книги / Транзисторные стабилизаторы напряжения

Циал эмиттера которого стабилизирован цепочкой из стабилитрбна Дз и резистора R$. Часть выходного напряжения подается на базу транзистора Т4 с делителя выходного напряжения Rs—Rs- Для уменьшения мощности, выделяющейся на транзисторе Г4, в его кол­ лекторную цепь включен резистор Ri. На процесс регулирования этот резистор практически не оказывает влияния.

Стабилизатор не имеет специальных цепей запуска в отличие от стабилизатора на рис. 34. При подаче напряжения питания запуск обеспечивается током, протекающим через резистор R2 и поддержи­ вающим транзисторы Т\, Т2 практически в состоянии насыщения до зарядки конденсатора Сн, подключенного к выходу стабилизатора.

Рис. 41. Высоковольтный стабилизатор напряжения.

Транзистор Т4 откроется лишь тогда, когда напряжение на этом конденсаторе будет отличаться от номинального менее чем на 1 В.

тер транзистора Т2. В результате уменьшается базовый ток тран­ зистора Т2, а следовательно, и базовый ток транзистора Т\\ регули­ рующий элемент входит в рабочий режим.

Для нормального режима работы транзистора Т3, т. е. для уве­

линейный закон регулирования в стабилизаторе. При уменьшении нагрузки напряжение на входе стабилизатора может существенно увеличиться. Так как напряжение на выходе стабилизатора при этом остается неизменным, то разность между этими напряжениями, при­ ложенная к транзистору Т\, может быть значительной. Для защиты транзистора от возможного пробоя предусмотрен стабилитрон Д 2. Разность входного и выходного напряжений, приложенная к тран­ зистору Т\, ограничивается напряжением его стабилизации. Этот же стабилитрон защищает стабилизатор при резком уменьшении вход­ ного напряжения (например, при пробое конденсатора Cj), когда со

61

Стороны выхода к стабилизатору оказывается приложенным обрат­ ное напряжение заряженного конденсатора. Защита транзисторов регулирующего каскада осуществляется в этом случае малым пря­ мым сопротивлением стабилитрона.

Для обеспечения нормального температурного режима транзи­ стор Г], должен быть установлен на теплоотводе площадью 250 см2, в стабилитрон Д3 — 10 см2.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ В СТАБИЛИЗАТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ

Потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры, выпол­ ненной на интегральных схемах, привела к разработке специальных интегральных схем — стабилизаторов напряжения.

В интегральном исполнении выполняются стабилизаторы напря­ жения последовательного типа, предназначенные для питания мало­ мощных нагрузок. На рис. 42 приведен такой стабилизатор напря­ жения на микросхеме типа К.2ПП241 (строго говоря, в этом стаби­ лизаторе есть внешние элементы, а потому его нельзя считать моно­ литным). Стабилизатор обеспечивает питание нагрузок током до 4 мА при коэффициенте стабилизации не менее 5. При входном на­ пряжении от 5,4 до 12 В стабилизированное напряжение составляет 3,3—3,9 В.

Стабилизатор состоит из опорного элемента (стабилитрона Д и который подключается к микросхеме), усилителя на транзисторе Т2

ирегулирующего элемента на транзисторе Т\.

Внастоящее время отечественной промышленностью выпускают­ ся микросхемы серий К.142 и К181, в которые входят линейные по­

•Источником опорного напряжения стабилизатора является ста­ билитрон Д3. Рабочая точка на его вольт-амперной характеристике стабилизируется с помощью токостабилизирующего двухполюсника, состоящего из транзисторов Т\, Т2, диодов Д\, Д2 и резисторов Ri} R2. Опорное напряжение подается в схему сравнения через эмиттер-

62

ный повторитель на транзисторе 7Y С помощью делителя на рези­ сторах Rs—Rb и диода Дъ, являющихся нагрузкой эмиттерного по­ вторителя, осуществляется «деление» опорного напряжения до тре­ буемого значения (примерно до 3 В).

Усилитель цепи обратной связи стабилизатора и схема сравне­ ния выполнены на транзисторах Г8, Г9 по дифференциальной схеме. На базу транзистора Г8 подается опорное напряжение, а на базу Гg

Рис. 43. Интегральный стабилизатор напряжения.

часть выходного напряжения. Управление регулирующим составным транзистором Гб, Г7 осуществляется транзистором Г9 усилителя цепи обратной связи, коллекторная цепь которого с целью уменьшения пульсаций выходного напряжения и повышения коэффициента ста­ билизации стабилизатора питается через токостабилизирующий двух­ полюсник (транзисторы Г4, Г5, диод Д4, резистор Re).

На рис. 43,6 приведена схема включения интегрального стаби­ лизатора напряжения. Выходное напряжение устанавливается внеш­ ним делителем на резисторах Ru R2. -Ток делителя должен быть

63

равным 1,5 мА. Для устранения самовозбуждения стабилизатора при работе'в условиях повышенной температуры используется конденса­ тор Ci, емкость которого выбирается в пределах от 100 до 1000 пФ.

Емкость конденсатора нагрузки Сг можно изменять от 0 1 до 200 мкФ.

Транзистор Гю может быть использован для построения схемы защиты от короткого замыкания на выходе стабилизатора. Простей­

Построение стабилизаторов напряжения, выполненных на микросхемах серии К142, в основном аналогично рассмотренному. Характеристики микросхем этого типа приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7

Тип микросхемы

И

Рис. 45. Стабилизатор напряжения с токостабилизирующим двух­ полюсником и интегральным УПТ.

Рис. 46. Стабилизатор напряжения с интегральными УПТ и стаби­ литроном.

Ъ ГТ703Д

В радиолюбительских схемах монолитные интегральные стаби­ лизаторы напряжения пока не нашли широкого применения. Большое распространение получили схемы стабилизаторов напряжения с ис­ пользованием в качестве УПТ интегральных операционных усили­ телей.

На рис. 44 приведен стабилизатор напряжения, рассчитанный на ток нагрузки до 40 мА. Стабилизатор может быть выполнен на два

выполнены схема сравнения и усилитель обратной связи. На инвер­

ность напряжений на входах МС\ усиливается операционным уси­ лителем и через стабилитрон Д\ подается на базу регулирующего транзистора 7Y Коэффициент стабилизации схемы не менее 1000.

На рис. 45 изображен стабилизатор напряжения, имеющий сле­ дующие основные характеристики: коэффициент стабилизации около 1000, выходное сопротивление не более 0,01 Ом, номинальный ток нагрузки не менее 2 А при выходном напряжении 25,2 В. Пульса­ ции выходного напряжения менее 60 мкВ. Стабилизатор работоспо­ собен в интервале температур окружающей среды от —20 до +60°С. Температурный дрейф выходного напряжения менее 0,05%. Выход­ ное напряжение стабилизатора можно увеличить до 27 В. В этом случае между выводом 7 AfCi и выводом 25,2 В нужно включить резистор сопротивлением 200 Ом.

Источник опорного напряжения выполнен на стабилитроне Д 2 и резисторе R8. Выходное напряжение в пределах ±10% можно регу­ лировать потенциометром Rio. Функции схемы сравнения и усиления выполняет МС\. Цепочка С8, Ri улучшает динамическую устойчи­ вость стабилизатора. Включение конденсатора С2 также улучшает устойчивость его работы.

Приведенное устройство можно упростить, заменив токостаби­ лизирующий двухполюсник, собранный на транзисторе 7\, рези­

в 5—10 раз.

На рис. 46 приведен стабилизатор, рассчитанный на номиналь­ ный ток нагрузки 0,65 А при выходном напряжении 12,6 В. Коэффи­ циент стабилизации схемы не менее 1000, выходное сопротивление не более 0,01 Ом, температурный дрейф выходного напряжения ме­ нее 0,1 %/°С, пульсации выходного напряжения не превышают

300мкВ.

Особенностью схемы является построение источника опорного

напряжения на микросхеме М С 2 типа К1КТ011А. В ней исполь­ зованы два р-п перехода: один из них — между выводами 7 и 8 — включен как стабилитрон, а другой — между выводами 3 и 5 — как термокомпенсирующий элемент. В цепи обратной связи приме­ нен операционный усилитель К1УТ401А (AlCi). Следует иметь в ви­ ду, что при отсутствии нагрузки стабилизация может срываться (возможно запирание регулирующего транзистора). Поэтому выход стабилизатора целесообразно шунтировать резистором сопротивле­ нием 560 Ом (2 Вт).

66

СХЕМНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Для защиты стабилизаторов от п{ згрузки по току и коротких замыканий в нагрузке часто' используются предохранители. Недо­ статками такого метода защиты являются низкая чувствительность и большая инерционность, а также затруднительность точной настрой­ ки на необходимый ток срабатывания.

Улучшение качества защиты, выполненной с использованием

С увеличением тока нагрузки падение напряжения на резисторе Ri становится достаточным для насыщения транзистора. Открываясь, транзистор создает добавочный ток нагрузки Г а, который, дополни­ тельно нагружая предохранитель, ускоряет его срабатывание. Рези­ сторы Ra и Ra ограничивают токи до допустимых для Т значений. Изменяя сопротивление Ru можно регулировать ток срабатывания защиты.

Использование рассмотренной схемы защиты значительно увели­ чивает быстродействие предохранителя, однако и оно в ряде случаев оказывается недостаточным (особенно в стабилизаторах с высокоча­ стотными транзисторами). Это вынуждает применять специальные автоматические быстродействующие схемы защиты.

В основу построения большинства распространенных схем бы­ стродействующей электронной защиты положен принцип запирания регулирующего или какого-либо дополнительного транзистора при перегрузке или коротком замякании.

Па рис. 49—53 приведены транзисторные компенсационные ста­ билизаторы напряжения с различными вариантами быстродействую­ щей электронной защиты. При обозначенных на схемах типах полу­ проводниковых приборов и номинальных сопротивлениях резисторов стабилизаторы имеют следующие параметры: номинальное входное

Коэффициент передачи тока транзисторов 40—80. Радиаторы ре­ гулирующих транзисторов должны иметь поверхность, обеспечиваю­ щую рассеяние мощности 1,5 Вт.

68

На рис. 49 приведена одна из простейших схем защиты от ко­ ротких замыканий на выходе стабилизатора и его перегрузок. В нее входят транзистор защиты Т2, резисторы R2—Н4. Пока ток нахрузки /„ не превышает допустимой величины, падение напряжения на ре­ зисторе # 4 меньше падения напряжения на резисторе R3\ к переходу база — эмиттер транзистора Т2 приложено запирающее напряжение. Транзистор Т2 закрыт и не влияет на работу стабилизатора. С рос­ том тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе /?4. Вследствие этого запирающее напряжение, приложенное к пере­

равен или несколько меньше номинального. Мощность, выделяю­ щаяся на регулирующем транзисторе в случае короткого замыкания на выходе стабилизатора, повышает мощность рассеяния в рабо­ чем режиме. Это обусловлено тем, что к переходу коллектор — эмиттер Т\ прикладывается в этом случае полное входное напряже­ ние стабилизатора.

В связи с этим расчет элементов схемы производится из усло­ вия, чтобы при коротком замыкании мощность, рассеиваемая на ре­ гулирующем транзисторе, не превышала максимальной мощности рассеяния Ркшакс в рабочем режиме. При этом

R*^ ^БЭ^вх/^ K l макс 555 °> 25^вх/Л <1 макс»

где ^ бэ — напряжение база — эмиттер открытого транзистора Т\

(для германиевых транзисторов примерно 0,25 В, для кремниевых — примерно 0,5 В).

Сопротивление резистора R3 определяется из условия получения запирающего напряжения смещения

UR3 — ^4^н.макс ^БЭ —

где / н.макс— ток нагрузки, при котором срабатывает защита; / д —■ ток делителя, образованного резисторами R2, Не­

важным достоинством схемы защиты по рис. 49 является авто­ матическое восстановление работы стабилизатора после снятия пе­ регрузки или устранения короткого замыкания,

69

Если входной и выходной выводы пбложительной полярности стабилизатора должны быть соединены непосредственно (а не через

в том, что ограничение тока регулирующего транзистора осущест­

срабатывания можно регулировать, заменив резистор Rz потенцио­ метром.

Общим недостатком схем защиты на рис. 49^ и 50 является за­

URZ, которое определяется выходным напряжением Uп з= UпЯз/(# 2+ —J—'/?з). В связи с этим рассмотренные схемы защиты не применяют­ ся в стабилизаторах с регулируемым выходным напряжением.

Указанный недостаток отсутствует в устройстве, приведенном на рис. 51. Принцип его работы аналогичен рассмотренному, однако запирающее напряжение смещения не зависит от выходного напря­ жения.

Схемы защиты (рис. 49—51) целесообразно использовать в низ­ ковольтных стабилизаторах напряжения. Это обусловлено следую­ щими факторами. Во-первых, на регулирующем транзисторе ре­ жим максимальной мощности может иметь место не при полном коротком замыкании на выходе стабилизатора; до устранения пе­ регрузки на регулирующем транзисторе рассеивается значительная мощность. Во-вторых, как уже отмечалось, при коротком замыкании к регулирующему транзистору полностью прикладывается напряже­ ние питания. Это не позволяет использовать такие схемы в стабили­ заторах, у которых входное напряжение превышает допустимое значение напряжения эмиттер — коллектор регулирующего транзи­ стора. Поэтому в ряде случаев необходимы схемы защиты, позво­ ляющие полностью запирать регулирующий транзистор. Пример

70