Схема на транзисторе стабилизатор напряжения: Схема стабилизатора напряжения — простой расчёт

Содержание

Схема стабилизатора напряжения — простой расчёт

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор


Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.



Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.



На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор


Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:



Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:



В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Стабилизаторы на микросхемах


Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;

  • 2 – Элемент регулировки;

  • 3 – усилитель;

  • 4 – источник основного напряжения;

  • 5 – определитель напряжения выхода;

  • 6 – сопротивление нагрузки.


Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;

  • 2 –элемент регулирующий;

  • 3 – усилитель;

  • 4 – источник основного напряжения;

  • 5 – измерительный элемент;

  • 6 – сопротивление нагрузки.


Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами


Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

  1. U вх – необработанное напряжение входа;

  2. U вых –напряжение выхода.


Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:



Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах



На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.



На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

  • 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт

  • 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт

  • 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10


На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

https://www.youtube.com/watch?v=1uj8LLdUtGI

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Приведена техника упрощенного расчета параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h31э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h31э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h31 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис. 2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,

  • выходное напряжение Uвых = 12V,

  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h31э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h31э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h31э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схема на составном транзисторе

Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h31э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4). В такой схеме общий h31э будет примерно равен произведению h31э обоих транзисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на основе составного транзистора.

Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,ЗV.

Это нужно учесть при выборе стабилитрона, — его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,ЗV больше требуемого выходного напряжения.

К тому же появился резистор R2. Его назначение — подавлять реактивную составляющую транзистора VТ2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе.

Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.

Иванов А. РК-11-17.

Схемы регулятора напряжения с использованием транзистора и стабилитрона

В этой статье мы всесторонне обсудим, как сделать индивидуальные схемы транзисторного стабилизатора напряжения в фиксированных режимах, а также в переменных режимах.

Все схемы линейных источников питания, предназначенные для получения стабилизированного постоянного напряжения и выходного тока, в основном содержат каскады транзисторов и стабилитронов для получения требуемых регулируемых выходов.

Эти цепи с использованием дискретных частей могут быть в виде постоянно фиксированного или постоянного напряжения, или стабилизированного регулируемого выходного напряжения.

Вы также можете прочитать: Простые схемы регуляторов

Содержание

Простейший регулятор напряжения

Вероятно, простейшим стабилизатором напряжения, использующим стабилизатор, является шунт Зенера. диод 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, оно проявляет максимальное сопротивление в диапазоне многих МОм, позволяя питанию проходить без ограничений.

Однако в тот момент, когда напряжение питания превышает номинальное значение «напряжения стабилитрона», вызывает значительное падение его сопротивления, в результате чего перенапряжение шунтируется на землю через него до тех пор, пока напряжение питания 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 стабилизированной на номинальном значении стабилитрона и никогда не допускается превышение этого значения.

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

Превышение напряжения над значением стабилитрона вызывает срабатывание внутренних «лавинных» характеристик стабилитрона, что приводит к мгновенному эффекту шунтирования и падению питания до тех пор, пока оно не достигнет номинала стабилитрона.

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

Преимущества стабилизатора напряжения Зенера

Зенеровские диоды очень удобны там, где требуется слаботочная регулировка постоянного напряжения.

Стабилитроны просты в настройке и могут использоваться для получения достаточно точного стабилизированного выходного сигнала при любых обстоятельствах.

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

Недостатки стабилизаторов со стабилизацией Зенера

Хотя стабилизированный стабилитроном источник питания является быстрым, простым и эффективным методом достижения стабилизированного выходного сигнала, он имеет несколько серьезных недостатков.

  • Низкий выходной ток, что может поддерживать высокие токовые нагрузки на выходе.
  • Стабилизация возможна только при низких входных/выходных дифференциалах. Это означает, что входное напряжение не может быть выше требуемого выходного напряжения. В противном случае сопротивление нагрузки может рассеивать огромное количество энергии, делая 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 усиленного стабилитрона, в которой используется биполярный транзистор для создания переменного стабилитрона с улучшенной мощностью.

Предположим, 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, биполярный транзистор будет проводить и шунтировать любое значение выше 0,7 В или не более 1 В в зависимости от конкретных характеристик используемого биполярного транзистора.

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

Однако это значение можно легко изменить или настроить на другой желаемый уровень, просто изменив значение R2. Или, проще говоря, заменив R2 потенциометром. Диапазон обоих потенциометров R1 и R2 может составлять от 1K до 47K, чтобы получить плавно регулируемый выходной сигнал от 1V до уровня питания (макс. 24V). Для большей точности можно применить следующую формулу делителя напряжения:

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

Недостаток усилителя Зенера

Еще раз, недостатком этой конструкции является высокое рассеяние, которое увеличивается пропорционально увеличению входной и выходной разности.

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

Предположим, что требуемое выходное напряжение равно 5 В, требуемый ток равен 20 мА, а входное напряжение равно 12 В. Тогда по закону Ома имеем:

Нагрузочный резистор = (12 — 5) / 0,02 = 350 Ом

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

Цепь транзисторного регулятора серии

По сути, последовательный регулятор, который также называется последовательным проходным транзистором, представляет собой переменное сопротивление, созданное с помощью транзистора, подключенного последовательно к одной из линий питания и нагрузке.

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

В цепи последовательного регулятора входной ток должен быть немного больше, чем выходной ток. Эта небольшая разница является единственной величиной тока, которая используется схемой регулятора сама по себе.

Преимущества последовательного регулятора

Основным преимуществом последовательного регулятора по сравнению с регулятором шунтового типа является его более высокая эффективность.

Это приводит к минимальному рассеиванию мощности и потерям тепла. Из-за этого большого преимущества, последовательные транзисторные регуляторы очень популярны в приложениях регуляторов напряжения большой мощности.

Однако этого можно избежать, если потребность в электроэнергии очень низкая или когда эффективность и тепловыделение не являются критическими проблемами.

По сути, последовательный регулятор может просто включать стабилитронный шунтирующий регулятор, нагружающий буферную схему эмиттерного повторителя, как указано выше.

Вы можете получить единичный коэффициент усиления по напряжению при использовании эмиттерного повторителя. Это означает, что когда на его базу подается стабилизированный вход, мы, как правило, также получаем стабилизированный выходной сигнал 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 приложенным базовым током.

Таким образом, даже если базовый ток составляет около 1 или 2 мА в каскаде шунтирования стабилитрона, что также становится потреблением тока в состоянии покоя, на выходе может быть доступен выходной ток 100 мА.

Входной ток суммируется 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 номинален для достижения ожидаемого выходного напряжения, выход может быть практически независим от уровня входного источника питания, поскольку он напрямую регулируется базовым потенциалом Tr1.

Стабилитрон и развязывающий конденсатор создают идеально чистое напряжение на базе транзистора, которое воспроизводится на выходе, создавая практически бесшумное напряжение.

Это позволяет использовать этот тип схем с удивительно низкими пульсациями и шумами на выходе без включения огромных сглаживающих конденсаторов, а также с диапазоном тока, который может достигать 1 ампера и даже больше.

Что касается уровня выходного напряжения, то он может не совпадать с напряжением подключенного 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 получить минимальное выходное напряжение схемы.

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

Регулировка этой последовательной схемы стабилизатора никогда не будет идентична регулировке схемы стабилитрона, потому что эмиттерный повторитель просто не может иметь нулевой выходной импеданс.

Падение напряжения на каскаде должно незначительно увеличиваться в ответ на увеличение выходного тока.

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

Сильноточный регулятор серии с использованием транзисторов 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 двухтранзисторная схема с использованием пары эмиттерных повторителей Дарлингтона, показанная на следующих рисунках, демонстрирует метод применения 3 биполярных транзисторов в конфигурации Дарлингтона с эмиттерными повторителями.

Обратите внимание, что включение пары транзисторов приводит к более высокому падению напряжения на выходе примерно на 1,3 В, через базу 1-го транзистора к выходу.

Это связано с тем, что примерно 0,65 вольт сбрасывается с каждого из транзисторов. Если рассматривать трехтранзисторную схему, это может означать падение напряжения чуть ниже 2 вольт на базе 1-го транзистора и на выходе, и так далее.

Регулятор напряжения с общим эмиттером и отрицательной обратной связью

Хорошая конфигурация иногда наблюдается в определенных конструкциях, имеющих пару усилителей с общим эмиттером, имеющих 100-процентную чистую отрицательную обратную связь.

Эта настройка 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 связано со 100% отрицательной обратной связью между коллектором выходного транзистора и эмиттером управляющего транзистора. Это облегчает усилителю достижение коэффициента усиления, равного единице.

Преимущества регулятора с общим эмиттером и обратной связью

Эта конфигурация работает лучше по сравнению с регуляторами на основе эмиттерных повторителей Darlington Pair из-за меньшего падения напряжения на входных/выходных клеммах.

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

Выпрямитель батареи, использующий цепь последовательного регулятора

Показанная схема выпрямителя батареи является функциональной иллюстрацией конструкции, построенной с использованием регулятора базовой серии.

Модель разработана для всех приложений, работающих с постоянным напряжением 9 В с максимальным током, не превышающим 100 мА. Это не подходит для устройств, которые требуют относительно большего количества тока.

T1 представляет собой трансформатор 12–0–12 В, 100 мА, обеспечивающий изолированную защитную изоляцию и понижающее напряжение, в то время как его вторичная обмотка с отводом от средней точки управляет базовым двухтактным выпрямителем с фильтрующим конденсатором.

Без нагрузки выходное напряжение будет около 18 В постоянного тока, которое может упасть примерно до 12 В при полной нагрузке.

Схема, которая работает как стабилизатор напряжения, на самом деле является базовой последовательной конструкцией, включающей резисторы R1, D3 и C2 для получения регулируемого номинального выходного напряжения 10 В. Ток стабилитрона колеблется от 8 мА без нагрузки до 3 мА при полной нагрузке. В результате диссипация, создаваемая резисторами R1 и D3, минимальна.

Эмиттерный повторитель пары Дарлингтона, образованный TR1 и TR2, можно увидеть сконфигурированным, поскольку выходной буферный усилитель обеспечивает усиление по току около 30 000 при полном выходе, в то время как минимальное усиление составляет 10 000.

При этом уровне усиления, когда устройство работает с током 3 мА при полном токе нагрузки и минимальном усилении i, падение напряжения на усилителе практически не изменяется даже при колебаниях тока нагрузки.

Реальное падение напряжения на выходном усилителе составляет примерно 1,3 вольта, а при умеренном входном напряжении 10 вольт это дает примерно 8,7 вольта на выходе.

Это выглядит почти равным указанным 9 В, учитывая тот факт, что даже настоящая 9-вольтовая батарея может показывать отклонения от 9 В.от 0,5 В до 7,5 В в течение периода эксплуатации.

Добавление ограничения тока к последовательному регулятору

Для описанных выше регуляторов обычно важно добавить защиту от короткого замыкания на выходе.

Это может быть необходимо, чтобы конструкция могла обеспечить хорошую стабилизацию при низком выходном импедансе. Поскольку источник питания имеет очень низкий импеданс, в случае случайного короткого замыкания на выходе может протекать очень большой выходной ток.

Это может привести к немедленному сгоранию выходного транзистора и некоторых других деталей. Типичный предохранитель может просто не обеспечить достаточную защиту, потому что повреждение, вероятно, произойдет быстро, даже до того, как предохранитель среагирует и перегорит.

Проще всего это реализовать, добавив в схему ограничитель тока. Это включает в себя дополнительные схемы без какого-либо прямого влияния на производительность конструкции в нормальных условиях работы.

Однако ограничитель тока может привести к быстрому падению выходного напряжения, если подключенная нагрузка будет потреблять значительный ток.

На самом деле выходное напряжение падает так быстро, что, несмотря на короткое замыкание на выходе, ток в цепи немного превышает указанный максимальный номинал.

Результат схемы ограничения тока подтверждается приведенными ниже данными, которые отображают выходное напряжение и ток с учетом постепенно снижающегося импеданса нагрузки, как это достигается с помощью предложенного устройства Battery Eliminator.

Схема ограничения тока работает, используя всего пару элементов; Р2 и Тр3. Его реакция на самом деле настолько быстра, что просто устраняет все возможные риски короткого замыкания на выходе, тем самым обеспечивая отказоустойчивую защиту выходных устройств. Работу ограничения тока можно понять, как описано ниже.

Резистор R2 подключен последовательно с выходом, поэтому напряжение на резисторе R2 пропорционально выходному току. При выходном потреблении, достигающем 100 мА, напряжения, создаваемого на R2, будет недостаточно для срабатывания Tr3, так как это кремниевый транзистор, для включения которого требуется минимальный потенциал 0,65 В.

Однако, когда выходная нагрузка превышает предел в 100 мА, на T2 создается достаточный потенциал для адекватного включения Tr3 в проводимость. TR3, в свою очередь, вызывает протекание некоторого тока f к Trl через отрицательную шину питания через нагрузку.

Это приводит к некоторому снижению выходного напряжения. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пропорциональному увеличению потенциала на R2, заставляя Tr3 включаться еще сильнее.

Следовательно, это позволяет смещать больший ток в сторону Tr1 и отрицательной линии через Tr3 и нагрузку. Это действие дополнительно приводит к пропорционально возрастающему падению выходного напряжения.

Даже в случае короткого замыкания на выходе Tr3, скорее всего, будет сильно смещен в проводимость, что приведет к падению выходного напряжения до нуля, гарантируя, что выходной ток никогда не превысит отметку 100 мА.

Настольный источник питания с регулируемым напряжением

Источники питания со стабилизированным переменным напряжением работают по тому же принципу, что и стабилизаторы с фиксированным напряжением, но они оснащены потенциометрическим управлением, которое обеспечивает стабилизацию выходного сигнала в диапазоне переменного напряжения.

Эти схемы лучше всего подходят для настольных и мастерских источников питания, хотя их также можно использовать в приложениях, требующих различных регулируемых входов для анализа. Для таких задач потенциометр источника питания действует как предустановленный элемент управления, который можно использовать для адаптации выходного напряжения источника к желаемым регулируемым уровням напряжения.

На рисунке выше показан классический пример схемы регулируемого регулятора напряжения, который обеспечивает плавное стабилизированное выходное напряжение от 0 до 12 В.

Основные характеристики

  • Диапазон тока ограничен максимальным значением 500 мА, хотя его можно увеличить до более высоких уровней путем соответствующей модернизации транзисторов и трансформатора.
  • Конструкция обеспечивает очень хорошее регулирование шума и пульсаций, которые могут быть менее 1 мВ.
  • Максимальная разница между входным питанием и регулируемым выходом не более 0,3 В даже при полной выходной нагрузке.
  • Регулируемый источник питания идеально подходит для тестирования почти всех типов электронных проектов, требующих высококачественных регулируемых источников питания.

Как это работает

В этой схеме мы видим схему делителя напряжения, включенную между выходным каскадом стабилитрона и входным буферным усилителем. Этот потенциальный делитель создается VR1 и R5. Это позволяет регулировать ползунковый рычаг VR1 от минимума 1,4 В, когда он находится у основания дорожки, до уровня стабилитрона 15 В, когда он находится в самой высокой точке диапазона регулировки.

На выходном буферном каскаде падает примерно 2 вольта, что позволяет использовать выходное напряжение в диапазоне от 0 В до примерно 13 В. Сказав это, верхний диапазон напряжения чувствителен к допуску деталей, например, к допуску 5% на стабилитроне. Напряжение. Поэтому оптимальное выходное напряжение может быть чуть выше 12 вольт.

Несколько типов эффективных схем защиты от перегрузок могут быть очень важны для любого настольного источника питания. Это может быть важно, так как выход может быть уязвим для случайных перегрузок и коротких замыканий.

В данной конструкции мы используем довольно простое ограничение тока, определяемое Trl и связанными с ним элементами. Когда блок работает в нормальных условиях, напряжение, создаваемое на резисторе R1, подключенном последовательно с источником питания uoutput, слишком мало, чтобы включить Trl в проводимость.

В этом сценарии схема работает нормально, за исключением небольшого падения напряжения, создаваемого резистором R1. Это практически не влияет на эффективность регулирования агрегата.

Это связано с тем, что каскад R1 предшествует схеме регулятора. В случае перегрузки потенциал, наведенный на резисторе R1, резко возрастает примерно до 0,65 В, что приводит к включению транзистора Tr1 за счет базового тока, получаемого за счет разности потенциалов, генерируемой на резисторе R2.

Это приводит к тому, что резисторы R3 и Tr 1 потребляют значительный ток, что приводит к существенному увеличению падения напряжения на резисторе R4 и снижению выходного напряжения.

Это действие мгновенно ограничивает выходной ток до максимального значения от 550 до 600 мА, несмотря на короткое замыкание на выходе.

Поскольку функция ограничения тока ограничивает выходное напряжение практически до 0 В.

R6 выполнен в виде нагрузочного резистора, который в основном предотвращает слишком низкое значение выходного тока и неспособность буферного усилителя нормально работать. C3 позволяет устройству достичь отличной переходной характеристики.

Недостатки

Как и в любом типичном линейном стабилизаторе, рассеиваемая мощность в Tr4 определяется выходным напряжением и током и достигает максимума при регулировке потенциометра для более низких выходных напряжений и более высоких выходных нагрузок.

В самых тяжелых случаях на Tr4 может быть наведено напряжение 20 В, в результате чего через него будет протекать ток величиной около 600 мА. Это приводит к рассеиванию мощности около 12 Вт на транзисторе.

Чтобы выдержать это в течение длительного времени, устройство должно быть установлено на довольно большом радиаторе. ВР1 можно было установить с крупной ручкой управления, позволяющей откалибровать шкалу, отображающую маркировку выходного напряжения.

Список деталей

  • Резисторы. (Все 1/3 Вт 5%).
  • R1 1.2 ohms
  • R2 100 ohms
  • R3 15 ohms
  • R4 1k
  • R5 470 ohms
  • R6 10k
  • VR1 4.7k linear carbon
  • Capacitors
  • C1 2200 µF 40V
  • C2 100 мкФ 25 В
  • C3 330 нФ
  • Полупроводники
  • Tr1 BC108
  • Tr2 BC107
  • Tr3 BFY51
  • Tr4 TIP33A
  • DI to D4 1N4002 (4 off)
  • D5 BZY88C15V (15 volt, 400 mW zener)
  • Transformer
  • T1 Standard mains primary, 17 or 18 volt, 1 amp
  • secondary
  • Переключатель
  • S1 D. P.S.T. поворотный сетевой или тумблерный тип
  • Разное
  • Корпус, выходные разъемы, печатная плата, шнур питания, провод,
  • припой и т. д.0059

    Регуляторы проходного транзисторного типа, как пояснено выше, обычно сталкиваются с ситуацией чрезвычайно высокого рассеяния, возникающего из-за транзистора последовательного регулятора всякий раз, когда выходное напряжение намного ниже, чем входное питание.

    Каждый раз, когда на при низком напряжении (TTL) может быть важно использовать охлаждающий вентилятор на радиаторе. Возможно, серьезной иллюстрацией может быть сценарий, в котором указанный блок источника обеспечивает 5 ампер через 5 и 50 вольт.

    Этот тип устройства обычно может иметь нерегулируемое питание 60 вольт. Представьте, что это конкретное устройство должно питать схемы ТТЛ со всем номинальным током. Последовательный элемент в цепи должен будет в этой ситуации рассеивать 275 Вт!

    Затраты на обеспечение достаточного охлаждения, по-видимому, учитываются только ценой последовательного транзистора. В случае, если падение напряжения на транзисторе регулятора можно было бы ограничить до 5,5 вольт, независимо от предпочтительного выходного напряжения, рассеяние можно было бы существенно уменьшить на приведенном выше рисунке, это может составить 10% от его начального значения.

    Этого можно добиться, используя три полупроводниковых элемента и пару резисторов (рис. 1). Вот как это работает: тиристор Thy может нормально проводить ток через R1.

    Тем не менее, как только падение напряжения на Т2 — последовательный стабилизатор превышает 5,5 В, Т1 начинает проводить, в результате чего тиристор «открывается» при последующем переходе через ноль на выходе мостового выпрямителя.

    Эта специальная рабочая последовательность постоянно регулирует заряд, подаваемый на конденсатор C1 (фильтрующий конденсатор), для того, чтобы нестабилизированное питание было зафиксировано на уровне 5,5 В выше регулируемого выходного напряжения. Величина сопротивления, необходимая для R1, определяется следующим образом:

    R1 = 1,4 x В сек — (В мин + 5) / 50 (результат будет в кОм)

    где Vсек означает среднеквадратичное вторичное напряжение трансформатора, а Vmin означает минимальное значение регулируемый выход.

    Тиристор должен выдерживать пиковый пульсирующий ток, а его рабочее напряжение должно быть не менее 1,5 В с . Транзистор последовательного стабилизатора должен поддерживать максимальный выходной ток I max и должен быть установлен на радиаторе, где он может рассеивать 5,5 x I сек Вт.

    Получение фиксированного напряжения от транзисторного регулятора

    Используя всего один транзистор и несколько стабилитронов, вы можете получить различные напряжения в диапазоне от 5 В до 10 В от входа питания 12 В. На приведенной ниже схеме и на диаграмме показано, как транзистор, стабилитрон и резистор смещения могут быть сконфигурированы для реализации простой схемы транзисторного регулятора.

    Заключение

    В этом посте мы узнали, как построить простые схемы линейного регулятора напряжения, используя последовательно проходной транзистор и стабилитрон. Линейные стабилизированные источники питания предоставляют нам довольно простые возможности для создания фиксированных стабилизированных выходов с использованием минимального количества компонентов.

    В таких конструкциях обычно NPN-транзистор подключается последовательно с положительной входной линией питания в режиме с общим эмиттером. Стабилизированный выходной сигнал получается через эмиттер транзистора и отрицательную линию питания.

    База транзистора оснащена схемой фиксации стабилитрона или регулируемым делителем напряжения, что гарантирует, что напряжение на эмиттерной стороне транзистора точно воспроизводит базовый потенциал на эмиттерном выходе транзистора.

    Если нагрузка является сильноточной нагрузкой, транзистор регулирует напряжение на нагрузке, увеличивая свое сопротивление, и, таким образом, гарантирует, что напряжение на нагрузке не превышает заданное фиксированное значение, установленное его базовой конфигурацией.

    Схема транзисторного регулятора 5 В

    Серия

    Pass » Electronics Notes

    Последовательный регулятор или регулятор последовательного прохода является наиболее широко используемой формой регулятора напряжения, используемой в линейных источниках питания.

    Схемы линейных источников питания. Включает:
    Линейный источник питания.
    Шунтовой регулятор
    Серийный регулятор
    Ограничитель тока
    Регуляторы серий 7805, 7812 и 78**

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

    Последовательный стабилизатор напряжения, или, как его иногда называют, последовательно-проходной регулятор, является наиболее часто используемым подходом для окончательной стабилизации напряжения в линейном регулируемом источнике питания.

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

    Существует множество схем с использованием дискретных электронных компонентов, которые обеспечивают линейное регулирование с помощью последовательного проходного элемента, и в дополнение к этому практически все ИС линейных регуляторов используют этот подход.

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

    Основные сведения о регуляторе напряжения серии

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

    Блок-схема последовательного регулятора напряжения

    Преимущество последовательного регулятора напряжения заключается в том, что величина потребляемого тока фактически соответствует потребляемому нагрузкой, хотя часть тока будет потребляться любой схемой, связанной с регулятором. В отличие от шунтового регулятора напряжения, последовательный регулятор не потребляет полный ток, даже если нагрузка не требует никакого тока. В результате последовательный регулятор напряжения значительно эффективнее.

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

    Для поддержания достаточного уровня регулирования и подавления шумов и переходных процессов, которые могут быть связаны с входным напряжением, последовательные линейные регуляторы напряжения должны обеспечивать значительное падение напряжения. Многим высококачественным регуляторам напряжения с низким уровнем шума и пульсаций требуется несколько вольт на последовательном элементе регулятора. Это означает, что в этом компоненте могут рассеиваться значительные уровни мощности, и для устройства последовательного регулятора прохода, а также для источника питания в целом требуется хороший теплоотвод и возможность отвода тепла.

    Несмотря на то, что последовательный регулятор значительно более эффективен, чем шунтирующий регулятор, он значительно менее эффективен, чем импульсный источник питания. Эффективность последовательного 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 импульсные источники питания могут достигать уровней более 90%.

    Регуляторы напряжения серии

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

    Простой регулятор напряжения эмиттерного повторителя

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

    Регулятор базовой серии с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

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

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

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

    Стабилитрону обычно требуется минимум около 10 мА для небольшого стабилитрона, чтобы поддерживать регулируемое напряжение. Затем следует рассчитать резистор, чтобы обеспечить базовый ток возбуждения и минимальный ток Зенера, исходя из нерегулируемого напряжения, напряжения Зенера и требуемого тока. [(Нерегулируемое напряжение — напряжение Зенера)/ток]. К току следует добавить небольшой запас, чтобы обеспечить достаточно места для запаса при нагрузке и, следовательно, на базу транзистора, принимающую полный ток.

    Рассеиваемая мощность стабилитрона должна рассчитываться для случая, когда ток нагрузки и, следовательно, ток базы равны нулю. В этом случае диод Зенера должен будет принимать полный ток, проходящий через последовательный резистор.

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

    Выходная выборка

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

    Однако можно улучшить работу регулятора напряжения, замерив долю выходного напряжения и сравнив ее с эталоном. Для этой функции можно использовать дифференциальный усилитель, такой как операционный усилитель. Если это сделать, то выходное напряжение станет больше, чем опорное напряжение, поскольку отрицательная обратная связь в цепи пытается сохранить два сравниваемых напряжения одинаковыми.

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

    Последовательный стабилизатор напряжения с выборочным выходом /figcaption>

    Деление потенциала или выборку можно сделать переменными, и таким образом можно настроить выходное напряжение на требуемое значение. Обычно этот метод используется только для небольших регулировок, так как минимальный выходной уровень, полученный этим методом, равен выходному напряжению.

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

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

    Регулятор прохода серии

    с обратной связью

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

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

    Простая двухтранзисторная схема регулятора последовательного прохода

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

    Опорное напряжение

    Качество любого линейного регулятора напряжения зависит от опорного напряжения, используемого в качестве основы для сравнения в системе. Хотя теоретически можно использовать батарею, это не подходит для большинства применений. Вместо этого почти повсеместно используются эталоны на основе стабилитронов.

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

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

    Упрощенный источник опорного напряжения для последовательного регулятора напряжения

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

    Серийные регуляторы напряжения с малым падением напряжения

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

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

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

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