|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Економічні стабілізатори Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Стабілізатори напруги Не вдаючись у докладний аналіз переваг та недоліків різних принципів перетворення та стабілізації напруги, автор статті ділиться досвідом розробки простих економічних стабілізаторів напруги з біполярним транзистором як регулюючий елемент. Велику увагу приділено вибору джерела зразкової напруги. У статті наведено таблиці з результатами випробувань різних стабілізаторів, що полегшують вибір відповідного варіанта. Для досягнення високої економічності радіоелектронних пристроїв, що живляться від гальванічних елементів або акумуляторів та потребують стабілізованої напруги, крім правильного вибору напруги живлення та типу елементів, важливе значення має вибір відповідного економічного стабілізатора, що забезпечує максимально тривалу роботу пристрою без заміни джерел живлення. Економічним (з високим ККД) називають стабілізатор, який одночасно задовольняє двом умовам: по-перше, він повинен мати малий струм споживання порівняно із струмом навантаження; по-друге, - мати мінімально допустиме падіння напруги на регулюючому елементі. У літературі часто зустрічаються описи економічних стабілізаторів, в яких автори основну увагу приділяють зменшенню споживаного струму самим стабілізатором і не надають великого значення тому факту, що для його нормальної роботи вхідна напруга має перевищувати вихідний мінімум на 1,5...2 В. від батарей ця обставина відіграє першорядну роль. Нескладні розрахунки показують, що зменшення ККД стабілізаторів відбувається саме через розсіювання енергії у вигляді тепла на транзисторі, що регулює, і ці втрати прямо пропорційні падінню напруги. У загальному вигляді стабілізатор є регульованим дільником напруги, де в якості регулюючого елемента використовують транзистор, провідність якого змінює керуючий елемент. В економічних стабілізаторах керуючий елемент повинен забезпечувати достатній струм бази регулюючого транзистора за мінімального споживання. Цей струм виробляється шляхом порівняння вихідної напруги із зразковим. Важливе значення має правильний вибір джерела зразкового напруги (ІОН), від параметрів якого залежить характеристики стабілізатора: коефіцієнт стабілізації (Кет), температурний коефіцієнт напруги (ТКН), економічність та інших. Регулюючий транзистор повинен підтримувати стабільну вихідну напругу при зменшенні напруги живлення до мінімального значення, що незначно перевищує номінальну вихідну напругу стабілізатора. Мінімальна різниця між вхідною та вихідною напругою, при якій стабілізатор ще може підтримувати номінальну вихідну напругу, залежить і від схеми підключення регулюючого транзистора [1]. Мікропотужні джерела зразкового напруження Найбільш проста схема ІОН виходить при використанні стабілітронів, вибір яких досить великий, але на практиці часто виникають труднощі через розкид напруги стабілізації стабілітронів одного типу і низької економічності при живленні мікропотужних пристроїв. Вважають, що стабилитрони непридатні до роботи при струмі менше 0,5...1 мА. Це справедливо у випадку, коли необхідно отримати гарантований результат, не витрачаючи час на перевірку та добірку відповідних стабілітронів. Однак більша їх частина може працювати і при меншому струмі, забезпечуючи прийнятні параметри струму навантаження, що не перевищує кілька десятків мікроампер. Щоб переконатися в цьому, достатньо накреслити залежність параметрів стабілітронів не в лінійному масштабі, як робиться в більшості довідників, а в логарифмічному. На рис. 1 - 3 представлені залежності напруги стабілізації (UCT) та диференціального опору (Rд) від струму стабілізації (lCT) у зазначеному масштабі.
У зв'язку з тим, що параметри стабілітронів характеризуються великим розкидом, залежності напруги стабілізації від струму для стабілітронів КС133А, КС147А, КС156А, КС168А є усередненими характеристиками (рис. 1). Для стабілітронів серії Д814, що мають особливо сильний розкид при струмі менше 200...300 мкА, графіки є заштриховані області (рис. 2), побудовані на основі узагальнення характеристик декількох (до п'яти) стабілітронів кожного типу. Невелика кількість випробуваних стабілітронів не дозволяє робити висновки, що претендують на велику точність, але деякі загальні тенденції все ж таки проглядаються. Випробування показали, що у стабілітронів Д808 - Д811, Д813, серій Д814 і Д818 зі зменшенням струму напруга стабілізації спочатку зменшується незначно, але при струмі менше 200 ... 300 мкА у деяких екземплярів стає непередбачувано низьким. У низьковольтних стабілітронів КС133А, КС147А, КС156А із зменшенням струму напруга стабілізації монотонно знижується без різких провалів. Графік для стабілітронів КС133А та КС147А (рис. 3) є майже прямою лінією, що показує назад пропорційну залежність диференціального опору від струму. Зменшення струму в 1000 разів, наприклад, з 32 до 32 мкА, призводить до збільшення Rд також в 1000 разів - з 10 Ом до 10 кОм. Стабілітрони з напругою стабілізації 5,6...7 У струмі більше 3 мА мають нижчий диференціальний опір. При зменшенні струму до певного рівня Rд таких стабілітронів різко зростає, а при подальшому його зменшенні воно ненабагато відрізняється від Rд більш низьковольтних стабілітронів. Стабілітрони Д814А - Д814Д також мають низький диференціальний опір при великому струмі, але при струмі менше 200 ... 300 мкА Rд деяких екземплярів стабілітронів може мати набагато більшу величину, ніж у низьковольтних. Експерименти з кількома екземплярами стабілітронів (КС510А, КС512А, КС515А, КС518А) показали, що більшість з них мають хороші стабілізаційні характеристики у всьому інтервалі зміни струму аж до 3...5 мкА, але вони розраховані на стабілізацію напруги більше 10 В. є підвищений рівень шуму при струмі менше 300 мкА. Не можна недооцінювати такий параметр ІОН як температурний коефіцієнт напруги, оскільки він може стати причиною таких неприємних явищ, як догляд частоти гетеродина або підвищена похибка вимірювального приладу при зміні навколишньої температури. ТКН стабілітронів з UCT=5...6,8 (КС156А, КС168А тощо) зі зменшенням струму до 100 мкА і нижче зсувається у бік негативних значень і може збільшитися до -2,5 мВ/°С [2 ]. Термокомпенсовані стабілітрони серій Д818, КС191 і т.п. при струмі менше 1 мА втрачають свої прецизійні властивості через підвищений негативний ТКН. Серед стабілітронів серії Д814 зустрічаються екземпляри, непридатні до роботи в режимі малого струму (менше 0,3...0,4 мА) через різке зменшення напруги стабілізації при зниженні температури. Більшість інших типів стабілітронів зі зменшенням струму ТКН змінюється менш помітно, але загальної тенденцією є зсув ТКН убік негативних значень. Аналіз характеристик стабілітронів при малому струмі дозволяє зробити такі висновки. Практично всі типи стабілітронів цілком застосовні як малого струму, але тільки після попереднього випробування. При цьому слід вибирати ті екземпляри, у яких із зменшенням струму живлення напруга стабілізації змінюється менше. Стабілітрони з UCT < 7 В (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А, КС168А) можна застосовувати в ІОН зі зменшеним струмом живлення до декількох десятків мікроампер. Коефіцієнт стабілізації стабілітронів КС133А, КС139А та КС147А майже не залежить від струму, але має низьке значення (6...10), а напруга стабілізації монотонно зменшується зі зменшенням струму і при значенні 50 мкА може бути в 1,5...2 рази менше, ніж за 5...10 мА. Ця обставина дозволяє регулювати напругу стабілізації у деяких межах зміною струму, але струм бажано стабілізувати збільшення КCT [3]. Коефіцієнт стабілізації стабілітронів КС156А та КС168А при зменшенні струму зменшується до 8...15, що також може вимагати застосування стабілізації струму. Напруга стабілізації при зменшенні струму до 50 мкА зменшується в 1,2...1,5 рази. Стабілітрони з UCT=7,5...14 (Д808, серій Д814 і Д818 тощо) застосовні в ІОН при струмі до 0,4...0,5 мА з незначним погіршенням параметрів; при значенні менше 0,4 мА характеристики можуть погіршитися, але більш як половина перевірених стабілітронів такого типу мали прийнятні параметри при зменшенні струму до 80...100 мкА. Хорошою альтернативою стабілітронам, особливо в режимі малого струму, є світлодіоди [4] видимого випромінювання (UCT=1,5...2 у прямому включенні) і переходи база-емітер [5-7] малопотужних кремнієвих транзисторів (UCT=4). ..10 В при зворотному включенні). Вони забезпечують більший КCT і можуть працювати, навіть якщо струм стабілізації менше 20 мкА, причому напруга стабілізації світлодіодів у режимі малого струму досить передбачувана. В ІОН можна застосовувати не тільки р-n переходи діодів і транзистори, а й польові транзистори, що використовуються як стабілізатор струму (рис. 4, а). Зразкова напруга знімається з резистора ланцюга витоку [8]. При струмі 10 мкА ця напруга дорівнює напрузі відсічення (UOTC) польового транзистора. Значення струму, що протікає через польовий транзистор, підбирають зміною опору резистора ланцюга витоку. Головний недолік польових транзисторів - великий розкид напруги відсічення приладів одного й того самого типу навіть усередині однієї партії (упаковки), що у більшості випадків унеможливлює застосування їх без попереднього виміру цього параметра і добірки відповідного транзистора.
Для вимірювання UOTC необхідно підключити до стоку транзистора мікроамперметр, а паралельно до резистора - вольтметр (рис. 4,б). Змінним резистором встановлюють струм стоку рівним 10 мкА і вимірюють падіння напруги на резисторі (або між затвором і витоком) за допомогою будь-якого високовольтного вольтметра. Цю напругу можна вважати напругою відсічки. Підбирати транзистори зручніше, якщо вставляти їх у який-небудь відповідний малогабаритний роз'єм, до якого підпаяні дроти від інших приладів. На рис. 5 показана залежність напруги на початку струму стоку для декількох польових транзисторів. З графіків видно, що з зміні струму від 1 до 150...200 мкА напруга початку більшості транзисторів змінюється лише на 20...25% від напруги відсічки. Ця обставина може бути корисною під час проведення приблизних розрахунків. Коефіцієнт стабілізації при струмі менше 1...2 мА знаходиться в межах 20...40, трохи збільшуючись із зменшенням струму. ТКН має максимальне позитивне значення при малому струмі та зменшується з його збільшенням, стаючи негативним при струмі понад 0,1-3,0 мА [9].
Дослідження показали, що найбільш придатні для використання як мікрострумові ІОН - транзистори з р-n переходом серій КП103, КП302 і КП303. Більшість їх ТКН як малого струму вбирається у +2,5 мВ/°З чи 0,25%/°С. Застосування транзистори з ізольованим затвором (досліджувалися тільки транзистори серій КП305 і КП313) також не виключено, але розкид ТКН у них більше. Так як стабілізатор струму на польовому транзисторі - двополюсник, послідовне включення додаткового резистора (рис. 6,а) дозволяє збільшити зразкову напругу. Замінивши резистор в ланцюзі витоку потенціометром і регулюючи напругу зворотного зв'язку на затворі, можна збільшувати напругу на витоку транзистора від UOTC в широких межах, але краще обмежитися значенням 2...3UOTC, а для отримання більшої зразкової напруги використовувати польові транзистори з більшими. Це дозволяє покращити ТКН. Недоліками ІОН за такою простою схемою є порівняно високий вихідний опір та підвищений позитивний ТКН. Поліпшити ці параметри, а заразом і підвищити Кст до 50...80 дозволяє комбінація стабілізатора струму зі стабілітронами, що мають негативний ТКН (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А, КС168А) (рис. 6,б). Мінімальна напруга живлення повинна бути вищою за зразкову на величину UOTC з деяким запасом, тому, якщо вхідна напруга не набагато перевищує напругу стабілізації, польові транзистори краще вибирати з невеликим UOTC. Змінним резистором у ланцюгу затвора, змінюючи струм стабілізації в деяких межах, можна регулювати зразкову напругу ІОН.
Світлодіоди та стабілітрони КС119А, КС133А, КС139А, КС147А для "економії" напруги живлення включають паралельно змінному резистору в ланцюзі витоку польового транзистора (рис. 6,в). Опір резистора може бути від кількох сотень кОм до кількох МОм. Напруга відсічення польового транзистора має бути трохи меншою за зразкову напругу ІОН, тому можна використовувати більш поширені польові транзистори з U0TC>1 В. Зразкову напругу можна регулювати в невеликих межах зміною струму стабілізації. Стабілітрон, підключений паралельно резистори, стабілізує напругу на витоку транзистора і погіршує зворотний зв'язок на затворі. Тому таке включення є ефективним лише для низьковольтних стабілітронів з незначним коефіцієнтом стабілізації. Поліпшити параметри ІОН на основі стабілізатора струму можна за допомогою додаткового транзистора біполярного (рис. 7,а). На відміну від аналогів стабілітронів з використанням тільки біполярних транзисторів [10 - 12], цей пристрій містить менше деталей, добре працює в режимі малого струму і має низький ТКН. Біполярний транзистор краще використовувати малопотужний кремнієвий з великим коефіцієнтом передачі струму серій КТ3102, КТ3107, КТ342 і т.п., так як робочий інтервал струму такого аналога стабілітрона прямо пропорційний коефіцієнту передачі струму (h21Е) транзистора VT2. Негативний ТКН переходу база-емітер біполярного транзистора частково компенсує позитивний ТКН польового транзистора, тому сумарний ТКН знаходиться в межах -0,02...+0,04%/°С в нижньому положенні двигуна змінного резистора (у разі використання польових транзисторів -n переходом).
На рис. 7,б показані вольт-амперні характеристики аналога стабілітрона при різних положеннях двигуна змінного резистора. Як видно, інтервал робочого струму обмежується. Мінімальний струм стабілізації визначається опором резистора в ланцюгу витоку (цей струм повинен бути достатнім для створення падіння напруги, рівного зразковому), а максимальний струм при вибраному опорі резистора R2 визначається коефіцієнтом передачі струму транзистора VT2 (максимальний струм бази, а отже, і колектора обмежений , тому зі збільшенням струму стабілізації зразкова напруга також починає збільшуватися). При збільшенні зразкової напруги в 2 рази (потенціометром у ланцюзі витоку) мінімальний та максимальний струми стабілізації також збільшуються приблизно в 2 рази. ТКН у своїй може зрости до +0,08%/°С. Спрощений розрахунок аналога стабілітрона проводиться в наступній послідовності: визначають мінімальний струм стабілізації, підбирають польовий транзистор з певною напругою відсічення, розраховують опір резистора в ланцюзі витоку, визначають максимальний струм стабілізації. Для розрахунку можна скористатися співвідношеннями: Iст min >51H; Uoбp min = U0TC + UБЕ або U0TC = U0бp min-0,6 В; Rі=2U0TC/lCT min (якщо Uoбp не регулюватиметься); Ri2(Uoбp max-0,6B)/lст min(якщо Uoбp регульоване); Iст max=lK max/2=(lБ-h21э)/2=(U0TC/Rи)h21э/2=U0TC·h21э/2Rи. де Iст min – мінімальний струм стабілізації; IH – максимальний струм навантаження; Iст max – максимальний струм стабілізації; lK max – максимальний струм колектора транзистора VT2; IБ – струм бази транзистора VT2; Rі - опір резистора (або резисторів) у ланцюзі витоку; Uoбp min - мінімальна зразкова напруга; UOTC - напруга відсічення транзистора VT1; Uбе - падіння напруги на переході база-емітер транзистора VT2; h21е – статичний коефіцієнт передачі струму транзистора VT2; 2 - емпіричний коефіцієнт, що враховує погіршення параметрів поблизу граничного струму стабілізації. Розширити інтервал робочого струму аналога стабілітрона можна додаванням ще одного транзистора (рис. 8). Цей транзистор, у разі потреби стабілізації великого струму, може бути потужним, встановленим на тепловідвід або безпосередньо на металевому корпусі (якщо транзистори VT2 і VT3 однакової структури).
Аналог стабілітрону (рис.8) за своїми параметрами перевершує більшість стабілітронів, особливо при стабілізації малого струму. Перевага – можливість регулювання зразкової напруги у великих межах. При розрахунку тритранзисторного аналога стабілітрона замість параметрів транзистора VT2 формули підставляють параметри складеного транзистора. Резистор R4 служить для усунення впливу зворотного струму колектора і може мати опір від кількох десятків кількох сотень кОм залежно від інтервалу зміни струму стабілізації. Недолік схеми - погана передбачуваність ТКН, яка до того ж змінюється під час регулювання зразкової напруги. При збільшенні напруги ТКН зсувається у бік позитивних значень. Наприклад, аналог стабілітрона, зібраний на комплементарних транзисторах (з урахуванням іншої структури): транзистор VT1 - КП103Е (UOTC = 1 В), транзистор VT2 - серії КТ3102 (h21е = 320), транзистор VT3 - серії КТ3107 (h21 =R190=2 МОм, мав коефіцієнт стабілізації щонайменше 3 при струмі 1 мкА до 40 мА. Зразкова напруга регулювалася в межах 3...5 В. При цьому температурний коефіцієнт напруги змінювався від -1,5% до +2,5%/°С. Такий самий аналог стабилитрона з транзистором VT1 КП302Б (UOTC=3,4 У) мав коефіцієнт стабілізації щонайменше 100 при струмі 10 мкА до 10 мА. Зразкова напруга регулювалася в межах 3,9...7 В. ТКН змінювався від -0,01% до +0,02%/°С. СХЕМОТЕХНІКА ЕКОНОМІЧНИХ СТАБІЛІЗАТОРІВ За основу при розробці економічних стабілізаторів взято простий стабілізатор із захистом від короткого замикання (рис. 9), що вже понад два десятки років користується популярністю у радіоаматорів [13].
Принцип його дії ґрунтується на порівнянні вихідної напруги з напругою на стабілітроні VD1. Зразковий рівень подається з урахуванням транзистора VT2, а вихідна напруга - на емітер. Сигнал неузгодженості посилюється транзистором VT2 і надходить на базу VT1. Елементи R1, R2, VD1, VT2 утворюють стабілізатор струму, тому максимальний вихідний струм стабілізатора обмежений. При зменшенні опору навантаження вихідний струм стабілізатора зростає рівня обмеження (Iогр), потім відбувається зменшення вихідної напруги. Коли на виході воно знизиться до значення UVD1 - UVD2 або UVD1 - 0,6 В, діод VD2, що відкрився, шунтує стабілітрон VD1. При короткому замиканні рівень сигналу з урахуванням транзистора VT2 дорівнюватиме падіння напруги на pn переході діода VD2 у прямому включенні. Це зменшує струм колектора транзистора VT2, і, отже, вихідний струм стабілізатора при короткому замиканні (lK3) буде менше струму обмеження. Вихідна напруга стабілізатора визначається співвідношенням Uвиx = UVD1 - UБЕ VT2 + UVD3, де UVD1 - напруга стабілізації стабілітрона; UБЕ VT2 - падіння напруги на переході база-емітер транзистора VT2; Uvd3 – падіння напруги на діоді VD3 у прямому включенні. Так як UBE VT2 = UVD3 = 0,6 В, то можна вважати, що вихідна напруга стабілізатора дорівнює напрузі стабілізації стабілітрона VD1. Коефіцієнт стабілізації (Кст) стабілізатора Кст = (ΔUвх/ΔUвих) · (Uвих/Uвх), де ΔUвх і ΔUвых - відповідно збільшення напруги на вході та виході стабілізатора; Фактично дорівнює Кст стабилитрона VD1. Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілізатора приблизно дорівнює ТКН стабілітрона VD1, так як ТКН р-n переходів кремнієвих транзисторів і діодів однаковий і має величину близько -2мВ/°С, а з виразу для вихідної напруги видно, що вони взаємно віднімаються. Вихідний опір стабілізатора Rвих = ΔUвих/ΔIН де ΔIN - збільшення струму навантаження; в основному залежить від коефіцієнта посилення транзистора VT1 та обраного значення обмеження вихідного струму (lorp). Струм обмеження стабілізатора встановлюють добіркою резистора R2, опір якого визначає співвідношення R2 = (UVD1-UBE VT2)/IЕ VT2, де UБЭVT2 = 0,6; IЕ VT2 - струм емітера транзистора VT2, який приблизно дорівнює струму бази транзистора VT1 (IБ VT1). Струм бази транзистора VT1 пов'язані з вихідним струмом стабілізатора виразом IБVT1 = Iвыx/h21Э VT1. тому можна записати R2 = (UVD1-0,6 В) h21Е VT1/lоrp. Для забезпечення мінімального падіння напруги вибирають струм Iоrp не менше (2...3)Ін. Основні характеристики стабілізатора, випробуваного з різними стабілітронами, наведено у табл. 1.
Для всіх варіантів: транзистор VT1 – серії КТ3107 (h21Е = 230); транзистор VT2 – серії КТ3102 (h21Е = 200); діоди VD2, VD3 – КД103А; струм споживання стабілізатора (без навантаження) дорівнює 8... 10 мА при Uвх = 2Uвиx; Rвих = 2,0 Ом при Iн = 20 мА; Iоrp = 60...70 мА; Iкз = 20 мА; Кст визначався при Uвх = 2Uвих. Мінімальне падіння напруги ΔUmin = Uвих - Uвих визначають наступним чином (рис. 10): вимірюють Uвих стабілізатора при Uвх = 2Uвих та номінальному струмі навантаження (в даному випадку 20 мА), потім Uвх зменшують до Uвих і вимірюють нове значення Uвих. Різниця між цими Напругами - найважливіший параметр економічного стабілізатора, призначеного для роботи від батарей. За більш строгому підході цей параметр не можна називати мінімальним падінням напруги; таке визначення досить умовне. Мінімальне падіння напруги на стабілізаторі залежить від допустимого зменшення вихідної напруги, яке може бути різним, залежно від характеру навантаження, але запропонований спосіб вимірювання Umin більш зручний і універсальний, так як дозволяє порівнювати параметри різних стабілізаторів без урахування вимог конкретного навантаження.
Необхідно відзначити, що цей параметр залежить від струму навантаження, а також від рівня обмеження вихідного струму і якості стабілітрона. При використанні стабілітронів з великим падінням напруги в області малого струму (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А) навіть при струмі навантаження менше 20 мА не вдається отримати Umin менше 0,6 В. З табл. 1 видно, що характеристики стабілізатора досить посередні, особливо при стабілізації низької напруги, практично повністю залежать від параметрів джерела зразкового напруги (ІОН), виконаного у вигляді простого параметричного стабілізатора (R1VD1). Зразкова напруга обрана занадто великою, вона дорівнює вихідному напрузі стабілізатора, тому при зменшенні Uвх до Uвих струм через стабілітрон різко падає, що призводить до зменшення напруги на стабілітроні і відповідно на виході. Струм стабілітрона, вибраний за звичайними методиками, невиправдано великий як у порівнянні зі струмом бази транзистора VT2, так і зі струмом навантаження, тому ККД стабілізатора досить низький. Для поліпшення характеристик стабілізатора необхідно в першу чергу поліпшити параметри ІОН, зменшивши зразкову напругу та струм, що споживається, крім того, для поліпшення Кст необхідно стабілізувати струм живлення стабілітрона. Зменшити зразкову напругу на стабілітроні VD1 можна, збільшивши падіння напруги на діоді VD3: замість кремнієвого діода необхідно використовувати світлодіоди, наприклад, серії АЛ102 з падінням напруги в прямому включенні близько 1,7 В. Тут Uвых стабілізатора більше зразкового приблизно на 1,1 В. Застосування низьковольтних стабілітронів або стабісторів небажане, оскільки це погіршує параметри стабілізатора. Для стабілізації струму, що протікає через стабілітрон VD1, замість резистора R1 можна використовувати транзистор польовий (див. рис. 6,б). Так як при Uвх = Uвих падіння напруги на стабілізаторі струму дорівнює 1,1 В, то для отримання малого значення ΔUmin, польовий транзистор повинен мати Uотс < 0,В5 В. Ця вимога ускладнює добірку транзистора, так як більшість відповідних типів польових транзисторів мають Uотс > 1 (у мережевих блоках живлення така проблема практично відсутня). Якщо послідовно зі світлодіодом серії АЛ102 включити якийсь малопотужний кремнієвий діод, то з невеликим погіршенням параметрів можна використовувати польові транзистори з Uотс до 1,2 В. У цьому випадку ТКН стабілізатора зсувається у бік негативних значень приблизно на 2 мВ/°С, а формула для вихідної напруги набуває наступного вигляду: Uвих = UVD1 + 1,7B. Для надійного запуску стабілізатора, при зменшеному струмі живлення стабілітрону VD1, необхідно послідовно з діодом VD2 включити ще один діод. Це пов'язано з тим, що при струмі менше 1 мА падіння напруги на діоді VD2 (у момент включення або після усунення короткого замикання) може виявитися меншим за напругу база-емітер транзистора VT2, необхідного для його відкривання та запуску стабілізатора (особливо при низькій температурі). Якщо струм короткого замикання виявиться занадто великим, один із цих діодів можна замінити на германієвий (серії Д9, ДЗ10 і т.п.). Покращений варіант стабілізатора зі стабілізатором струму на польовому транзисторі КП303Б (Uотс=0,B4) був випробуваний зі стабілітронами різних типів при двох значеннях струму lVD1. Отримано такі результати: Kст = 50...100; ΔUmin не більше 0,14 В при ІН = 20 мА та не більше 0,20 В при lН = 30 мА; Rвих = 2,0 Ом; Iпотр (без навантаження) трохи більше 0,7 мА; Iкз при Uвх = 2Uвых трохи більше 50 мА (діоди VD2 і VD3 - КД103А і Iогр = 65...100мА). Вихідна напруга при різних значеннях струму через стабілітрон та опір резисторів (R1 - резистор у ланцюзі витоку польового транзистора) представлені в табл. 2.
З низьковольтними стабілізаторами КС119А, КС133А, КС139А, КС147А, а також зі світлодіодами слід використовувати стабілізатор струму (див. рис. 6,в). Тут можна застосувати більш поширені польові транзистори з Uотс > 1 (Uотс має бути трохи менше напруги стабілізації стабілітрона VD1 при мінімальному струмі). Параметри стабілізатора із застосуванням вищевказаних стабілітронів приблизно такі самі, як і у попереднього, але ТКН зрушується до Сторони позитивних значень на 2...3 мВ/°С. Використання стабілітронів на більшу напругу недоцільне через погіршення Кст та ΔUmin. Як компроміс допускається використовувати комбінований варіант (рис. 11). Для поліпшення зворотного зв'язку в ланцюг початку транзистора VT1 включений резистор R1 з таким опором, щоб при вибраному струмі стабілітрона VD1 на резисторі створювалося падіння напруги 0,5 В. Транзистор VT1 вибирають з умови Uотс < UстVD1 +0,3 В. Недолік схем звуження інтервалу підстроювання вихідної напруги при незмінному опорі резистора R1, оскільки необхідно, щоб падіння напруги на ньому при зміні струму стабілізації знаходилося в межах 0,3...0,9 Ст.
Параметри різних варіантів стабілізатора, розрахованого струм обмеження 60...90 мА при струмі навантаження 20 мА, наведені в табл. 3. Споживаний струм (без навантаження) – не більше 0,7 мА. Струм короткого замикання при Uвх = 2Uвых - трохи більше 50 мА. Опір резистора R1 дорівнює 24, 12 і 3,3 кОм для струму живлення стабілітрона VD1, що дорівнює 20, 40 і 150 мкА відповідно. Більший інтервал регулювання вихідної напруги забезпечують стабілізатори, зібрані з використанням аналога стабілітрона на двох (див. рис. 7) та трьох транзисторах. Мінімальна вихідна напруга цих стабілізаторів дорівнює Uотс + 1,6 В. Максимальне значення (2...3) Uотс + 1,6 обмежується погіршенням ТКН.
Струм стабілізації (Iст) аналога стабілітрону залежить від опору резистора R1 (див. рис. 7, В) і вхідної напруги. Стабілізатори випробувані струм навантаження 20 мА з польовими транзисторами різних типів при різних значеннях напруги на виході, що встановлюються за допомогою змінного резистора опором 1,0 МОм в ланцюга витоку. Отримано такі результати (при Uвх = 2Uвых, R1 = 120 кОм, Iст = 35...70 мкА): Iпотр (без навантаження) не більше 0,6 мА; Rвих = 2,0 Ом; Iогр = 60 ... 90 мА. Досі були розглянуті варіанти стабілізатора (див. рис. 9), що стосуються лише поліпшення ІОН R1VD1, але слід зазначити, що навіть застосування "ідеального" стабілітрона не дозволяє досягти Кст більше 200...300 без поліпшення другого ІОН - R2VD3. Найбільш простий спосіб поліпшення - використання додаткового каскаду посилення на транзисторі VT3 (рис. 12), що дозволяє отримати Кст в межах 200 ... 500 додаванням лише двох деталей - резистора і транзистора. Опір резистора R3 визначають із співвідношення: R3 = 0,6/lVD4, де lVD4-вибраний струм стабілітрона VD4, який повинен бути як мінімум у 5...10 разів більший за максимальний струм бази транзистора VT3(IБ VT3). Максимальний струм бази визначають: IБ VT3 = Iк vтз/h21Е = UVD1/R2·h21Е, де IKVT3 - максимальний струм колектора транзистора VT3; UVD1 – напруга на стабілітроні VD1.
У джерелі зразкової напруги R1VD1 можна застосовувати будь-які стабілітрони та стабістори з UCT від 1,5 В до, приблизно, Uвих - 0,7 В (краще, якщо Uст - Uвих/2). У малопотужних стабілізаторах низьковольтних найбільший коефіцієнт стабілізації виходить при використанні світлодіодів видимого випромінювання (VD1). Температурний коефіцієнт напруги стабілізатора в основному визначається сумою алгебри (з урахуванням знака) ТКН транзистора VT3 і стабілітрона VD4. ТКН переходу база - емітер транзистора має негативне значення (близько - 2,0 мВ/°С), тому при використанні стабілітронів з позитивним ТКН (серії Д814, КС510А і т.п.) ТКН стабілізатора виходить менше, ніж стабілітрон. Використання більш низьковольтних стабілітронів з негативним ТКН для побудови малопотужного економічного стабілізатора небажано через підвищений сумарний негативний ТКН стабілізатора, що доходить в деяких випадках до -6,0 мВ/°С. Слід пам'ятати, що більшість стабілітронів, що мають ТКН близько 0 при струмі більше 3,0 мА (КС156А, КС162А, КС170А, серії Д818 і т.п.) і менше 0,1 мА мають підвищений негативний ТКН. Застосування аналога стабілітрона на двох транзисторах з розімкнутим зворотним зв'язком (вона замикається в цьому випадку через усі каскади стабілізатора) дозволяє поліпшити практично всі параметри стабілізатора, навіть у разі застосування стабілітрона VD1 з низьким Кст (рис. 13). Вихідну напругу стабілізатора можна регулювати резистором R3 у межах від Uoтc vт4 + 0,6 до 2...3 Uoтc vт4 . Основні параметри різних варіантів стабілізатора (рис.13) при різних положеннях движка змінного резистора R3 (різних значеннях вихідної напруги), в якому застосований транзистор VT4 - КП302А (Uoтc = 1,96) і світлодіод АЛ102А (VD1), наведені в табл. 6. Замість транзистора серії КТ3107 (VT1) у потужному варіанті стабілізатора (струм навантаження 200 мА) використаний транзистор КТ837В (h21Е = 120). Струм стабілітрона VD1 (IVD1) виміряний при UBX = 2Uвих.
Застосування транзисторного аналога стабілітрона замість діода VD3 (див. рис. 9) не виключає одночасного застосування описаних вище рекомендацій щодо покращення ІОН R1VD1. Якщо застосувати для живлення ІОН стабілізатор струму, можна отримати Кст близько 1000 навіть зі стабілітроном КС1ЗЗА. При цьому немає необхідності регулювання струму стабілізації і зміні напруги на стабілітроні VD1, так як це мало впливає на вихідну напругу стабілізатора. Для запобігання самозбудження в стабілізаторах подібного типу буває достатньо включити на виході оксидного стабілізатора, ємністю кілька десятків мікрофарад, і керамічний, близько 0,1 мкФ, конденсатори. Якщо цього недостатньо, між висновками бази та колектора транзистора VT3 (рис. 13) підключають конденсатор ємністю від кількох сот пікофарад до декількох десятків нанофарад (мінімально необхідна ємність залежить від потужності стабілізатора). СTв стабілізаторах з живленням від батарей навряд чи доцільно без значного поліпшення ТКН, оскільки коливання вихідної напруги, пов'язані зі зміною навколишньої температури, будуть набагато більше, ніж пов'язані зі зміною напруги живлення. У мережевих блоках живлення допустимо застосувати схеми з великим КСТ, якщо це продиктовано необхідністю отримання мінімальних пульсацій стабілізованої напруги. Збільшити коефіцієнт стабілізації до 1500...3000 можна, використовуючи аналог стабілітрону на трьох транзисторах (рис. 14).
Деякі параметри такого стабілізатора, випробуваного зі струмом навантаження 20 мА при струмі обмеження 70...90 мА, наведено у табл. 7.
Струм споживання - трохи більше 0,6 мА, Rвых. - близько 0,1 Ом, Umin - не більше 0,14 В. ТКН стабілізатора (рис. 14) практично повністю залежить від ТКН аналога стабілітрону і може досягати -1,5 мВ/°С. Використання польового транзистора з меншою напругою відсічення трохи покращить ТКН. При збільшенні зразкової напруги щодо UOTC (потенціометром у ланцюзі витоку) ТКН аналога стабілітрона зсувається у бік позитивних значень. Такий результат може бути отриманий при зменшенні струму через польовий транзистор VT5 збільшенням сумарного опору резисторів R4 і R5. Стабілізація струму (див. рис. 6, б або 6, в) стабілітрону VD1 дозволяє отримати коефіцієнт стабілізації більше 5000. За відсутності транзисторів з великим коефіцієнтом передачі струму, особливо в потужних стабілізаторах, використовують складовий регулюючий транзистор. На рис. 15 представлений один із таких варіантів. Стабілізатор із складовим регулюючим транзистором має одну особливість. За відсутності струму навантаження споживаний ним струм незначний; при струмі навантаження, близькому до максимального, він майже не відрізняється від струму споживання попередніх модифікацій стабілізаторів.
Наприклад, варіант потужного стабілізатора з регулюючим транзистором КТ837В (h21Е = 120): Кст = = 300 ... 500 Rвих. = 0,1 Ом, Uвих. = 6,4, Iогр = 1,9 А; при вхідній напрузі 12 на холостому ходу він споживає струм не більше 300 мкА. При струмі навантаження 1,0 А струм споживання зростає до 30 мА. Варіант малопотужного стабілізатора зі струмом обмеження 80 мА (Кст = 500...700, Rвих = 1 Ом), на холостому ході споживає трохи більше 60 мкА. При струмі навантаження 25 мА струм споживання збільшується до 400 мкА. У табл. 6 наведено деякі інші параметри двох варіантів стабілізаторів.
Цим не обмежуються всі варіанти модернізації взятого за основу стабілізатора (див. рис. 9) з метою підвищення економічності та покращення інших параметрів. Зокрема, в деяких випадках для зменшення ΔUmin корисно замість одного регулюючого транзистора застосувати паралельне включення кількох транзисторів з токовирівнювальними резисторами в ланцюгах бази. Використовуючи мікрострумові ІОН, можна з успіхом модернізувати й інші види стабілізаторів. Наведені у статті таблиці характеристик стабілізаторів не є зразками оптимального розрахунку та гарантіями повного збігу результатів при повторенні через сильне розкидання параметрів стабілітронів та польових транзисторів. Ці таблиці корисні для аналізу загальних тенденцій розробки стабілізаторів і можуть бути основою під час їх выборе. Різні варіанти стабілізаторів розраховані на струм навантаження 20 мА для зручності порівняння основних параметрів. З цієї причини більшість параметрів виміряні при UBX = 2U вих. Якщо потрібно, стабілізатори можна перерахувати і інший струм навантаження. Наприклад, у табл. 6 і 8 наведено параметри для побудови стабілізаторів на струм навантаження 2,5, 200 мА і 0,5 А. Так як принципові схеми, наведені в статті, досить універсальні, на них, а також у таблицях можуть бути відсутні конкретні відомості щодо будь-яких елементів. У цьому випадку їх обирають або розраховують самостійно, керуючись загальними правилами та рекомендаціями, які містяться у статті.
Для покращення роботи стабілізаторів в умовах підвищеної температури або при використанні транзисторів з підвищеним зворотним струмом колектора рекомендуємо між емітером та базою регулюючого транзистора включити резистор опором від кількох одиниць до кількох десятків кілом залежно від потужності стабілізатора. Незважаючи на те, що в статті описані стабілізатори, які претендують на звання економічних, конкретне значення ККД ніде не наведено, так як цей параметр залежить від конкретного співвідношення вхідної та вихідної напруги та змінюється в широких межах, збільшуючись у міру зменшення напруги на батарейних батареях елементів. література
Автор: В.Андрєєв, м.Тольятті
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Наймання роботів замість людей ▪ Зовнішній відеоадаптер Aorus RTX 3080 Gaming Box від Gigabyte ▪ 40-кіловата бездротова зарядка електромобілів ▪ Представлений інтерфейс USB 3.1
▪ Розділ сайту Основи першої медичної допомоги (ОПМП). Добірка статей ▪ стаття Нас ранок зустрічає прохолодою. Крилатий вислів ▪ стаття Звідки з'явилися зірки? Детальна відповідь ▪ стаття Капуста савойська. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Електронний дзвінок. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Арабська намет. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page