книги / Транзисторные стабилизаторы напряжения

гулирующего транзистора, а следовательно, и значение £/н будут определяться током нагрузки, т. е. произойдет полная дестабилиза­ ция схемы.

Для исключения такой ситуации необходимо до минимума умень­ шить долю базового тока регулирующего транзистора в общем токе, протекающем через резистор R4. Наиболее целесообразна это осу-

.ществить за счет использования составного транзистора в качестве регулирующего элемента. Составной транзистор позволит уменьшить ток / Бь в результате чего можно увеличить сопротивление рези­

стора R4, а следовательно, увеличить коэффициент стабилизации /Сет. Пример стабилизатора с составным транзистором в качестве ре­ гулирующего элемента приведен на рис. 30. Стабилизатор обеспе­

пряжение пульсаций на выходе 220 мВ. Но указанные меры, одна­ ко, не позволяют все же получить высокий коэффициент стабили­ зации в схеме на рис. 30, поскольку между базой регулирующего транзистора (через резистор R4) и входом стабилизатора существует прямая дестабилизирующая связь. Колебания входного напряжения 1/в* вызывают изменение напряжения и тока базы регулирующего транзистора Тi (рис. 29) и изменение тока, протекающего через него. Следовательно, изменениям потенциала и тока базы регули­ рующего транзистора, обусловленным цепью обратной связи, проти­ водействуют колебания входное напряжения £/Вх. Этим объясняет­ ся и высокое значение пульсаций напряжения на нагрузке. Для улучшения качественных показателей стабилизаторов последователь­ ного типа используется ряд методов, которые рассматриваются далее.

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА

Характеристики стабилизатора, приведенного на" рис. 30, сущест­ венно улучшатся, если базовую цепь регулирующего транзистора питать от стабилизированного источника вспомогательного напряже­ ния Uвс с малыми пульсациями переменного тока. Если это напря­ жение взять достаточно большим, то можно существенно увеличить сопротивление нагрузки усилительного каскада. Повышение этого напряжения позволит повысить крутизну характеристики коллектор­ ного тока транзистора УПТ, - что позволит существенно увеличить коэффициент усиления цепи обратной связи стабилизатора и его коэффициент стабилизации.

Стабилизатор со вспомогательным источником напряжения при­

веден на рис. 29 (пунктиром показано R \ > R 4, £/вс> [ / Вх). Недо­ статок схемы — необходимость в дополнительном качественном

источнике £/вс.

На рис. 31 приведен стабилизатор со сглаживающим фильтром в базовой цепи регулирующего транзистора. В эюм стабилизаторе решетор RA заменен двумя R'4, R"4 и добавлен конденсатор С2. Так как ток, протекающий через этот фильтр, весьма мал, то даже при емкости конденсатора С2 в несколько десятков микрофарад пульса­ ции напряжения на базе регулирующего транзистора, а следователь­ но, и на выходе стабилизатора существенно уменьшаются. Следует иметь в виду, что сумма сопротивлений резисторов R \ и R"4 долж­ на быть равна сопротивлению резистора R$ в схеме на рис. 3Q.

53

В стабилизаторе, схема которого показана на рис. 32, питание цепей базы регулирующего транзистора и коллектора транзистора УПТ осуществляется через токостабилизирующий двухполюсник. В качестве такого двухполюсника используется п-р-п транзистор, напряжение на базе которого стабилизировано с помощью стабили­ трона Д 2, включенного как диод.

Рис. 31. Введение дополнительной #С-цепочки для уменьшения пуль­ саций выходного напряжения.

7j ГТЧОЗБ

Рис. 32. Использование токостабилизирующего двухполюсника для улучшения параметров стабилизатора напряжения.

Принцип работы токостабилизирующего двухполюсника (стаби­ лизатора тока) аналогичен принципу работы стабилизатора напря­ жения. Напряжение на стабилитроне Д 2 сравнивается с падением

коллекторный ток меняется таким образом, что всегда устраняется

53

ного тока / кг определяется положением рабочей точки на коллек­ торных характеристиках транзистора Т% которое можно изменять соответствующим выбором сопротивления резистора Д4 или стаби­ литрона Д2. Поскольку токостабилизирующий двухполюсник имеет высокое внутреннее сопротивление, введение его в схему стабилиза­ тора эквивалентно увеличению сопротивления нагрузки усилитель­ ного каскада по переменному току. Это позволяет улучшить все па­ раметры стабилизатора.

Rs 680

Рис. 33. Использование вспомогательного стабилизированного напряжения для питания усилителя в цепи обратной связи.

Базовые цепи регулирующего транзистора и транзистора усили­ теля обратной связи в стабилизаторе, схема которого дана на рис. 33, питаются от источника вспомогательного напряжения, обра­ зованного резистором Д5 и стабилитроном Д2.

Стабилизатор на рис. 33 напоминает стабилизатор с дополни­ тельным источником по рис. 29 и составным транзистором в РЭ по рис. 30, но позволяет обойтись одним источником. Для снижения мощности, выделяющейся на регулирующем транзисторе, в его кол­ лекторную цепь включен резистор R, сопротивление которого опре­ деляется по формуле Д=^10/ / н, где / н — ток нагрузки в амперах.

На рис. 34 приведен стабилизатор, характеристики которого улучшены по сравнению с характеристиками стабилизатора, схема которого приведена на рис. 30, за счет применения в качестве Г2 транзистора п-р-п типа взамен транзистора р-п-р типа и изменения места включения опорного стабилитрона. В этом случае колебания входного напряжения поступают на эмиттерные переходы транзи­ сторов только через достаточно большие сопротивления коллектор­ ных переходов, .и, таким образом, влияние изменения напряжения источника питания на стабилизатор существенно уменьшается.

В стабилизаторе, приведенном на рис. 35, применены регулирую­ щий транзистор и транзистор УПТ разных типов проводимости. Осо­ бенностью стабилизатора является то, что регулирующий транзистор подключен к положительному полюсу стабилизируемого напряжения.

54

Так как коллекторный ток транзистора и базовый ток регулирую­ щего транзистора Т2 имеют одно направление, отпадает необходи­ мость в специальном нагрузочном резисторе и источнике вспомога­ тельного напряжения, а также значительно упрощается согласование режимов транзисторов Т{ и Т2. При выполнении стабилизатора по этой схеме можно обойтись без применения в регулирующем эле­ менте составного транзистора до токов нагрузки ?00—500 мА.

нии £/н= 15 В. Во время испытаний стабилизаторы питались от вы­ прямителя, собранного по мостовой схеме без сглаживающего филь­ тра. Параметры, полученные в результате испытаний, приведены в табл. 6. Для расширения температурного диапазона работы этих стабилизаторов можно заменить германиевые транзисторы кремние­ выми, транзисторы типа ГТ403Б — транзисторами КТ801Б, ГТ115А —

напряжения и полярность включения стабилитронов. И в том, и

4 Вт. В этом случае допускается ток нагрузки 400—600 мА (при f/H= 15B).

Необходимо иметь в виду, что стабилизаторы на рис. 34 и 35 при подсоединенной нагрузке и при подаче напряжения питания могут не запуститься. В таком случае запуск стабилизаторов нужно осуществлять при уменьшении или полном отключении нагрузки. Если это нежелательно, в стабилизаторе нужно предусмотреть спе­ циальную пусковую цепь. Пример такой цепи показан пунктиром на рис. 34 для режима «ручного» запуска и на рис. 35 для автомати­ ческого запуска.-

В заключение следует отметить, что коэффициент стабилизации всех приведенных схем можно повысить увеличением доли выход-, ного напряжения, действующей на усилитель обратной связи стаби-

55

лизатора. С этой целью необходимо увеличивать коэффициент

= /?2/$i-W?2, что возможно путем выбора опорного напряжения,

^д1+ ^д2~^н - Такая замена позволяет увеличить коэффициент ста­ билизации такого стабилизатора (см. рис. 30) от 20 до 50 (для ука­ занного режима).

Таким образом, наиболее эффективными и практически равно­ ценными следует считать стабилизаторы последовательного типа, приведенные на рис. 32—35. Однако следует иметь в виду, что ста­ билизатор на рис. 33 не экономичен и требует большого входного напряжения по сравнению со стабилизаторами на рис. 32, 34, 35. Последние два, кроме того, должны иметь специальные цепи за­ пуска.

Стабилизаторы на рис. 30 и 31 могут быть рекомендованы лишь в случаях невысоких требований к коэффициенту стабилизации и выходному сопротивлению стабилизатора. Применение таких стаби­ лизаторов в этом случае оправдано их простотой.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

На рис. 36 приведен стабилизатор с прямой компенсирующей связью. На базу транзистора Ти кроме части выходного напряжения, подается также часть входного нестабилизированного напряжения Uвх. Рассмотрим действие прямой компенсирующей связи. Пусть, например, входное напряжение увеличилось. Тогда увеличится ток базы транзистора Т\ за счет увеличения его составляющей, протека­ ющей по резистору R5. Это вызовет увеличение коллекторного тока I кь а следовательно, уменьшение токов базы и коллектора регули­ рующего транзистора Гг. что приведет к некоторому уменьшению выходного напряжения стабилизатора. Очевидно, что, меняя сопро­ тивление резистора R5, можно получить как полную компенсацию, так и перекомпенсацию изменений UBx- При перекомпенсации увели­ чение входного напряжения приводит к уменьшению выходного на­

пряжения.

Рассмотренный метод компенсации позволяет улучшить Кет стабилизатора, но выходное сопротивление стабилизатора не умень­ шает. Для снижения выходного сопротивления в стабилизатор вво­

56

дится дополнительная цепь положительной обратной связи по току (рис. 37). В этом случае к переходу эмиттер — база транзистора Т\ прикладывается напряжение, зависящее от тока нагрузки и сопро­

При возрастании тока нагрузки в обычных стабилизаторах уменьшается напряжение UB и, следовательно, nUB. В схеме, приве­ денной на рис. 37, это уменьшение компенсируется за счет слагае­ мого IsRs- Изменяя сопротивление резистора обратной связи, можно получить желаемое значение RBых стабилизатора.

Наибольший эффект в стабилизаторах с комбинированным регу­ лированием можно получить при одновременном использовании пря­ мой компенсирующей связи и положительной обратной связи по току (рис. 38). Для реализации положительной обратной связи по току в стабилизатор введены транзистор Т\ и резисторы Ri, R2. Напря­ жение на R 1 пропорционально / н и приложено между базой и эмит­ тером транзистора Т\. Таким образом, оно определяет коллекторный ток этого транзистора. Резистор /?2 включен для создания отрица­ тельной обратной связи по току в каскаде на транзисторе Т\. Изменяя сопротивление резистора R2, можно добиться требуемойзависимости UB от / н, которая определит необходимое выходное со­ противление стабилизатора. Транзистор Т3 включен, как в обычных стабилизаторах. Ток коллектора / кз определяется напряжением, при­ ложенным между базой и эмиттером этого транзистора.

Ток базы регулирующего транзистора Т2 равен разности кол­ лекторных токов транзисторов Т\ и Г3. При увеличении тока на­ грузки, которое обычно сопровождается уменьшением выходного на­ пряжения, ток / Ki возрастает, а ток /кз уменьшается. В результате ток / Б2 также возрастает, коллекторный ток транзистора Т2 уве­

личивается и напряжение на выходе стабилизатора восстанавливает­ ся до первоначального значения (с некоторой погрешностью).

Выходное сопротивление стабилизатора может быть любым, да­ же отрицательным (при котором с ростом /„ напряжение Uu увели­ чивается). Требуемое выходное сопротивление можно получить, под­ бирая сопротивления резисторов Ri и R%.

57

С целью увеличения коэффициента стабилизации на базу тран­ зистора Г3, помимо выходного напряжения, подается синфазно (т. е. одного знака) с ним со входа стабилизатора через резистор R7 часть нестабилизированного входного напряжения. Эта часть напряжения не зависит от действия цепи обратной связи и определяется лишь сопротивлением резистора R7, которое составляет несколько десятков (иногда сотен) килоом. В зависимости от его величины можно по­ лучить как полную компенсацию, так и перекомпенсацию изменений входного напряжения.

Для запуска стабилизатора предусмотрена цепочка, составлен­ ная резистором Rs и кнопкой К с нормально открытым контактом.

Стабилизатор, схема которого приведена на рис. 38, имеет сле­ дующие характеристики: выходное напряжение UB с пределами ре-

Рис. 38. Стабилизатор напряжения с комбинированным управ­ лением.

гулировки' 12,5—17,0 В при напряжении на входе стабилизатора UBx= 25 В±15%; коэффициент стабилизации /Сст не менее 300; ток нагрузки до / н = 300 мА. При увеличении температуры окружающей среды от 25 до 65°С выходное напряжение практически не меняется.

3 мм; высота ребер 25 мм. В том случае, если будет применен ра­ диатор другой конструкции, он должен быть рассчитан на рассеива­ ние мощности 5 Вт, выделяемой на коллекторе транзистора Т2.

Налаживание стабилизатора сводится к подбору резисторов R\ и R2 с целью получения требуемого выходного сопротивления. Со­ противление резистора Ri выбирается с учетом обеспечения необхо­ димого тока базы регулирующего транзистора, т. е. определяется максимальным током нагрузки. Сопротивление резистора R2 опреде­ ляет степень зависимости выходного напряжения от тока нагрузки. С его уменьшением выходное сопротивление стабилизатора падает. После этого подбирают резистор R7, добиваясь максимального ко­ эффициента стабилизации,

58

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА

Здесь приводятся три схемы стабилизаторов различного назна­ чения. Первый предназначен для питания низковольтных нагрузок (1—1,5 В), потребляющих большие токи. Второй обеспечивает пита­ ние достаточно мощных потребителей напряжением 24—30 В. Третий стабилизатор предназначен для питания высоковольтных устройств, например, для стабилизации анодного напряжения ламп телевизора.

На рис. 39 приведен стабилизатор с выходным напряжением 1,2 В. Номинальный ток нагрузки до 3 А. Пульсации переменного напряжения на нагрузке не более 20 мВ, допустимые колебания сетевого напряжения ±10%.

Рис. 39. Стабилизатор напряжения с выходным напряжением 1,2 В.

В качестве регулирующего элемента в стабилизаторе использует­ ся составной транзистор Т\—Г3. Усилитель постоянного тока вы­ полнен на транзисторе Г4 с питанием его коллекторной цепи от источника вспомогательного напряжения, в качестве которого исполь­ зуется однополупериодный выпрямитель на диоде Д\. Для полу­ чения опорного напряжения используется кремниевый стабилитрон Д 7, питающийся от вспомогательного выпрямителя, выполненного на обмотке IV трансформатора, диоде Д6 и сглаживающем фильтре R u С4, С5. Для повышения коэффициента стабилизации и снижения пульсаций выходного напряжения на базу транзистора Г4 подается входное нестабилизированное напряжение через резистор Re и кон­ денсатор С6. Конденсатор С7 предназначен для подавления генера­ ции схемы на высоких частотах.

Питается стабилизатор от двухполупериодного выпрямителя, со­ бранного по мостовой схеме на диодах Д2—Дь, через сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя Др\ и конденсаторов С2, С3. Дрос­ сель собран на пластинах Ш20Х32 с зазором 1 мм, обмотка содер­ жит 600 витков провода ПЭВ-1 диаметром 1,8 мм. Трансформатор Тр выполнен на магнитопроводе Ш20Х30 мм, сетевая обмотка (на 220 В) содержит 1440 витков провода ПЭЛ 0,18, обмотки II и IV

59

Соответственно 60 и 200 витков провода ПЭЛ 0,18 и обмотка III - 44 витка провода ПЭВ-1 диаметром 1,8 мм.

На рис. 40 приведен стабилизатор напряжения, обеспечивающий итание нагрузки током до 2 А с возможностью регулировки вы­ ходного напряжения в диапазоне 24-30 В. При изменении напоя-

используется транзистор Г4, эмиттер которого подключен к источ­ нику опорного напряжения на стабилитронах Д6, Д7 и резисторе

Рис. 40. Стабилизатор напряжения для питания мощного усилителя низкой частоты.

Rs- На базу транзистора Г4 подается часть выходного напряжения стабилизатора с помощью делителя Re—Rs. Для повышения коэф­ фициента стабилизации нагрузкой Г4 служит токостабилизирующий

используется конденсатор С\. Трансформатор Трх собран на магнитопроводе Ш32Х35 'мм, обмотка / содержит 950 витков провода ПЭВ-1 0,53, обмотка I I — 154 витка провода ПЭВ-1 1,19. Транзистор Т\ должен быть установлен на радиаторе, обеспечивающем рассеи­ вание мощности порядка 20 Вт.

На рис. 41 приведен стабилизатор, который может быть исполь­ зован для стабилизации анодного напряжения ламп телевизора. Ста­ билизатор обеспечивает ток нагрузки до 300 мА при коэффициенте стабилизации не менее 1500 и выходном сопротивлении не более 0,2 Ом. При установке стабилизатора из выпрямителя телевизора следует изъять дроссель фильтра.

Регулирующий каскад стабилизатора выполнен на транзисторах Ти Т2 разных типов проводимости. Такой регулирующий элемент обеспечивает эффективное регулирование даже при падении напря­ жения на транзисторах, близком к напряжению их насыщения. Уси­ литель в цепи обратной связи выполнен па транзисторе Г/,, потен-

60