применяется диодная стабилизация (или диодное смещение) напряжения на базе. Схема, иллюстрирующая диодное смещение приведена ниже



Стабилизатор тока с диодным смещением.

Работает данная схема, как и предыдущая, но с учётом того, что напряжение на базе транзистора VT1 создается стабилитроном. Расчёт данной схемы выполняется также как и предыдущей, только с учётом параметров стабилитрона, то есть напряжения стабилизации UНОМ и ток стабилизации ICT. При выборе стабилитрона источника тока необходимо руководствоваться следующими ограничениями

  • максимальное напряжение стабилизации стабилитрона
    [math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX}[/math]
    где EPIT – напряжение питания источника тока,
    I – расчётный ток источника тока
    RНmax – максимальное сопротивление коллекторной нагрузки.
  • минимальное напряжение стабилизации не должно быть меньше, чем напряжение насыщение база-эмиттер[math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

В данной схеме по возможности необходимо использовать стабилитроны с небольшим значением напряжения стабилизации, потому что при напряжении стабилизации стабилитрона(UСТ.НОМ) близком к Ust уменьшается значение сопротивления резистора R1, что в свою очередь приводит к увеличению потребляемой мощности этим резистором.

Расчёт стабилизатора тока с диодным смещением

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий IС = 10 мА на нагрузке Rн = 150 Ом, напряжение источника питания ЕПИТ = 10 В.

  1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: UCEmax = 30 В, ICmax = 100 mA, ICBO = 1 mkA, fh31e = 250 МГц, h21e = 20…90 (примем h21e = 50).
  2. Выберем стабилитрон[math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX} = 10 — 0,01 * 150 = 10 — 1,5 = 8,5 B[/math]
    [math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

    Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами Uст.ном. = 3,9 В, Iст.ном. = 5 мА.

  3. Рассчитаем сопротивление резистора R1
    [math]R1 = \frac{E_{PIT} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}}[/math]

    Примем R1 = 1,2 кОм

  4. Рассчитаем сопротивление резистора R2
    [math]R2 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{ST} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{3,9 — 0,7}{0,01} = 320 Om[/math]

    Выберем R2 = 330 Ом

Токовое зеркало (отражатель тока)

Как указывалось выше, уменьшение напряжения стабилизации стабилитрона приводит к уменьшению потребляемого тока. Как известно минимальное напряжение на базе транзистора для его работы в качестве усилителя составляет UBE = 0,7 В – падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер. Чтобы обеспечить такое напряжение достаточно между базой и эмиттером транзистора включить обычный диод, но лучше всего использовать транзистор с закороченным коллекторным переходом, причём необходимо стараться подобрать пару транзисторов с очень близкими параметрами (h21e, ICBO и т.д.). Такая схема, показанная ниже, называется токовым зеркалом или отражателем тока



Схема токового зеркала (отражатель тока)

Рассмотрим работу схемы, основными элементами которой являются резистор R1 и транзисторы VT1 и VT2. Коллектор и база транзистора VT1 соединены, и поэтому данный транзистор выполняет роль диода. Коллекторный ток VT1 ограничен резистором R1, а как известно напряжение UBE и ток эмиттера IE транзистора связывает логарифмическая зависимость

[math]U_{BE} = U_{T} *ln (\frac{I_{E}}{I_{EO}})[/math]
[math]I_{E} \approx \/I_{C}[/math]

где UT – напряжение на p-n переходе зависящее от температуры,
IEO – обратный ток насыщения эмиттера.

Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры, то падение напряжение UBE транзистора VT1 вызовет такое же падение напряжения UBE транзистора VT2, а следовательно и коллекторный ток транзистора VT2 будет примерно равным коллекторному току транзистора VT1. Таким образом, коллекторный ток VT2 с большой степенью точности задаётся («программируется») коллекторным током VT1.

[math]I_{CVT2} \approx \/I_{CVT1} = \frac{E_{PIT} — U_{BE}}{R1}[/math]

Генератор пилообразного напряжения со стабилизатором тока

От схем стабилизаторов тока пора перейти к применению стабилизаторов в генераторах пилообразного напряжения. Тут всё достаточно просто, необходимо вместо зарядного (разрядного) резистора вставить в схему стабилизатор тока. Для примера возьмём стабилизатор тока с диодным смещением и добавим его в схему простого генератора пилообразного напряжения. Получившаяся схема изображена ниже



Схема генератора пилообразного (линейно растущего) напряжения со стабилизатором тока.

Данная схема состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1, R2, а также разрядного транзистора VT2 и конденсатора C1.
Схемы генераторов пилообразного напряжения позволяют получить коэффициент нелинейности ξ ≤ 10 %, а коэффициент использования напряжения ε ≈ 0,9. Как же работает такая схема? Как известно VT1. То есть дифференциальное сопротивление коллектора будет очень высоким

[math]r_{K} = \frac{\DELTA \/U_{BC}}{\DELTA \/I_{C}}[/math]

в случае стабилизатора тока rK ≈ 0,5…1 МОм.

После подачи питания Епит в схему, конденсатор C1 начинает заряжаться постоянным током IС ≈ IE = const, которой обеспечивается стабильным напряжением UST за счёт стабилитрона VD1

[math]I_{C} \approx \/I_{E} = \frac {U_{ST} — U_{BE}}{R2}[/math]

Таким образом, конденсатор зарядится до напряжения

[math]U_{0} = U_{BbIX} = E_{PIT} — R2 * I_{C}[/math]

которое будет являться выходным напряжением данной схемы генератора. После того как на вход схемы (базовый вывод VT2) приходит положительный импульс (UBX > UBbIX) транзистор VT2 насыщается и конденсатор C1 разряжается

Амплитуду выходного напряжения можно определить по следующей формуле

[math]U_{m} = \frac {I_{C} T_{P}}{C1} = \frac{h_{21b} E_{R2} T_{P}}{R2 C1} \approx \frac {E_{R2} T_{P}}{R2 C1}[/math]

Коэффициент нелинейности будет равен

[math]\xi = \frac{T_{p}}{r_{K} C1}[/math]

Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что данный генератор при работе на высокоомную нагрузку обеспечивает небольшой коэффициент нелинейности и большой коэффициент использования напряжения, который растёт с уменьшением напряжения стабилизации стабилитрона, а также обеспечивает большой диапазон длительности рабочего хода и небольшое время обратного хода.

Одним из недостатков данного типа генератора является то, что необходимо иметь запускающий импульс со значительным уровнем напряжения (UBX > UBbIX), а также транзисторы с разными типами проводимости.

В отличии от генератора линейно растущего напряжения, генератор линейно падающего напряжения можно собрать на транзисторах одного типа проводимости, что иногда имеет некоторое преимущество.



Генератор пилообразного (линейно падающего) напряжения со стабилизатором тока.

Расчёт номиналов элементов данной схемы ведётся идентично генератору линейно растущего напряжения.

Расчёт генератора пилообразного напряжения с токовым стабилизирующим элементом

Рассчитать параметры элементов схемы генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода ТР = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения Um = 5 В, напряжение питания схемы EK = 10 В коэффициент нелинейности ξ = 1 %.

  1. Определим ёмкость конденсатора С[math]C = \frac{T_{P}}{r_{K} \xi}[/math]

    где rK – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, rK = ΔUCB/ΔIC.{-9}}{0,0005} = 0,51 mA[/math]

  2. Выберем и рассчитаем стабилизатор тока:
    • Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: UCEmax = 30 В, ICmax = 100 mA, ICBO = 1 mkA, fh31e = 250 МГц, h21e = 20…90 (примем h21e = 50).
    • Выберем стабилитрон
      [math]U_{ST} = E_{K} — U_{m} = 10 — 5 = 5 B[/math]
      [math]U_{ST} \ge \/U_{BE} = 0,7 B[/math]

      Выберем стабилитрон типа КС147 со следующими параметрами Uст.ном. = 4,7 В, Iст.ном. = 5 мА.

    • Рассчитаем сопротивление резистора R1
      [math]R3 = \frac{E_{K} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}} = \frac{10 — 4,7}{0,005} = 1060 Om[/math]

      Примем R1 = 1 кОм

    • Рассчитаем сопротивление резистора R2
      [math]R2 = \frac{U_{CT.HOM} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{4,7 — 0,7}{0,00051} \approx 7843 Om[/math]

      Выберем R2 = 8,2 кОм

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

Цепи стабилизатора напряжения

с использованием транзистора и стабилитрона

В этой статье мы подробно обсудим, как создавать индивидуальные схемы транзисторных стабилизаторов напряжения в фиксированных режимах, а также в переменных режимах.

Все цепи линейного источника питания, которые предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения и тока на выходе, в основном включают в себя транзисторные и стабилитронные каскады для получения требуемых регулируемых выходов.

Эти схемы, использующие дискретные части, могут быть в виде постоянно фиксированного или постоянного напряжения или стабилизированного регулируемого выходного напряжения.

Простейший регулятор напряжения

Вероятно, самым простым типом стабилизатора напряжения является стабилитрон шунтирующего стабилизатора, который работает с использованием базового стабилитрона для регулирования, как показано на рисунке ниже.

Стабилитроны имеют номинальное напряжение, эквивалентное предполагаемому выходному напряжению, которое может точно соответствовать желаемому выходному значению.

Пока напряжение питания ниже номинального значения напряжения стабилитрона, он показывает максимальное сопротивление в диапазоне многих МОм, что позволяет питанию проходить без ограничений.

Однако в момент, когда напряжение питания увеличивается сверх номинального значения «напряжения стабилитрона», происходит значительное падение его сопротивления, в результате чего перенапряжение шунтируется на землю через него, пока питание не упадет или не достигнет уровня напряжения стабилитрона .

Из-за этого внезапного шунтирования напряжение питания падает и достигает значения стабилитрона, что вызывает повторное увеличение сопротивления стабилитрона. Затем цикл быстро продолжается, гарантируя, что подача остается стабильной на номинальном значении стабилитрона и никогда не может превышать это значение.

Чтобы получить указанную выше стабилизацию, входное напряжение должно быть немного выше требуемого стабилизированного выходного напряжения.

Избыточное напряжение выше значения стабилитрона вызывает срабатывание внутренних «лавинных» характеристик стабилитрона, вызывая мгновенный эффект шунтирования и падение напряжения питания до тех пор, пока оно не достигнет номинального значения стабилитрона.

Это действие продолжается бесконечно, обеспечивая фиксированное стабилизированное выходное напряжение, эквивалентное номинальному значению стабилитрона.

Преимущества стабилизатора напряжения на стабилитроне

Стабилитроны очень удобны там, где требуется стабилизация постоянного напряжения при малом токе.

Стабилитроны легко настраиваются и могут использоваться для получения достаточно точного стабилизированного выходного сигнала при любых обстоятельствах.

Для конфигурирования каскада стабилизатора напряжения на основе стабилитрона требуется только один резистор, и его можно быстро добавить в любую схему для достижения желаемых результатов.

Недостатки стабилизаторов со стабилизацией сигнала

Хотя источник питания со стабилизацией по стабилитрону является быстрым, простым и эффективным методом достижения стабильного выхода, он имеет несколько серьезных недостатков.

  • Выходной ток низкий, что может поддерживать высокие токовые нагрузки на выходе.
  • Стабилизация возможна только при малых дифференциалах входа / выхода. Это означает, что входное напряжение не может быть слишком высоким, чем требуемое выходное напряжение. В противном случае сопротивление нагрузки может рассеять огромное количество энергии, что сделает систему очень неэффективной.
  • Работа стабилитрона обычно связана с генерацией шума, который может критически повлиять на работу чувствительных схем, таких как конструкции усилителей Hi-Fi, и других подобных уязвимых приложений.

Использование «усиленного стабилитрона»

Это версия с усиленным стабилитроном, в которой используется BJT для создания переменного стабилитрона с улучшенными возможностями управления мощностью.

Давайте представим, что R1 и R2 имеют одинаковое значение, что создаст достаточный уровень смещения для базы BJT и позволит BJT работать оптимально. Поскольку минимальное требование к прямому напряжению базового эмиттера составляет 0,7 В, BJT будет проводить и шунтировать любое значение, превышающее 0,7 В или самое большее 1 В, в зависимости от конкретных характеристик используемого BJT.

Таким образом, выход будет стабилизирован приблизительно на уровне 1 В. Выходная мощность этого «усиленного переменного стабилитрона» будет зависеть от номинальной мощности BJT и номинала нагрузочного резистора.

Однако это значение можно легко изменить или отрегулировать до другого желаемого уровня, просто изменив значение R2. Или проще, заменив R2 горшком. Диапазон потенциалов потенциометра R1 и R2 может составлять от 1 кОм до 47 кОм, чтобы получить плавно регулируемый выходной сигнал от 1 В до уровня питания (максимум 24 В).Для большей точности вы можете применить следующую формулу делителя напряжения:

Выходное напряжение = 0,65 (R1 + R2) / R2

Недостаток стабилитронного усилителя

Еще раз, недостатком этой конструкции является высокое рассеивание, которое увеличивается пропорционально разница на входе и выходе увеличивается.

Чтобы правильно установить значение резистора нагрузки в зависимости от выходного тока и входного питания, можно соответствующим образом применить следующие данные.

Предположим, что требуемое выходное напряжение составляет 5 В, требуемый ток — 20 мА, а вход питания — 12 В.Тогда, используя закон Ома, мы имеем:

Нагрузочный резистор

= (12-5) / 0,02 = 350 Ом

Вт мощности = (12-5) x 0,02 = 0,14 Вт или просто 1/4 Вт.

Схема регулятора последовательного транзистора

По сути, последовательный стабилизатор, который также называется последовательным транзистором, представляет собой переменное сопротивление, создаваемое с помощью транзистора, подключенного последовательно с одной из линий питания и нагрузкой.

Сопротивление транзистора току автоматически регулируется в зависимости от выходной нагрузки, так что выходное напряжение остается постоянным на желаемом уровне.

В цепи последовательного регулятора входной ток должен быть немного больше, чем выходной ток. Эта небольшая разница — единственная величина тока, используемая схемой регулятора самостоятельно.

Преимущества последовательного регулятора

Основным преимуществом схемы последовательного регулятора по сравнению с регулятором шунтового типа является его лучшая эффективность.

Это приводит к минимальному рассеянию мощности и потерям из-за тепла. Из-за этого большого преимущества последовательные транзисторные стабилизаторы очень популярны в приложениях для регуляторов напряжения большой мощности.

Однако этого можно избежать там, где требования к мощности очень низкие или где эффективность и тепловыделение не входят в число критических проблем.

Обычно последовательный регулятор может просто включать стабилитрон, нагружая буферную схему эмиттерного повторителя, как указано выше.

Вы можете найти единичный коэффициент усиления по напряжению всякий раз, когда используется каскад эмиттерного повторителя. Это означает, что когда к его базе применяется стабилизированный вход, мы обычно также получаем стабилизированный выход и от эмиттера.

Поскольку мы можем получить более высокий коэффициент усиления по току от эмиттерного повторителя, можно ожидать, что выходной ток будет намного выше по сравнению с применяемым базовым током.

Следовательно, даже если базовый ток составляет около 1 или 2 мА в каскаде стабилитрона, который также становится потребляемым током покоя конструкции, выходной ток 100 мА может быть доступен на выходе.

Входной ток складывается с выходным током вместе с 1 или 2 мА, используемыми стабилитроном, и по этой причине достигаемый КПД достигает выдающегося уровня.

Учитывая, что входной источник питания схемы достаточно рассчитан для достижения ожидаемого выходного напряжения, выход может практически не зависеть от уровня входного питания, поскольку он напрямую регулируется базовым потенциалом Tr1.

Стабилитрон и развязывающий конденсатор создают идеально чистое напряжение на базе транзистора, которое воспроизводится на выходе, генерируя напряжение практически без шума.

Это позволяет схемам этого типа выдавать выходные сигналы с удивительно низкой пульсацией и шумом без использования огромных сглаживающих конденсаторов, а также с диапазоном тока, который может достигать 1 А или даже больше.

Что касается уровня выходного напряжения, он может не точно совпадать с подключенным напряжением стабилитрона. Это связано с тем, что между выводами базы и эмиттера транзистора существует падение напряжения примерно 0,65 В.

Следовательно, это падение необходимо вычесть из значения напряжения стабилитрона, чтобы можно было достичь минимального выходного напряжения схемы.

Это означает, что если значение стабилитрона составляет 12,7 В, то выход на эмиттере транзистора может быть около 12 В, или, наоборот, если желаемое выходное напряжение составляет 12 В, то напряжение стабилитрона должно быть выбрано равным 12.7 В.

Регулирование этой схемы последовательного регулятора никогда не будет идентично регулированию схемы стабилитрона, потому что эмиттерный повторитель просто не может иметь нулевое выходное сопротивление.

И падение напряжения в каскаде должно незначительно возрастать в ответ на увеличение выходного тока.

С другой стороны, хорошего регулирования можно ожидать, когда ток стабилитрона, умноженный на коэффициент усиления по току транзистора, достигает как минимум 100-кратного ожидаемого максимального выходного тока.

Сильноточный регулятор серии с транзисторами Дарлингтона

Для точного достижения этого часто подразумевается, что необходимо использовать несколько транзисторов, может быть 2 или 3, чтобы мы могли достичь удовлетворительного усиления на выходе.

Принципиальная схема с двумя транзисторами, использующая пару Дарлингтона с эмиттерным повторителем, указанная на следующих рисунках, демонстрирует технику применения 3 BJT в конфигурации с эмиттерным повторителем Дарлингтона.

Обратите внимание, что включение пары транзисторов приводит к более высокому падению напряжения на выходе, примерно равному 1.3 вольта, через базу 1-го транзистора на выход.

Это связано с тем, что на каждом из транзисторов снижено примерно 0,65 Вольт. Если рассматривать схему из трех транзисторов, это может означать падение напряжения чуть ниже 2 В на базе 1-го транзистора и выходе и так далее.

Стабилизатор напряжения с общим эмиттером и отрицательной обратной связью

Иногда можно увидеть красивую конфигурацию в конкретных конструкциях, имеющих пару усилителей с общим эмиттером, обеспечивающих 100-процентную чистую отрицательную обратную связь.

Эта установка показана на следующем рисунке.

Несмотря на то, что каскады с общим эмиттером обычно имеют значительный коэффициент усиления по напряжению, в данном случае это может быть не так.

Это происходит из-за 100% отрицательной обратной связи, которая возникает между коллектором выходного транзистора и эмиттером транзистора драйвера. Это позволяет усилителю достичь коэффициента усиления с точностью до единицы.

Преимущества регулятора с общим эмиттером и обратной связью

Эта конфигурация работает лучше по сравнению с регуляторами на основе эмиттерного повторителя с парой Дарлингтона из-за меньшего падения напряжения на входных / выходных клеммах.

Падение напряжения, достигнутое в этих конструкциях, составляет всего около 0,65 В, что способствует большей эффективности и позволяет схеме работать эффективно независимо от того, превышает ли нестабилизированное входное напряжение всего на несколько сотен милливольт ожидаемое выходное напряжение.

Разрядник батарей, использующий схему последовательного регулятора

Указанная схема разрядника батарей представляет собой функциональную иллюстрацию конструкции, построенной с использованием регулятора базовой серии.

Сертификат серии

»Примечания по электронике

Последовательный регулятор или регулятор последовательного прохода — наиболее широко используемый вид регуляторов напряжения, используемых в линейных источниках питания.


Схемы линейного источника питания Праймер и руководство Включает:
Линейный источник питания Шунтирующий регулятор Регулятор серии Ограничитель тока Регуляторы серий 7805, 7812 и 78 **

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


Последовательный стабилизатор напряжения или, как его иногда называют, последовательный стабилизатор напряжения — наиболее часто используемый подход для обеспечения окончательного регулирования напряжения в линейно регулируемом источнике питания.

Линейный регулятор серии обеспечивает высокий уровень производительности, особенно когда требуется низкий уровень шума, пульсаций и переходных процессов на регулируемом выходе.

Существует большое разнообразие схем, использующих дискретные электронные компоненты, которые обеспечивают линейное регулирование с помощью последовательного элемента, и в дополнение к этому практически все ИС линейных регуляторов используют этот подход.

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

Основы регуляторов напряжения серии

В последовательном регуляторе напряжения или последовательном регуляторе напряжения используется переменный элемент, включенный последовательно с нагрузкой. Изменяя сопротивление последовательного элемента, можно изменять падение напряжения на нем, чтобы обеспечить постоянство напряжения на нагрузке.

Блок-схема последовательного регулятора напряжения

Преимущество последовательного регулятора напряжения заключается в том, что величина потребляемого тока фактически равна величине потребляемого нагрузкой, хотя некоторая часть 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 более эффективен.

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

Для поддержания достаточного уровня регулирования и подавления шумов и переходных процессов, которые могут возникать на входящем напряжении, серийные линейные регуляторы напряжения должны значительно снижать напряжение.Для многих высококачественных стабилизаторов напряжения с низким уровнем шума и пульсаций требуется несколько вольт на последовательном регулирующем элементе. Это означает, что в этом компоненте рассеивается значительная мощность, и для устройства последовательного регулятора, а также для источника питания в целом требуется хороший теплоотвод и отвод тепла.

Хотя последовательный регулятор значительно более эффективен, чем шунтирующий регулятор, он значительно менее эффективен, чем импульсный источник питания. Эффективность последовательного регулятора напряжения и любых линейных источников питания, использующих их, будет зависеть от нагрузки и т. Д., Но часто достигаются уровни эффективности менее 50%, тогда как источники питания с импульсным режимом могут достигать уровня более 90%.

Стабилизаторы напряжения серии

имеют относительно низкий уровень эффективности по сравнению с импульсным источником питания, но они обладают преимуществами простоты, а также их выход не имеет импульсных скачков переключения, наблюдаемых у некоторых импульсных источников питания, хотя SMPS улучшаются, а производительность многих сейчас исключительно хорошо.

Регулятор напряжения простой эмиттерный повторитель

Конструкция электронной схемы простого транзисторного регулятора напряжения с эмиттерным повторителем очень проста.Эта схема не используется широко сама по себе в линейном источнике питания, но может использоваться в другом оборудовании для обеспечения понижающего напряжения и т. Д. От шины с более высоким напряжением.

Базовый последовательный стабилизатор с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

В схеме используется однопроходный транзистор в виде конфигурации эмиттерного повторителя и одиночный стабилитрон или другой диод регулятора напряжения, управляемый резистором от нерегулируемого источника питания.

Это обеспечивает простую форму системы обратной связи, обеспечивающую поддержание напряжения стабилитрона на выходе, хотя и со снижением напряжения, равным напряжению перехода база-эмиттер — 0.6 вольт для кремниевого транзистора.

Спроектировать такую ​​схему последовательного регулятора напряжения несложно. Зная максимальный ток, необходимый для нагрузки, можно рассчитать максимальный ток эмиттера. Это достигается делением тока нагрузки, то есть тока эмиттера транзистора, на Β или hfe транзистора.

Стабилитрону обычно требуется минимум около 10 мА, чтобы небольшой стабилитрон сохранял свое регулируемое напряжение.Затем следует рассчитать резистор, чтобы обеспечить базовый ток возбуждения и минимальный ток Зенера на основе данных о нерегулируемом напряжении, напряжении Зенера и требуемом токе. [(Нерегулируемое напряжение — напряжение Зенера) / ток]. К току следует добавить небольшой запас, чтобы обеспечить достаточное пространство для запаса при нагрузке и, следовательно, база транзистора принимает полный ток.

Рассеиваемая мощность стабилитрона должна быть рассчитана для случая, когда ток нагрузки и, следовательно, ток базы равен нулю.В этом случае стабилитрон должен будет принимать полный ток, пропускаемый последовательным резистором.

Иногда через стабилитрон или опорный диод напряжения может быть помещен конденсатор, чтобы помочь устранить шум и любые переходные процессы напряжения, которые могут возникнуть.

Выборка выхода

Простая схема последовательного регулятора напряжения с эмиттерным повторителем напрямую сравнивает выходной сигнал с опорным напряжением. Таким образом, выходное напряжение было равно, что в качестве ссылки, пренебрегая базу эмиттерного падения напряжения.

Однако можно улучшить характеристики регулятора напряжения, выбрав часть выходного напряжения и сравнив ее с эталонным. Для этой функции можно использовать дифференциальный усилитель, например операционный усилитель. Если это сделано, то выходное напряжение становится больше, чем опорное напряжение в качестве обратного отрицательного в цепи схватках, чтобы держать два сравниваемых напряжений одинаковы.

Если, например, опорное напряжение 5 вольт, и отбор проб или потенциальный делитель обеспечивает 50% от выходного напряжения, то выходное напряжение будет поддерживаться на 10 вольт.

Последовательный регулятор напряжения с дискретным выходом / figcaption>

Деление потенциала или выборку можно сделать переменными, и, таким образом, выходное напряжение можно отрегулировать до необходимого значения. Обычно этот метод используется только для небольших корректировок, как уровень минимальной мощности, полученного этим способом, является выходным сигналом, равного опорного напряжения.

Следует помнить, что использование делителя потенциала снижает коэффициент усиления контура обратной связи. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления контура и тем самым к снижению характеристик регулирования.Обычно существует достаточное усиление контура, чтобы это не было большой проблемой, за исключением случаев, когда дискретизируется только очень небольшая часть выходного сигнала.

Также следует проявлять осторожность, чтобы не увеличивать выходное напряжение до точки, при которой на регуляторе не будет достаточного падения напряжения для достаточного регулирования выходного напряжения.

Регулятор прохода серии

с обратной связью

Чтобы обеспечить улучшенный уровень производительности по сравнению с простым эмиттерным повторителем, можно добавить в схему регулятора напряжения более сложную сеть обратной связи.Это достигается путем дискретизации выходного сигнала, сравнения его с эталоном, а затем использования некоторого вида дифференциального усилителя для обратной связи по разнице для исправления ошибок.

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

Простая схема последовательного регулятора с двумя транзисторами

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

Источник опорного напряжения

Любой линейный регулятор напряжения может быть только так хорошо, как опорное напряжение, которое используется в качестве основы для сравнения в рамках системы.Хотя теоретически можно использовать аккумулятор, это не подходит для большинства приложений. Вместо этого почти повсеместно используются ссылки на стабилитроны.

регуляторы цепи Интегрированные и ссылки используют сложные комбинации на чипе транзисторов и резисторов для получения температурной компенсацией и точное опорное напряжение источников.

Опорное напряжение должно быть приводится в движение от нестабилизированного источника. Его нельзя взять из регулируемой мощности, так как есть проблемы с запуском.При запуске нет выхода, поэтому выход задания будет равен нулю, и он будет поддерживаться до запуска задания.

Упрощенный опорный источник для регулятора напряжения серии

прохода Часто выход опорного источника подается через делитель напряжения. Это не только снижает выходное напряжение, которое обычно очень полезно, но также позволяет добавить к выходу конденсатор, чтобы помочь устранить любую пульсацию или шум, которые могут присутствовать. Пониженное напряжение также полезно, потому что минимальное выходное напряжение определяется опорным напряжением.

Стабилизаторы напряжения серии с малым падением напряжения

При выборе любого регулятора необходимо учитывать напряжение, подаваемое на элемент последовательного прохода. Часто для линейных регуляторов требуется значительное падение поперечного сечения элемента последовательного прохода для достижения наилучшего регулирования и подавления шума. Например, линейный регулятор с выходным напряжением 12 В может быть рассчитан на входное напряжение 18 В или более.

Для любого линейного регулятора существует минимальное напряжение, которое требуется на последовательном элементе, прежде чем регулятор «отключится».«Это падение напряжения можно увидеть во многих интегральных схемах линейных регуляторов.

В некоторых схемах важно иметь регулятор с низким падением напряжения. Если доступное входное напряжение не очень высокое, важно иметь линейный стабилизатор с низким падением напряжения. Он должен хорошо регулироваться, несмотря на ограниченное напряжение на нем.

Хотя схемы, показанные здесь, представляют собой простые транзисторные схемы, те же принципы используются в более крупных схемах, а также в интегральных схемах.В одинаковых концепциях последовательного регулятора, а также в схемах опорных диодов, выборки и других областях используются одни и те же элементы.

Используемые здесь концепции используются практически в линейных регулируемых источниках питания, которые могут предложить очень хорошие уровни производительности. Источники питания с линейным регулированием больше и тяжелее, чем блоки питания с импульсным режимом, однако они известны своим низким уровнем шума и хорошей стабилизацией на выходе, без скачков, которые есть у некоторых блоков питания с импульсным режимом.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

Схемы стабилизации напряжения с использованием транзистора (BJT) и стабилитрона

Цепи регулирования напряжения (регуляторы напряжения):

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

Стабилитрон на основе стабилитрона:



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

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

Транзисторный стабилизатор напряжения: Схема № 1

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

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

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

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

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

Спасибо, что прочитали о схемах регулирования напряжения…

Подробнее:

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

Пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже …


Стабилизатор напряжения

на транзисторе

Стабилизатор напряжения с транзистором обычно состоит из биполярного переходного транзистора (bjt) с возможностью обработки большого тока в конфигурации эмиттерного повторителя, управляемого стабилитроном и резистором. делитель потенциала (PD) сетевой.Сначала мы используем стабилитрон и резистор на входной шине, чтобы создать PD, обеспечивающий регулируемый выход. Этот выход PD затем управляет базовым переходом транзистора, поэтому его выход также регулируется. Преимущество использования транзистора с эмиттерным повторителем состоит в том, что он обеспечивает большую мощность, чем мог бы один стабилитрон.

Эти типы цепей обычно используются в кассетные магнитофоны для подачи регулируемого напряжения на двигатель постоянного тока. Таким образом, по мере разряда батарей двигатель получает одинаковое напряжение, тем самым поддерживая постоянную скорость.

Для типа транзистора необходимо обращать внимание на его способность выдерживать ток и значение h FE . Многие транзисторы общего назначения могут выдерживать токи до 1 А, и они полезны, если все, что вам нужно, составляет 500 мА или меньше.

Если транзистор h FE был 50 и он вам нужен для обеспечения выходного тока 500 мА к устройству, то мы должны помнить следующую формулу из теории транзисторов класс.

ч FE = I ВЫХ / I B

Следовательно, при перестановке получаем

I B = I ВЫХ / ч FE

I B = 0.5/50

I B = 0,010 A

Ток, проходящий через резистор R, разделяется между стабилитроном и базовым переходом, поэтому применяется следующая идентичность.

I R = I Z + I B

Из документации на стабилитрон мы находим, что нам нужно, чтобы через стабилитрон проходил не менее 10 мА (или 0,010 А), чтобы поддерживать его в области пробоя, поэтому мы можем рассчитать I R следующим образом.

I R = 0,01 + 0,01

I R = 0,02 А

Если мы использовали стабилитрон с напряжением 6,8 В, а напряжение питания должно было быть 10 В, то падение напряжения на резисторе R составит 3,2 В, потому что мы вычитаем два напряжения, так как это частичный разряд.

Теперь, когда у нас есть напряжение на резисторе R и ток, протекающий через него, остается просто использовать закон Ома для вычисления его значения.

R = V / I

R = 3.2 / 0,02

R = 160 Ом

Требования к питанию

Когда выходной ток схемы равен нулю (когда мы снимаем нагрузку), весь ток (0,02 А) пройдет через резистор R и стабилитрон. Поскольку нам известны напряжения на обоих элементах PD и ток, протекающий через них, мы можем рассчитать их требования к мощности.

Мощность = ток × Напряжение

Требуемая мощность стабилитрона = 0,02 × 6,8

Требуемая мощность стабилитрона = 0.136 Вт

Требуемая мощность резистора

= 0,02 × 3,2

Требуемая мощность резистора

= 0,064 Вт

Как видите, требования к мощности стабилитрона очень малы, потому что нам нужен очень небольшой ток от PD, идущий к базе bjt, а bjt обрабатывает мощность через нагрузку.

Что такое регулятор напряжения? | EAGLE

Регуляторы

, монтаж:
Регулятор напряжения и как он защищает вашу схему

Будь то ваш автомобиль, ноутбук или смартфон, каждое электронное устройство нуждается в некоторой защите от скачков напряжения.В наши дни, когда устройства становятся плотнее, чем когда-либо, с такими чувствительными компонентами, как микропроцессоры и интегральные схемы (ИС), даже малейшее изменение напряжения может нанести ущерб вашей тщательно спроектированной схеме. Итак, что может сделать чувствительный компонент, когда он требует защиты? Ему нужен регулятор, чтобы поддерживать стабильное и плавное напряжение от входа к выходу.

Краткий обзор регуляторов напряжения

В мире электронных компонентов стабилизатор напряжения — один из наиболее широко используемых, но что делает эта ИС? Он обеспечивает схему с предсказуемым и фиксированным выходным напряжением в любое время, независимо от входного напряжения.

LM7805 — один из самых популярных линейных регуляторов напряжения. (Источник изображения)

Как регулятор напряжения решает эту задачу, в конечном итоге зависит от разработчика. Некоторое напряжение можно контролировать с помощью более простого стабилитрона, в то время как для других приложений требуется продвинутая топология линейных или импульсных стабилизаторов. В конце концов, у каждого регулятора напряжения есть основная и вторичная цель:

.

Первичный: Для создания постоянного выходного напряжения цепи в ответ на изменения условий входного напряжения.У вас может быть 9 В на входе, но если вы хотите только 5 В на выходе, вам нужно будет понизить его (Бак) с помощью регулятора напряжения.

Вторичный : Регуляторы напряжения также служат для экранирования и защиты вашей электронной схемы от любого потенциального повреждения. Меньше всего вам нужно поджарить микроконтроллер, потому что он не справляется с скачком напряжения.

Когда дело доходит до добавления регулятора напряжения в вашу схему, вы обычно работаете с одним из двух типов — линейными регуляторами напряжения или импульсными регуляторами напряжения.Давайте посмотрим, как они работают.

Линейные регуляторы напряжения

Этот тип регулятора действует как делитель напряжения в вашей цепи и представляет собой тип регулятора, обычно используемый при разработке маломощных и недорогих приложений. С линейным регулятором вы получите преимущество силового транзистора (BJT или MOSFET), который играет роль переменного резистора, повышая и понижая выходное напряжение вашей схемы при изменении входного питания.

Независимо от того, какая нагрузка находится в вашей цепи, линейный стабилизатор напряжения всегда будет идти в ногу, чтобы обеспечить вам постоянное стабильное выходное напряжение.Например, 3-контактный линейный стабилизатор напряжения, такой как LM7805, обеспечивает стабильный выходной сигнал 5 В на 1 А, если входное напряжение не превышает 36 В.

LM705 подключен последовательно для обеспечения стабильного выходного напряжения. (Источник изображения)

Обратной стороной этого типа регулятора в конечном итоге является его принцип работы. Поскольку он ведет себя как резистор для стабилизации напряжения, он в конечном итоге тратит тонну энергии на преобразование тока сопротивления в тепло. Вот почему линейные регуляторы напряжения идеально подходят для приложений, в которых требования к мощности невысоки, а разница между входным и выходным напряжениями минимальна.Давайте сравним две различные ситуации регулирования напряжения, чтобы увидеть, как складывается линейный регулятор:

С входным источником 10 В, который понижается до 5 В с помощью LM7805, вы в конечном итоге потратите 5 Вт и получите только 50% эффективности от ваших усилий.

Возьмите тот же регулятор LM7805 и подайте ему входное напряжение 7 В, пониженное до 5 В, и в итоге вы потратите только 2 Вт и получите КПД 71%.

Как видите, чем ниже начальная потребляемая мощность, тем эффективнее может быть линейный стабилизатор напряжения.При работе с этими регуляторами в вашей собственной схеме вы обычно столкнетесь с двумя вариациями: последовательным или шунтирующим.

Регулятор напряжения серии

В этом стандартном стабилизаторе последовательно с нагрузкой установлен транзистор, управляемый стабилитроном. Здесь регулятор использует в качестве переменного элемента (в данном случае транзистор), плавно увеличивая или уменьшая сопротивление в зависимости от переменного входного напряжения, чтобы обеспечить стабильное и стабильное выходное напряжение.

Простая схема последовательного регулятора напряжения, обеспечивающая регулируемый выход постоянного тока.(Источник изображения)

Шунтирующий регулятор напряжения

Это приложение работает аналогично последовательному регулятору напряжения, но не подключено последовательно. Все избыточное напряжение по-прежнему отправляется на землю через тот же процесс переменного сопротивления, что снова приводит к потере энергии. Чаще всего шунтирующие регуляторы используются в:

  • Прецизионные ограничители тока
  • Контроль напряжения
  • Источники питания с регулируемым напряжением
  • Усилители ошибок
  • Цепи источника и потребителя тока
  • Импульсные источники питания с низким выходным напряжением

Шунтирующий регулятор напряжения не подключен последовательно, но по-прежнему посылает избыточный ток на землю.(Источник изображения)

В целом, если вы работаете с маломощным и недорогим приложением, в котором эффективность преобразования мощности не является основным приоритетом, то линейный стабилизатор напряжения будет вашим выбором. Вот некоторые последние преимущества и недостатки, о которых следует помнить перед выбором линейного регулятора для вашего следующего проекта:

Преимущества Недостатки
  • Имеет более низкие электромагнитные помехи и шум, чем импульсные регуляторы
  • Очень энергоэффективный вариант, если разница между входным и выходным напряжением велика
  • Быстро реагирует на изменения нагрузки или напряжения сети
  • Часто потребуется установка радиатора для рассеивания всей потраченной впустую энергии
  • Обеспечивает стабильное и стабильное низкое выходное напряжение, идеально подходит для приложений с низким энергопотреблением.
  • У вас нет возможности получить выходное напряжение выше входного

Импульсные регуляторы напряжения

Импульсные регуляторы

идеально подходят, когда у вас большая разница между входным и выходным напряжениями.По сравнению с линейными регуляторами напряжения переключение выигрывает в эффективности преобразования энергии. Однако вся эта дополнительная эффективность также делает вашу схему более сложной.

Вы обнаружите, что импульсные стабилизаторы имеют совершенно иную внутреннюю схему, в которой для регулирования напряжения используется управляемый переключатель. Вот почему он называется импульсным регулятором.

Как работает импульсный регулятор? Вместо того, чтобы постоянно сопротивляться входному напряжению и посылать его на землю в качестве стока, импульсные регуляторы вместо этого накапливают, а затем доставляют заряд меньшими частями к выходному напряжению на основе обратной связи.Подавая выходное напряжение обратно в переключатель, регулятор постоянно проверяет, нужно ли ему увеличивать или уменьшать синхронизацию порций напряжения для вывода.

Переключение регуляторов становится немного сложнее. (Источник изображения)

Импульсный стабилизатор поддерживает свой уровень заряда с помощью транзистора, который включается, когда для его накопителя требуется больше энергии, и выключается, когда он достигает желаемого выходного напряжения. Это помогает обеспечить гораздо более энергоэффективный метод управления уровнями выходного напряжения с помощью своего рода плотиноподобной системы, которая не просто сопротивляется потоку входного напряжения, но вместо этого реагирует на изменения напряжения и включение / выключение как необходимо.

Однако у этого процесса включения / выключения есть некоторые недостатки. Чем быстрее ваш импульсный стабилизатор переключается, тем больше времени он потратит на переход из проводящего в непроводящее состояние, что приводит к общему снижению эффективности преобразования. Вы также получите намного больше шума в вашей цепи с импульсным стабилизатором, чем с линейным регулятором напряжения.

Однако, в отличие от линейных регуляторов напряжения, импульсные регуляторы гораздо более разнообразны в своих доступных применениях.Эти регуляторы не просто понижают или повышают ваше напряжение, но также могут инвертировать его. Вот три метода, которыми известны импульсные регуляторы напряжения:

Boosting (Повышающий)

Этот метод обеспечивает более высокое регулируемое выходное напряжение за счет увеличения входного напряжения.

Эта схема увеличивает входное напряжение 5 В до 12 В на выходе. (Источник изображения)

Bucking (понижающий)

Этот метод обеспечивает более низкое регулируемое выходное напряжение на основе переменного входного напряжения, аналогично тому, как работает линейный регулятор.

Эта схема понижает вход 8-40 В до 5 В на выходе. (Источник изображения)

Повышающий / понижающий (инвертор)

Этот метод представляет собой своего рода гибрид, предоставляющий разработчику возможность повышать, понижать или инвертировать выходное напряжение по мере необходимости.

В целом, если вы работаете со сложной конструкцией, в которой важна эффективность преобразования мощности, а разница между входным и выходным напряжениями велика, то вам подойдет импульсный стабилизатор.Вот некоторые окончательные преимущества и недостатки, о которых следует помнить, прежде чем выбирать этот регулятор для вашего следующего проекта:

Преимущества Недостатки
  • Достигает гораздо более высокой эффективности преобразования мощности, чем линейные регуляторы, 85% +
  • Производит больше электромагнитных помех и шума, чем линейные регуляторы
  • Не требует добавления радиатора на вашу плату, экономя место
  • Требуется большая сложность и дополнительные компоненты на вашем макете
  • Может легко работать с силовыми приложениями, где есть широкий диапазон входного и выходного напряжения.
  • Дополнительные компоненты увеличивают общую стоимость проекта, что не идеально для низкозатратных или бюджетных проектов.

Оставаясь простым — стабилитрон

Многим разработчикам может не понадобиться иметь дело со сложными линейными или импульсными регуляторами напряжения. В этих ситуациях мы можем полагаться на еще более простое решение для регулирования напряжения с помощью стабилитрона. Один только этот компонент может в некоторых случаях обеспечить все необходимое регулирование напряжения без каких-либо специальных деталей.

Стабилитрон выполняет свою работу, шунтируя все избыточное напряжение выше его порогового значения на землю.Однако вся эта простота имеет ограниченные возможности, и вы обычно будете использовать стабилитроны только в качестве стабилизаторов напряжения для приложений с очень низким энергопотреблением.

Какой регулятор вам нужен?

Все конструкции уникальны, и нет ни одного универсального регулятора, который удовлетворит потребности каждого инженера. Лучше оценивать каждый новый проект в индивидуальном порядке и задавать себе следующие вопросы:

  • Требует ли ваша конструкция требования к низкому выходному шуму и низким электромагнитным помехам? Если это так, то линейные регуляторы — это то, что вам нужно.
  • Требуется ли ваша конструкция максимально быстрого реагирования на помехи на входе и выходе? Линейные регуляторы снова побеждают.
  • Есть ли у вашего проекта строгие ограничения по стоимости, и вам нужно учитывать каждый доллар? Линейные регуляторы — это экономичный выбор.
  • Ваш проект работает на уровне мощности выше нескольких ватт? В этой ситуации импульсные регуляторы дешевле, поскольку не требуют радиатора.
  • Требуется ли для вашей конструкции высокая эффективность преобразования мощности? Импульсные регуляторы — это лучший выбор, предлагающий КПД 85% + для повышающих и понижающих приложений.
  • Ваше устройство работает только от источника постоянного тока, и вам нужно увеличить выходное напряжение? Регуляторы переключения справятся с этим.

Все еще не уверены, какого риэлтора выбрать? Вот некоторые другие детали, которые следует учитывать в разделе Как выбрать лучший стабилизатор напряжения для моей схемы? от Power Electronics.

Регуляторы, монтаж вверх

Какое бы устройство вы ни проектировали, ему потребуется серьезная защита от скачков напряжения.Стабилизаторы напряжения — идеальный инструмент для этой задачи, способный обеспечить стабильное выходное напряжение, чтобы ваша схема работала должным образом. В конечном итоге, выбор регулятора напряжения зависит от требований вашей конструкции. Работаете с малопотребляющим и недорогим приложением, где преобразование энергоэффективности не имеет значения? Возможно, вам подойдут линейные регуляторы. Или, может быть, вы работаете над более сложной конструкцией, требующей повышения и понижения напряжения по мере необходимости. Если это так, подумайте о переключении регуляторов.Какой бы регулятор вы ни выбрали, вы защитите свою электрическую цепь от опасностей, связанных с этими напряжениями в дикой природе.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек регуляторов напряжения, готовых для использования в вашем следующем проекте? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Регулируемые блоки питания

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • Разберитесь в работе регуляторов напряжения серии.
  • • Регулятор простой серии.
  • • Обратная связь и усиление ошибок.
  • • Защита от сверхтока (ограничение тока).
  • • Защита от перенапряжения.

Регуляторы напряжения серии Simple

Рис. 2.2.1 Регулятор простой серии

На рис. 2.2.1 R S и D Z образуют простой регулятор SHUNT, как описано в модуле источника питания 2.1. В этой схеме однако, они используются для обеспечения стабильного опорного напряжения V Z в основе TR1. Напряжение эмиттера Tr1 обычно будет примерно на 0,7 В меньше, чем напряжение базы, и поэтому V OUT будет иметь более низкое напряжение, чем напряжение базы.

V ВЫХ = V Z — V BE

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

Если V OUT имеет тенденцию повышаться из-за снижения потребления тока нагрузкой, то это уменьшит V BE , поскольку напряжение эмиттера возрастает, а базовое напряжение остается стабильным из-за D Z . Это уменьшение V BE приведет к выключению транзистора, уменьшению протекания тока и повторному регулированию выходного напряжения V OUT .

Этот регулирующий эффект обусловлен тем, что базовый потенциал Tr1 поддерживается стабильным посредством D Z , так что любое изменение напряжения эмиттера, вызванное изменяющимся током, вызывает изменение V BE , изменяя проводимость транзистора Tr1, что обычно будет силовым транзистором.Это действие противодействует изменению тока нагрузки. Однако с помощью этой простой схемы регулирование не является идеальным, и изменения в выходной мощности действительно происходят по следующим причинам.

Рис. 2.2.2 Рабочая область стабилитрона

1. Любое увеличение тока нагрузки (I L ) вызывает небольшое увеличение тока базы на коэффициент 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 имеет тенденцию к снижению выходного напряжения.Величина этого падения составляет около 0,25 В для изменения 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 во всем рабочем диапазоне, 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 выходное напряжение.

3. По причинам 1 и 2, указанным выше, любое изменение нагрузки приведет к неидеальному регулированию, поэтому любое изменение на выходе немного изменит нагрузку на входной цепи. По мере того как вход обычно берут из источника ун-регулируемых, входное напряжение будет легко влиять небольшие изменения в токе нагрузки, в качестве входного напряжения также питания для опорного напряжения V Z любое изменение в выходном токе, с помощью влияя на входное напряжение, может оказывать заметное влияние на выходное напряжение, немного снижая эффективность регулирования.

Каждый из вышеперечисленных эффектов невелик, но в сумме они дают общий эффект, заметный, когда предложение работает в условиях спроса. Тем не менее, эта недорогая схема достаточно эффективна для многих приложений и более эффективна, чем шунтирующий 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 усилителем обратной связи и ошибки

Обратная связь и усиление ошибок.

Для улучшения простого последовательного регулятора в базовую последовательную схему можно добавить цепь обратной связи и усилитель ошибки.

На рис. 2.2.3 представлена ​​структурная схема последовательного регулятора с усилением погрешности. В этой системе опорного напряжения V Z сравнивается с напряжением обратной связи V F , который представляет собой часть фактического выходного напряжения. Разница между двумя входами создает напряжение ошибки, которое используется для изменения проводимости элемента управления, корректируя любую ошибку в выходном напряжении.

Принципиальная схема

.

Принципиальная схема этой системы представлена ​​на рис. 2.2.4. Tr1 — это последовательный элемент управления. Обычно это силовой транзистор, установленный на массивном радиаторе, чтобы обеспечить необходимое рассеивание мощности.

Стабильная опорное напряжение обеспечивается R4 и D1 от ООН регулируемого входного напряжения. Tr2 — это усилитель ошибки, и его коэффициент усиления устанавливается величиной резистора нагрузки R3. Tr2 сравнивает долю выходного напряжения V F , подаваемого обратно от 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 V OUT на рис. 2.2.4 можно выразить как:

V ВЫХ = (V Z + V BE2 ) + (V OUT — V F )

Где:

В Z — напряжение на D Z

В BE2 — напряжение база / эмиттер Tr2

В F — напряжение обратной связи, полученное от ползунка VR1

Следовательно:

(V Z + V BE2 ) — напряжение на R2 и нижней части VRI

.

и

(V OUT — V F ) — напряжение на R1 и верхней части VRI

.

Если напряжение обратной связи V F изменить регулировкой потенциометра VR1, разница между V F и V Z изменится.Это вызовет изменение ошибки управления напряжением Tr1 и изменение выходного напряжения V OUT . Таким образом, VR1 обеспечивает переменное выходное напряжение, которое после установки остается стабильным при этой настройке.

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 также увеличивается.Это увеличивает ток коллектора Tr2 и, следовательно, увеличивает п.д. через R3, уменьшая базовое напряжение и, следовательно, напряжение база / эмиттер Tr1, уменьшая проводимость Tr1, тем самым уменьшая ток в нагрузке.

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 выходной сигнал поддерживается на уровне, который зависит от пропорции обратной связи, установленной переменным резистором (частью R1 / R2).

Если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, то V F тоже. Напряжение база / эмиттер Tr2 уменьшается из-за стабильного V Z на эмиттере. Tr2 проводит меньше, и ток через R3 падает, уменьшая p.d. через это. Напряжение базы Tr1 повышается, и увеличивается 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)

Фиг.2.2.5 Регулятор серии с защитой от сверхтока

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 на выходе, 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 поднимается выше заданного значения, небольшое напряжение, развиваемое на R5, станет достаточным (около 0.7v), чтобы включить Tr3. Поскольку Tr3 подключен к переходу база / эмиттер основного управляющего транзистора Tr1, действие включения Tr3 будет уменьшать напряжение база / эмиттер Tr1 на величину, зависящую от величины избыточного тока. Выходному току не позволено увеличиваться выше заданного значения, даже если на выходных клеммах произойдет полное короткое замыкание. В этом случае напряжение базы / эмиттера Tr1 будет снижено практически до нуля вольт, предотвращая ток Tr1. В этих условиях выходное напряжение будет падать до нуля, пока сохраняется состояние перегрузки по току, но питание не будет повреждено.

Рис. 2.2.6 Регулятор серии с защитой от перегрузки по току и перенапряжения

Защита от перенапряжения.

При использовании регулируемых источников входное напряжение постоянного тока регулятора часто значительно превышает требуемое выходное напряжение. Поэтому в случае отказа блока питания стабилизированное выходное напряжение может внезапно подняться до уровня, который может повредить другие компоненты. По этой причине в стабилизированные источники питания часто входит защита от перенапряжения.Цепь, показанная на рис. 2.2.6, иногда называют «ломовой» цепью, потому что, когда она работает, она создает полное короткое замыкание на выходе, аналогичный эффекту падения металлического лома на положительный вывод и вывод заземления!

Работа цепи лома.

На рис. 2.2.6 стабилитрон D Z 2 имеет напряжение пробоя немного меньше максимально допустимого значения для V OUT . Остальная часть V OUT разработана для R6, VR2 и R7.

VR2 — это потенциометр, так что напряжение может сниматься с цепи резистора для правильного смещения диода D1. У этого диода катод удерживается на 0 В с помощью R8, а VR2 настроен так, чтобы D1 был просто вне проводимости, то есть его анодное напряжение примерно на 0,5 В выше, чем его катодное напряжение.

Теперь, если V OUT увеличивается, напряжение на R6, VR2 и R7 вырастет на ту же величину, поскольку напряжение на D Z 2 останется прежним. Следовательно, будет существенное повышение напряжения на ползунке R7, которое заставит D1 проводить ток, подавая импульс тока на затвор тиристора Th2, заставляя его «загораться» и сильно проводить, пока V OUT не упадет практически до 0v.R9 включен для ограничения результирующего тока, протекающего через тиристор, до безопасного уровня.

Большой ток, протекающий при возгорании Th2, теперь приведет к включению схемы ограничителя тока, как описано ранее. Это безопасно отключит питание до тех пор, пока сверхток, вызванный Th2, не исчезнет, ​​что, конечно же, произойдет, как только V OUT достигнет 0 В, но если перенапряжение все еще будет присутствовать, когда Th2 выключится и V OUT повысится опять же, схема повторно запустится, в результате чего напряжение на нагрузке будет постоянно меняться от нормального значения до нуля; безобидный, но явный симптом проблемы перенапряжения.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *