В этой статье пойдёт речь о стабилизаторах постоянного напряжения на полупроводниковых приборах. Рассмотрены наиболее простые схемы стабилизаторов напряжения, принципы их работы и правила расчёта. Изложенный в статье материал полезен для конструирования источников вторичного стабилизированного питания.

Начнём с того, что для стабилизации любого электрического параметра должна быть схема слежения за этим параметром и схема управления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо наличие "эталона", с которым стабилизируемый параметр сравнивается. Если в ходе сравнения оказывается, что параметр больше эталонного значения, то схема слежения (назовём её схемой сравнения) даёт команду на схему управления "уменьшить" значение параметра. И наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то схема сравнения даёт команду на схему управления "увеличить" значение параметра. На этом принципе работают все схемы автоматического управления всех устройств и систем, которые нас окружают, от утюга, до космического аппарата, разница лишь в способе контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилизатор напряжения.

Структурная схема такого стабилизатора изображена на рисунке.

Работу стабилизатора можно сравнить с регулировкой воды, бегущей из водопроводного крана. Человек подходит к крану, открывает его, а потом, наблюдая за потоком воды, регулирует его подачу в большую, или меньшую сторону, добиваясь оптимального для себя потока. Сам человек выполняет функцию схемы сравнения, в качестве эталона выступает представление человека о том, какой поток воды должен быть, а в качестве схемы управления выступает водопроводный кран, который управляется схемой сравнения (человеком). Если человек изменит своё представление об эталоне, решив, что поток воды, бегущий из крана недостаточный, то он откроет его больше. В стабилизаторе напряжения точно так же. Если у нас появляется желание изменить выходное напряжение, тогда мы можем изменить эталонное (опорное) напряжение. Схема сравнения, заметив изменение эталонного напряжения, самостоятельно изменит и выходное напряжение.

Резонным будет вопрос: Зачем нам такое нагромождение схем, если можно на выходе использовать источник уже "готового" эталонного напряжения? Дело в том, что источник эталонного (далее по тексту – опорного) напряжения – слаботочный (низкоамперный), поэтому не способен питать мощную (низкоомную) нагрузку. Такой источник опорного напряжения можно использовать в качестве стабилизатора для питания схем и устройств, потребляющих малый ток – КМОП-микросхем, слаботочных усилительных каскадов и др.

Схема источника опорного напряжения (слаботочного стабилизатора) изображена ниже. По своей сути – это специальный делитель напряжения, описанный в статье , отличие его в том, что в качестве второго резистора используется специальный диод – стабилитрон. В чём особенность стабилитрона? Простыми словами, стабилитрон, это такой диод, который в отличие от обычного выпрямительного диода, при достижении определённого значения обратно приложенного напряжения (напряжения стабилизации) пропускает ток в обратном направлении, а при его дальнейшем повышении, уменьшая своё внутреннее сопротивление, стремится удержать его на определённом значении.

На вольтамперной характеристике (ВАХ) стабилитрона режим стабилизации напряжения изображен в отрицательной области прикладываемого напряжения и тока.

По мере увеличения обратного напряжения, прикладываемого к стабилитрону, он сначала "сопротивляется" и ток, протекающий через него минимален. При определённом напряжении, ток стабилитрона начинает увеличиваться. Достигается такая точка вольтамперной характеристики (точка 1 ), после которой дальнейшее увеличение напряжения на делителе "резистор – стабилитрон" не вызывает увеличения напряжения на p-n переходе стабилитрона. На этом участке ВАХ происходит увеличение напряжения лишь на резисторе. Ток, проходящий через резистор и стабилитрон продолжает расти. От точки 1 , соответствующей минимальному току стабилизации, до определённой точки 2 вольтамперной характеристики, соответствующей максимальному току стабилизации стабилитрон работает в требуемом режиме стабилизации (зелёный участок ВАХ). После точки 2 вольтамперной характеристики стабилитрон теряет свои "полезные" свойства, начинает греться и может выйти из строя. Участок от точки 1 до точки 2 является рабочим участком стабилизации, на котором стабилитрон выступает в качестве регулятора.

Зная, как рассчитывается простейший делитель напряжения на резисторах можно элементарно рассчитать цепь стабилизации (источник опорного напряжения). Как и в делителе напряжения, в цепи стабилизации протекают два тока – ток делителя (стабилизатора) I ст и ток нагрузочной цепи I нагр . В целях "качественной" стабилизации последний должен быть на порядок меньше первого.

Для расчётов цепи стабилизации используются значения параметров стабилитронов, публикуемые в справочниках:

• Напряжение стабилизации U ст ;
• Ток стабилизации I ст (обычно - средний);
• Минимальный ток стабилизации I ст.min ;
• Максимальный ток стабилизации I ст.max .

Для расчёта стабилизатора, как правило, используются только два первых параметра - U ст , I ст , остальные применяются для расчёта схем защиты по напряжению, в которых возможно значительное изменение входного напряжения.

Для повышения напряжения стабилизации можно использовать цепочку из последовательно соединённых стабилитронов, но для этого, допустимый ток стабилизации таких стабилитронов должен быть в пределах параметров I ст.min и I ст.max , иначе существует вероятность выхода стабилитронов из строя.

Следует добавить, что простые выпрямительные диоды также обладают свойствами стабилизации обратно приложенного напряжения, только значения напряжений стабилизации лежат на более высоких значениях обратно приложенного напряжения. Значения максимального обратно приложенного напряжения выпрямительных диодов обычно указывается в справочниках, а напряжение при котором проявляется явление стабилизации обычно выше этого значения и для каждого выпрямительного диода, даже одного типа, различно. Поэтому, используйте выпрямительные диоды в качестве стабилитрона высоковольтного напряжения только в самом крайнем случае, когда не сможете найти необходимый Вам стабилитрон, или сделать цепочку из стабилитронов. В этом случае, напряжение стабилизации определяется экспериментально. Необходимо соблюдать осторожность при работе с высоким напряжением.

Порядок расчёта стабилизатора напряжения (источника опорного напряжения)

Расчет простейшего стабилизатора напряжения мы проведём с рассмотрением конкретного примера.
Исходные, предъявляемые к схеме параметры:

1. Входное напряжение делителя - U вх (может быть стабилизированным, а может и нет). Допустим, что U вх = 25 вольт;

2. Выходное напряжение стабилизации - U вых (опорное напряжение). Допустим, что нам необходимо получить U выx = 9 вольт. Решение:

1. Исходя из необходимого напряжения стабилизации, по справочнику подбирают необходимый стабилитрон. В нашем случае это Д814В .

2. Из таблицы находят средний ток стабилизации - I ст . По таблице он равен 5 мА.

3. Вычисляют напряжение, падающее на резисторе - U R1 , как разность входного и выходного стабилизированного напряжения. U R1 = U вx - U выx ---> U R1 = 25 – 9 = 16 вольт

4. По закону Ома делят это напряжение на ток стабилизации, протекающий через резистор, и получают значение сопротивления резистора. R1 = U R1 / I ст ---> R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ом = 3,2 кОм

Если полученного значения нет в резистивном ряде, выберите ближайший по номиналу резистор. В нашем случае это резистор номиналом 3,3 кОм .

5. Вычисляют минимальную мощность резистора, помножив падение напряжения на нём на протекающий ток (ток стабилизации). Р R1 = U R1 * I ст ---> Р R1 = 16 * 0,005 = 0,08 Вт

Учитывая, что через резистор кроме тока стабилитрона протекает ещё и выходной ток, поэтому выбирают резистор, мощностью не менее, чем в два раза больше вычисленной. В нашем случае это резистор мощностью не меньшей 0,16 Вт . По ближайшему номинальному ряду (в большую сторону) это соответствует мощности 0,25 Вт .

Вот и весь расчёт.

Как было написано ранее, простейшую цепочку стабилизатора постоянного напряжения можно использовать для питания схем, в которых используют малые токи, а для питания более мощных схем они не годятся.

Одним из вариантов повышения нагрузочной способности стабилизатора постоянного напряжения является использование эмиттерного повторителя. На схеме изображён каскад стабилизации на биполярном транзисторе. Транзистор "повторяет" приложенное к базе напряжение.

Нагрузочная способность такого стабилизатора возрастает на порядок. Недостатком такого стабилизатора, как и простейшей цепочки состоящей из резистора и стабилитрона, является невозможность регулировки выходного напряжения.

Выходное напряжение такого каскада будет меньше напряжения стабилизации стабилитрона на значение падения напряжения на p-n переходе "база – эмиттер" транзистора. В статье , я писал, что для кремниевого транзистора оно равно – 0,6 … 0,7 вольта, для германиевого транзистора – 0,2 … 0,3 вольта. Обычно грубо считают – 0,65 вольта и 0,25 вольта.

Поэтому, например при использовании кремниевого транзистора, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет на 0,65 вольта меньше, т.е – 8,35 вольта.

Если вместо одного транзистора использовать составную схему включения транзисторов, то нагрузочная способность стабилизатора возрастёт ещё на порядок. Здесь также, как и в предыдущей схеме следует учитывать уменьшение выходного напряжения за счёт его падения на p-n переходах "база – эмиттер" транзисторов. В данном случае, при использовании двух кремниевых транзисторов, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет уже на 1,3 вольта меньше (по 0,65 вольт на каждый транзистор), т.е – 7,7 вольта. Поэтому, при проектировании подобных схем необходимо учитывать такую особенность и подбирать стабилитрон с учётом потерь на переходах транзисторов.

Рассчитанное таким образом сопротивление позволяет более эффективно гасить реактивную составляющую выходного транзистора и полноценно использовать мощностные способности обоих транзисторов. Не забывайте производить расчёт требуемой мощности резисторов, иначе всё сгорит в неподходящий момент. Выход из строя резистора R2 может привести к выходу из строя транзисторов и того, что Вы подключите в качестве нагрузки. Расчёт мощности стандартный, описанный на страничке .

Как выбрать транзистор для стабилизатора?

Основные параметры для транзистора в стабилизаторе напряжения: максимальный ток коллектора, максимальное напряжение "коллектор-эмитер" и максимальная мощность. Все эти параметры всегда имеются в справочниках.
1. При выборе транзистора необходимо учитывать, что паспортный (по справочнику) максимальный ток коллектора должен быть не менее, чем в полтора раза больше максимального тока нагрузки, который вы хотите получить на выходе стабилизатора. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по току нагрузки при случайных кратковременных бросках нагрузки (например короткого замыкания). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.

2. Максимальное напряжение "коллектор-эмитер" характеризует способность транзистора выдерживать определённое напряжение между коллектором и эмитером в закрытом состоянии. В нашем случае этот параметр должен также превышать не менее, чем в полтора раза напряжение подводимое к стабилизатору от цепи "трансформатор-выпрямитель-фильтр питания" вашего блока стабилизированного питания.

3. Паспортная выходная мощность транзистора должна обеспечивать работу транзистора в режиме "полуоткрытого" состояния. Всё напряжение, которое вырабатывается цепочкой "трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания" делится на две нагрузки: собственно нагрузка вашего блока стабилизированного питания и сопротивление коллекторно-эмитерного перехода транзистора. По обоим нагрузкам течёт один и тот же ток, поскольку они подключены последовательно, а вот напряжение делится. Из этого следует, что необходимо выбрать такой транзистор, который при заданном токе нагрузки способен выдерживать разницу между напряжением, вырабатываемым цепочкой "трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания" и выходным напряжением стабилизатора. Мощность вычисляется как произведение напряжения на ток (из учебника физики средней школы).

Например: На выходе цепи "трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания" (а значит на входе стабилизатора напряжения) напряжение равно 18 вольт. Нам необходимо получить выходное стабилизированное напряжение 12 вольт, при токе нагрузки 4 ампера.

Находим минимальное значение необходимого паспортного тока коллектора (Iк max):
4 * 1,5 = 6 ампер

Определяем минимальное значение необходимого напряжения "коллектор-эмитер" (Uкэ):
18 * 1,5 = 27 вольт

Находим среднее напряжение, которое в рабочем режиме будет "падать" на переходе "коллектор-эмитер", и тем самым поглощаться транзистором:
18 - 12 = 6 вольт

Определяем потребную номинальную мощность транзистора:
6 * 4 = 24 ватт

При выборе типа транзистора необходимо учитывать, что паспортная (по справочнику) максимальная мощность транзистора должна быть не менее, чем в два - три раза больше номинальной мощности падающей на транзисторе. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по мощности при различных бросках тока нагрузки (а следовательно и изменения падающей мощности). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.

В нашем случае необходимо выбрать транзистор с паспортной мощностью (Рк) не менее:
24 * 2 = 48 ватт

Выбираете любой транзистор, удовлетворяющий этим условиям, с учётом, что чем паспортные параметры будут намного больше расчётных, тем меньше по размерам потребуется радиатор охлаждения (а может и вообще не нужен будет). Но при чрезмерном превышении этих параметров учитывайте тот факт, что чем больше выходная мощность транзистора, тем меньше его коэффициент передачи (h21), а это ухудшает коэффициент стабилизации в источнике питания.

В следующей статье мы рассмотрим . В нём используется принцип контроля выходного напряжения мостовой схемой. Он обладает меньшей пульсацией выходного напряжения, чем "эмиттерный повторитель", кроме того, он позволяет регулировать выходное напряжение в небольших пределах. На его основе будет рассчитана простая схема стабилизированного блока питания.

Оборудование : две макетных панели, монтажные проводники с наконечниками, миллиамперметр до 10 мА, источник регулируемого постоянного напряжения до 10 В, цифровой вольтметр.

ВНИМАНИЕ: монтаж электрических схем осуществлять только при выключенном напряжении питания на макетной панели.

Стабилизатором напряжения (тока ) называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение (ток) на стороне потребителя (на нагрузке) с заданной степенью точности. Стабилизаторы напряжения в первую очередь ставят в источниках питания после выпрямителя. Чем чувствительнее прибор, чем точнее измерительное устройство, тем выше должна быть стабильность источников питания. Стабилизаторы тока не менее важны, чем стабилизаторы напряжения. Источники тока применяются для обеспечения смещения транзисторов, в качестве активной нагрузки усилительных каскадов. Они необходимы для работы интеграторов и генераторов пилообразного напряжения. Стабилизаторы тока требуются также, например, в электрохимии, электрофорезе.

Основными дестабилизирующими факторами , вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания сетевого напряжения 220 В, колебания частоты тока в сети, изменения потребляемой нагрузкой мощности, изменения температуры окружающей среды и др.

Стабилизаторы подразделяются в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). По принципу действия стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные . Стабилизация напряжения (тока) в параметрических стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) нелинейного элемента (газоразрядного и полупроводникового стабилитрона, стабистора, полевого или биполярного транзисторов и др.). Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные . По режиму работы регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные . В свою очередь импульсные стабилизаторы подразделяются по принципу управления на широтно-импульсные, частотно-импульсные и релейные.

Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения, характеризующими качество стабилизации, являются:

Коэффициент стабилизации К СТ – отношение относительных изменений входного и выходного напряжений (при постоянном выходном токе):

(1)

где DU ВХ и DU ВЫХ – соответственно приращения входного и выходного напряжений, U ВХ и U ВЫХ – значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

Выходное сопротивление R ВЫХ (или внутреннее сопротивление r I) стабилизатора равно отношению приращения выходного напряжения DU ВЫХ к приращению тока нагрузки DI Н при неизменном входном напряжении U ВХ = const:

(2)

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности на выходе стабилизатора к мощности на входе.

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы (с использованием стабилитронов) являются наиболее простыми. Они характеризуются сравнительно невысокими коэффициентами стабилизации (10–100), большим выходным сопротивлением (единицы и десятки ом), низким КПД.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого используется для стабилизации напряжения участок электрического пробоя (лавинного или туннельного) на обратной ветви ВАХ (рис. 1). В прямом направлении ВАХ стабилитрона такая же, как и у любого кремниевого диода. Пробивное напряжение диода – напряжение стабилизации стабилитрона U СТ (от 3 до 200 В) зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны (U СТ < 6 В) изготавливаются на основе сильнолегированного кремния и в них происходит туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны (U СТ > 6 В) изготавливаются на основе слаболегированного кремния. Поэтому принцип их действия связан с лавинным пробоем.

В данной лабораторной работе исследуются стабилитроны Д814А и 2С156А. Их справочные данные приведены в табл. 1. Стабилизация напряжения тем лучше, чем круче идет кривая ВАХ (рис. 1) и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление стабилитрона. Кроме того, следует отметить, что стабилитроны с низким напряжением стабилизации (с туннельным пробоем) обладают отрицательным температурным коэффициентом напряжения (ТКН), т.е. при повышении температуры напряжение стабилизации уменьшается. Стабилитроны с лавинным пробоем имеют положительный ТКН. Существуют и термокомпенсированные стабилитроны, выполненные в одном корпусе в виде последовательного соединения стабилитрона с положительным ТКН и диода, включенного в прямом направлении (у которого отрицательный ТКН).

Таблица 1

Основные параметры	Д814А	2С156А
Напряжение стабилизации U СТ, В	7 – 8,5	5,6
Разброс напряжения стабилизации, %	–	± 10
Минимальный ток стабилизации I СТ m I n (ток, при котором наступает устойчивый пробой), мА
Максимальный ток стабилизации I СТ max (ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне не превышает допустимого значения), мА
Дифференциальное внутреннее сопротивление , Ом
Температурный коэффициент напряжения стабилизации (отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды ), % / °С	+ 0,07	±0,05
Максимально допустимый прямой ток, мА
Максимально допустимая рассеиваемая мощность, Вт	0,34	0,3
Температура окружающей среды, °С	от минус 60 до +100

Задание 1 .

1.1. Найти на макетной панели стабилитроны Д814А и 2С156А, соединенные с токоограничивающими резисторами 150 и 240 Ом (рис. 2).

1.2. Установить на блоке питания напряжение 10 В. Подключить вольтметр к стабилитрону Д814А. Включить тумблер на макетной панели. Ток, текущий через стабилитрон, вызывает его нагрев и изменение U CT . Положительный или отрицательный ТКН имеет данный стабилитрон? По часам определить время, необходимое для прогрева схемы. Для этого следует заполнить табл. 2 измерениями напряжения на стабилитроне в момент включения питания и через каждую минуту. Время прогрева необходимо учитывать в том случае, когда необходимо очень точно измерить напряжение на стабилитроне (до тысячных (или сотых) долей вольта).

Таблица 2

1.3. Измерить обратные ВАХ стабилитронов. Для этого необходимо, подавая напряжение питания от 1 до 10 В с шагом 1 В, измерить напряжение на стабилитронах. Подаваемое напряжение и напряжение на стабилитронах измерять с точностью до сотых долей вольта. Токи, текущие через стабилитроны, вычислять по падению напряжения на токоограничивающих резисторах. Результатами измерений и вычислений заполнить табл. 3.

Таблица 3

U ПИТ, В	Д814А	2С156А
U, В	I, мА	U, В	I, мА
1,
2,
3,
4,
5,
6,
7,
8,
9,
10,
	R Д = Ом	R Д = Ом

1.4. По данным, представленным в табл. 3, построить экспериментальные ВАХ стабилитронов (рис. 3). Сравнить реальные напряжения стабилизации и минимальные токи стабилизации со справочными данными.

1.5. На рабочих участках ВАХ рассчитать дифференциальные сопротивления, записать их в табл. 3 и сравнить со справочными данными.

Рассмотрим теперь работу стабилитрона с нагрузкой R Н. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 4. При увеличении входного напряжения U ВХ, как только ток через стабилитрон становится равным I ст min , напряжение на стабилитроне перестает увеличиваться и становится равным U СТ.

Дальнейшее увеличение U ВХ приводит лишь к росту падения напряжения на токоограничивающем резисторе R. Поэтому напряжение на нагрузке R Н поддерживается неизменным.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда входное напряжение U ВХ нестабильно, а сопротивление нагрузки R Н постоянно. Для такого случая сопротивление R обычно рассчитывают для средней точки Т вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 1) Если напряжение U ВХ меняется от U min до U max , то R можно найти по следующей формуле:

Где - среднее входное напряжение; - средний ток стабилитрона; - ток нагрузки. Нестабильность напряжения в данном случае почти полностью поглощается резистором R. Колебания входного напряжения сглаживаются благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда U BX = = const, а R Н изменяется в пределах от R н min до R н max . для такого режима R можно определить по средним значениям токов по формуле:

где , , .

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Так как падение напряжения на резисторе R равное U BX - U С T постоянно, то ток, протекающий через этот резистор также постоянен. Этот ток представляет собой сумму токов стабилитрона и нагрузки. Поэтому, если увеличивается потребление тока нагрузкой, то ток через стабилитрон должен уменьшаться (для того, чтобы их сумма оставалась неизменной). Если нагрузка отбирает очень много тока у стабилитрона, то ток через стабилитрон становится меньше I c т min , и стабилизация напряжения нарушается.

Задание 2 .

2.1. Собрать на макетной панели схему, изображенную на рис. 5, в которой в качестве нагрузки стабилизатора используются последовательно соединенные резисторы сопротивлением 470 Ом, 750 Ом и внутреннее сопротивление миллиамперметра (100 Ом).

2.2. Подключая и отключая нагрузку от стабилитрона, убедиться по вольтметру в том, что при подключении нагрузки напряжение U СТ уменьшается. Напряжение U СТ уменьшается также и при увеличении тока нагрузки. Это можно показать, вращая ось переменного резистора 470 Ом. Таким образом, нагрузка отбирает часть тока у стабилитрона, и рабочая точка на ВАХ стабилитрона перемещается вверх в область меньших токов и меньших напряжений стабилизации U СТ (см. рис. 1 и рис. 3).

2.3. Вычислить коэффициент стабилизации по формуле (1) для минимального тока нагрузки (чем больше будет ток нагрузки, тем хуже будет стабилизация напряжения). Для этого следует изменять входное напряжение от 9 В до 10 В (пусть DU ВХ = 10 В – 9 В = 1 В, а U ВХ = 9,5 В). Выходное напряжение следует измерять как можно точнее (до тысячных долей вольта), так как коэффициент стабилизации может достигать величины в несколько десятков. Не забудьте при измерениях о времени прогрева схемы (см. табл. 2).

Напряжение U ВЫХ нельзя регулировать или установить заданное значение;

Стабилитроны имеют конечное дифференциальное сопротивление, а в связи с этим они не всегда достаточно сильно сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения сопротивления нагрузки;

При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать стабилитроны с большой мощностью рассеяния (с большими максимальными токами).

Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока применяется схема (рис. 6), в которой стабилитрон отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. Ток стабилитрона в такой схеме относительно независим от тока нагрузки, так как по цепи базы транзистора протекает небольшой ток (меньше в h 21Э чем в нагрузке). Параметры транзистора (предельная мощность, напряжения и токи) выбираются, учитывая мощность нагрузки.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то используется часть опорного (стабилизированного) напряжения, снимаемого с движка переменного резистора. Схемная реализация такой возможности показана на рис. 7.

Задание 3 .

3.1. Собрать схемы стабилизаторов напряжения со стабилитронами Д814А и 2С156А (рис. 6). Используя вольтметр, убедиться в том, что выходное напряжение меньше напряжения на стабилитроне на величину падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора (на » 0,6 В).

3.2. По имеющимся в схеме сопротивлениям вычислить:

Максимальную мощность нагрузки Р Н;

Мощность резисторов в цепи стабилитронов Р R .

3.3. Результатами вычислений заполнить табл. 4.

Таблица 4

Д814А	2С156А
Р Н, Вт	Р R , Вт	Р Н, Вт	Р R , Вт

3.4. Собрать схему стабилизатора напряжения с регулируемым выходным напряжением (рис. 7) и проверить ее работоспособность.

Существует ряд способов увеличения коэффициента стабилизации. При этом происходит усложнении схемы стабилизатора.

Во-первых, стабилитрон можно запитывать через стабилизатор тока (а не через резистор), и тогда напряжение на стабилитроне практически не будет изменяться.

Во-вторых, можно использовать двухкаскадную схему (рис. 8), общий коэффициент стабилизации которой равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных каскадов (звеньев) и может достигать нескольких сотен.

В-третьих, следует выбрать другие схемы стабилизаторов, например, компенсационного типа с использованием транзисторных схем и операционных усилителей.

В-четвертых, можно использовать интегральные стабилизаторы напряжения (микросхемы).

Рассмотрим источники стабильного тока . Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением R = ¥ и обеспечивает в нагрузке R Н ток, который не зависит от падения напряжения на нагрузке (от сопротивления нагрузки).

Схема простейшего источника тока показана на рис. 9. При условии, что R H << R (т.е. U H << U), ток сохраняет почти постоянное значение приблизительно равное U/R.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того, чтобы получить хорошее приближение к идеальному источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током такого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого в другом узле схемы. Если необходим значительный ток, то напряжение U (рис. 9) нужно выбрать большой величины. Для того, чтобы обеспечить I = 1 мА и R = 10 МОм необходимо приложить напряжение U = 10 кВ. Это условие можно обойти, если потребовать большого дифференциального внутреннего сопротивления (dU/dI), тогда как статическое внутреннее сопротивление может быть малым. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора (полевого или биполярного).

Любой источник тока обладает набором их одних и тех же функциональных узлов: источник питания, регулирующий элемент, датчик тока и нагрузка.

Схема источника тока, изображенного на рис. 10, построена на основе схемы с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Работает она следующим образом. Напряжение на базе U Б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: (для кремниевых транзисторов). Ток эмиттера равен:

Так как для больших значений коэффициента усиления по току h 21Э, ток эмиттера приблизительно равен току коллектора, то ток коллектора (а это есть ток нагрузки) вычисляется по той же формуле:

Если предусмотреть возможность изменения напряжения на базе, то получится регулируемый источник тока.

Формула (3) справедлива до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке, которое не может быть больше, чем напряжение питания (см. рис. 10). В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Поэтому для источника тока рабочий диапазон определяется тем, что транзистор должен находиться в активном режиме работы.

Задание 4 .

4.1. Собрать на макетной панели источник стабильного тока, изображенный на рис. 11, установив при этом переменный резистор 2 кОм в нагрузке на минимум (против часовой стрелки - до упора).

4.3. Проверить, чтобы ток делителя напряжения (резисторы R1 и R2) превышал в 5–10 раз ток базы регулирующего транзистора, который приблизительно равен I Б = I K / h 21Э, где коэффициент усиления транзистора h 21Э принять равным 50.

I ДЕЛИТЕЛЯ = мА, I Б = мА. Это условие необходимо для того, чтобы при изменении тока нагрузки (а, следовательно, и базового тока, текущего через резистор R1) напряжение на базе практически не изменялось.

4.4. Установите при помощи резистора R2 = 1 кОм ток нагрузки 5–7 мА. Вращая ось переменного резистора нагрузки 2 кОм, убедитесь в том, что через нагрузку течёт почти стабильный ток, однако в крайнем правом положении оси резистора (по часовой стрелки) ток резко уменьшается. Почему?

4.5. Собрать на макетной панели схему стабилизатора тока, изображенную на рис. 12, в которой для задания напряжения на базе транзистора используется стабилитрон. Рассчитать теоретически ток стабилитрона (I СТ = мА) и ток нагрузки (I Н = мА). Проверить по миллиамперметру экспериментально ток нагрузки (I Н ЭКС = мА).

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 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;
• 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 . Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Содержание:

В электрических цепях постоянно возникает необходимость в стабилизации тех или иных параметров. С этой целью применяются специальные схемы управления и слежения за ними. Точность стабилизирующих действий зависит от так называемого эталона, с которым и сравнивается конкретный параметр, например, напряжение. То есть, когда значение параметра будет ниже эталона, схема стабилизатора напряжения включит управление и отдаст команду на его увеличение. В случае необходимости выполняется обратное действие - на уменьшение.

Данный принцип работы лежит в основе автоматического управления всеми известными устройствами и системами. Точно так же действуют и стабилизаторы напряжения, несмотря на разнообразие схем и элементов, используемых для их создания.

Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками

При идеальной работе электрических сетей, значение напряжения должно изменяться не более чем на 10% от номинала в сторону увеличения или уменьшения. Однако на практике перепады напряжения достигают гораздо больших значений, что крайне отрицательно сказывается на электрооборудовании, вплоть до его выхода из строя.

Защититься от подобных неприятностей поможет специальное стабилизирующее оборудование. Однако из-за высокой стоимости, его применение в бытовых условиях во многих случаях экономически невыгодно. Наилучшим выходом из положения становится самодельный стабилизатор напряжения 220в, схема которого достаточно простая и недорогая.

За основу можно взять промышленную конструкцию, чтобы выяснить, из каких деталей она состоит. В состав каждого стабилизатора входят трансформатор, резисторы, конденсаторы, соединительные и подключающие кабели. Самым простым считается стабилизатор переменного напряжения, схема которого действует по принципу реостата, повышая или понижая сопротивление в соответствии с силой тока. В современных моделях дополнительно присутствует множество других функций, обеспечивающих защиту бытовой техники от скачков напряжения.

Среди самодельных конструкций наиболее эффективными считаются симисторные устройства, поэтому в качестве примера будет рассматриваться именно эта модель. Выравнивание тока этим прибором будет возможно при входном напряжении в диапазоне 130-270 вольт. Перед началом сборки необходимо приобрести определенный набор элементов и комплектующих. Он состоит из блока питания, выпрямителя, контроллера, компаратора, усилителей, светодиодов, автотрансформатора, узла задержки включения нагрузки, оптронных ключей, выключателя-предохранителя. Основными рабочими инструментами служат пинцет и паяльник.

Для сборки стабилизатора на 220 вольт в первую очередь потребуется печатная плата размером 11,5х9,0 см, которую нужно заранее подготовить. В качестве материала рекомендуется использовать фольгированный стеклотекстолит. Схема размещения деталей распечатывается на принтере и переносится на плату с помощью утюга.

Трансформаторы для схемы можно взять уже готовые или собрать самостоятельно. Готовые трансформаторы должны иметь марку ТПК-2-2 12В и соединяться последовательно между собой. Для создания первого трансформатора своими руками потребуется магнитопровод сечением 1,87 см2 и 3 кабеля ПЭВ-2. Первый кабель применяется в одной обмотке. Его диаметр составит 0,064 мм, а количество витков - 8669. Оставшиеся провода используются в других обмотках. Их диаметр будет уже 0,185 мм, а число витков составит 522.

Второй трансформатор изготавливается на основе тороидального магнитопровода. Его обмотка выполняется из такого же провода, как и в первом случае, но количество витков будет другим и составит 455. Во втором устройстве делаются отводы в количестве семи. Первые три изготавливаются из провода диаметром 3 мм, а остальные из шин, сечением 18 мм2. За счет этого предотвращается нагрев трансформатора во время работы.

Все остальные комплектующие рекомендуется приобретать в готовом виде, в специализированных магазинах. Основой сборки является принципиальная схема стабилизатора напряжения, заводского изготовления. Вначале устанавливается микросхема, выполняющая функцию контроллера для теплоотвода. Для ее изготовления используется алюминиевая пластина площадью свыше 15 см2. На эту же плату производится монтаж симисторов. Теплоотвод, предназначенный для монтажа, должен быть с охлаждающей поверхностью. После этого сюда же устанавливаются светодиоды в соответствии со схемой или со стороны печатных проводников. Собранная таким образом конструкция, не может сравниваться с заводскими моделями ни по надежности, ни по качеству работы. Такие стабилизаторы используются с бытовыми приборами, не требующими точных параметров тока и напряжения.

Схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах

Качественные трансформаторы, применяемые в электрической цепи, эффективно справляются даже с большими помехами. Они надежно защищают бытовую технику и оборудование, установленные в доме. Настроенная система фильтрации позволяет бороться с любыми скачками напряжения. За счет контроля над напряжением происходят изменения величины тока. Предельная частота на входе увеличивается, а на выходе - уменьшается. Таким образом, ток в цепи преобразуется в течение двух этапов.

В начале на входе задействуют транзистор с фильтром. Далее происходит включение в работу . Для завершения преобразования тока в схеме применяется усилитель, чаще всего устанавливаемый между резисторами. За счет этого в устройстве поддерживается необходимый уровень температуры.

Схема выпрямления действует следующим образом. Выпрямление переменного напряжения с вторичной обмотки трансформатора происходит с помощью диодного моста (VD1-VD4). Сглаживание напряжения выполняет конденсатор С1, после чего оно попадает в систему компенсационного стабилизатора. Действие резистора R1 задает стабилизирующий ток на стабилитроне VD5. Резистор R2 является нагрузочным. При участии конденсаторов С2 и С3 происходит фильтрация питающего напряжения.

Значение выходного напряжения стабилизатора будет зависеть от элементов VD5 и R1 для выбора которых существует специальная таблица. VT1 устанавливается на радиаторе, у которого площадь охлаждающей поверхности должна быть не менее 50 см2. Отечественный транзистор КТ829А может быть заменен зарубежным аналогом BDX53 от компании Моторола. Остальные элементы имеют маркировку: конденсаторы - К50-35, резисторы - МЛТ-0,5.

Схема линейного стабилизатора напряжения 12в

В линейных стабилизаторах используются микросхемы КРЕН, а также LM7805, LM1117 и LM350. Следует отметить, что символика КРЕН не является аббревиатурой. Это сокращение полного названия микросхемы стабилизатора, обозначаемой как КР142ЕН5А. Таким же образом обозначаются и другие микросхемы этого типа. После сокращения такое название выглядит по-другому - КРЕН142.

Линейные стабилизаторы или стабилизаторы напряжения постоянного тока схемы получили наибольшее распространение. Их единственным недостатком считается невозможность работы при напряжении, которое будет ниже заявленного выходного напряжения.

Например, если на выходе LM7805 нужно получить напряжение в 5 вольт, то входное напряжение должно быть, как минимум 6,5 вольт. При подаче на вход менее 6,5В, наступит так называемая просадка напряжения, и на выходе уже не будет заявленных 5-ти вольт. Кроме того, линейные стабилизаторы очень сильно нагреваются под нагрузкой. Это свойство лежит в основе принципа их работы. То есть, напряжение, выше стабилизируемого, преобразуется в тепло. Например, при подаче на вход микросхемы LM7805 напряжения 12В, то в этом случае 7 из них уйдут для нагрева корпуса, и лишь необходимые 5В поступят потребителю. В процессе трансформации происходит настолько сильный нагрев, что данная микросхема просто сгорит при отсутствии охлаждающего радиатора.

Регулируемый стабилизатор напряжения схема

Нередко возникают ситуации, когда напряжение, выдаваемое стабилизатором, необходимо отрегулировать. На рисунке представлена простая схема регулируемого стабилизатора напряжения и тока, позволяющая не только стабилизировать, но и регулировать напряжение. Ее можно легко собрать даже при наличии лишь первоначальных познаний в электронике. Например, входное напряжение составляет 50В, а на выходе получается любое значение, в пределах 27 вольт.

В качестве основной детали стабилизатора используется полевой транзистор IRLZ24/32/44 и другие аналогичные модели. Данные транзисторы оборудуются тремя выводами - стоком, истоком и затвором. Структура каждого из них состоит из металла-диэлектрика (диоксида кремния) - полупроводника. В корпусе расположена микросхема-стабилизатор TL431, с помощью которой и настраивается выходное электрическое напряжение. Сам транзистор может оставаться на радиаторе и соединяться с платой проводниками.

Данная схема может работать с входным напряжением в диапазоне от 6 до 50В. Выходное напряжение получается в пределах от 3 до 27В и может быть отрегулировано с помощью подстрочного резистора. В зависимости от конструкции радиатора, выходной ток достигает 10А. Емкость сглаживающих конденсаторов С1 и С2 составляет 10-22 мкФ, а С3 - 4,7 мкФ. Схема сможет работать и без них, однако качество стабилизации будет снижено. Электролитические конденсаторы на входе и выходе рассчитываются примерно на 50В. Мощность, рассеиваемая таким стабилизатором, не превышает 50 Вт.

Схема симисторного стабилизатора напряжения 220в

Симисторные стабилизаторы работают по аналогии с релейными устройствами. Существенным отличием является наличие узла, переключающего обмотки трансформатора. Вместо реле используются мощные симисторы, работающие под управлением контроллеров.

Управление обмотками с помощью симисторов - бесконтактное, поэтому при переключениях нет характерных щелчков. Для намотки автотрансформатора используется медный провод. Симисторные стабилизаторы могут работать при пониженном напряжении от 90 вольт и высоком - до 300 вольт. Регулировка напряжения осуществляется с точностью до 2%, отчего лампы совершенно не моргают. Однако во время переключений возникает ЭДС самоиндукции, как и в релейных устройствах.

Симисторные ключи обладают повышенной чувствительностью к перегрузкам, в связи с чем они должны иметь запас по мощности. Данный тип стабилизаторов отличается очень сложным температурным режимом. Поэтому установка симисторов осуществляется на радиаторы с принудительным вентиляторным охлаждением. Точно так же работает схема тиристорного стабилизатора напряжения 220В своими руками.

Существуют устройства с повышенной точностью, работающие по двухступенчатой системе. На первой ступени выполняется грубая регулировка выходного напряжения, а на второй ступени этот процесс осуществляется значительно точнее. Таким образом, управление двумя ступенями выполняется с помощью одного контроллера, что фактически означает наличие двух стабилизаторов в едином корпусе. Обе ступени имеют обмотки, намотанные в общем трансформаторе. При наличии 12 ключей, эти две ступени позволяют регулировать выходное напряжение в 36 уровнях, чем и обеспечивается его высокая точность.

Стабилизатор напряжения с защитой по току схема

Данные устройства обеспечивают питание преимущественно для низковольтных устройств. Такой стабилизатор тока и напряжения схема отличается простотой конструкции, доступной элементной базой, возможностью плавных регулировок не только выходного напряжения, но и тока, при котором срабатывает защита.
Основой схемы является параллельный стабилизатор или регулируемый стабилитрон, а также с высокой мощностью. С помощью так называемого измерительного резистора контролируется ток, потребляемый нагрузкой.

Иногда на выходе стабилизатора возникает короткое замыкание или ток нагрузки превышает установленное значение. В этом случае на резисторе R2 падает напряжение, а транзистор VT2 открывается. Происходит и одновременное открытие транзистора VT3, шунтирующего источник опорного напряжения. В результате, значение выходного напряжения снижается практически до нулевого уровня, и регулирующий транзистор оказывается защищенным от перегрузок по току. Для того чтобы установить точный порог срабатывания токовой защиты, применяется подстроечный резистор R3, включаемый параллельно с резистором R2. Красный цвет светодиода LED1 указывает на срабатывание защиты, а зеленый LED2 - на выходное напряжение.

После правильно выполненной сборки схемы мощных стабилизаторов напряжения сразу же включаются в работу, достаточно всего лишь выставить необходимое значение выходного напряжения. После загрузки устройства реостатом выставляется ток, при котором срабатывает защита. Если защита должна срабатывать при меньшем токе, для этого необходимо увеличить номинал резистора R2. Например, при R2 равном 0,1 Ом, минимальный ток срабатывания защиты будет составлять около 8А. Если же нужно, наоборот, увеличить ток нагрузки, следует параллельно включить два и более транзисторов, в эмиттерах которых имеются выравнивающие резисторы.

Схема релейного стабилизатора напряжения 220

С помощью релейного стабилизатора обеспечивается надежная защита приборов и других электронных устройств, для которых стандартный уровень напряжения составляет 220В. Данный стабилизатор напряжения 220В, схема которого всем известна. Пользуется широкой популярностью, благодаря простоте своей конструкции.

Для того чтобы правильно эксплуатировать это устройство, необходимо изучить его устройство и принцип действия. Каждый релейный стабилизатор состоит из автоматического трансформатора и электронной схемы, управляющей его работой. Кроме того, имеется реле, помещенное в надежный корпус. Данный прибор относится к категории вольтодобавочных, то есть с его помощью лишь добавляется ток в случае низкого напряжения.

Добавление необходимого количества вольт осуществляется путем подключения обмотки трансформатора. Обычно для работы используется 4 обмотки. В случае слишком высокого тока в электрической сети, трансформатор автоматически уменьшает напряжение до нужного значения. Конструкция может быть дополнена и другими элементами, например, дисплеем.

Таким образом, релейный стабилизатор напряжения имеет очень простой принцип работы. Ток измеряется электронной схемой, затем, после получения результатов, он сравнивается с выходным током. Полученная разница в напряжении регулируется самостоятельно путем подбора необходимой обмотки. Далее, подключается реле и напряжение выходит на необходимый уровень.

Стабилизатор напряжения и тока на LM2576

Схемотехника стабилизаторов напряжения (СН) постоянного тока весьма разнообразна. Чем лучше характеристики этих устройств, тем, как правило, сложнее их конструкция. Начинающим больше всего подходят несложные в схемотехническом отношении стабилизаторы напряжения. Предлагаемые варианты построены на базе схемы стабилизатора рис.1.

Несмотря на предельную простоту схемы, она весьма надежна в эксплуатации. Такой СН приходилось использовать в самых разнообразных ситуациях. Он имеет ограничение по току нагрузки, что весьма выгодно, так как позволяет обойтись без дополнительных элементов. Максимальный ток в нагрузке определяется сопротивлением резистора R3. При уменьшении сопротивления этого резистора величина тока короткого замыкания (Iк.з) увеличивается и, наоборот, увеличение сопротивления этого резистора приводит к уменьшению Iк.з, а значит, и к уменьшению максимального рабочего тока СН (обычно этот ток находится в пределах (0,5...0,7)1кз). При закорачивании выводов резистора R3 величина тока Iк.з не имеет явного ограничения, поэтому короткое замыкание (КЗ) в нагрузке СН приводит в этом случае к порче транзисторов СН. Этот режим эксплуатации в дальнейшем рассматривать не будем. При выборе тока Iк.з руководствуются областью безопасной работы (ОБР) транзистора VT2. Таким образом, СН, собранный всего на 11 компонентах, вполне можно применять для питания различной аппаратуры при потреблении тока до нескольких ампер. Итак, достоинства СН по рис.1:

1) возможность оперативной регулировки выходного стабилизированного напряжения практически от нулевого до напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2 посредством переменного резистора R2;

2) возможность изменения тока Iк.з (для этого достаточно вместо R3 установить проволочный переменный резистор типа ППЗ сопротивлением 470 Ом);

3)легкость запуска схемы (нет необходимости в специальных элементах запуска, которые так часто нужны в других схемах СН);

4) возможность простыми способами резко улучшить характеристики СН.

Еще одно немаловажное обстоятельство. Поскольку коллектор мощного регулирующего транзистора VT2 соединен с выходом (плюсовой шиной) СН, то можно закрепить этот элемент непосредственно на металлическом корпусе блока питания (БП). Несложно сконструировать и двуполярный СН по этой схеме. При этом нужны отдельные обмотки сетевого трансформатора и выпрямители, зато коллекторы мощных транзисторов обеих плеч СН можно установить на шасси БП. Теперь о недостатках, проявляющихся из-за предельной схемотехнической простоты СН. Главный из них - невысокое значение коэффициента стабилизации напряжения (КСН), который обычно не превышает нескольких десятков. Невысоким является также и коэффициент подавления пульсаций. Определяющее влияние на выходное сопротивление СН оказывает коэффициент передачи тока базы примененных экземпляров транзисторов VT1 и VT2. Кроме того, выходное сопротивление сильно зависит от тока нагрузки. Поэтому в данный СН нужно устанавливать транзисторы с максимальным усилением. Некоторым неудобством является то, что выходное напряжение можно регулировать не от нуля, а приблизительно от 0,6 В. Но в большинстве случаев это несущественно. На рынке имеется выбор мощных БП, которые весьма схемотехнически «наворочены», поэтому дороги и требуют больших затрат времени при ремонте. Схема СН по рис.1 позволяет создавать как маломощные БП, так и простые лабораторные без особых затрат времени и средств даже на их изготовление, не говоря уже о ремонтных операциях. Путем несложных доработок СН по рис.1 удалось значительно улучшить параметры этого устройства. Прежде всего, необходимо модернизировать схему параметрического стабилизатора на­пряжения (элементы R1, VD1, VD2) и в качестве транзистора использовать составной, например, по схеме Дарлингтона. Очень хорошо подходят транзисторы «супербета» типа КТ825 (лучше применять 2Т825). Выходное сопротивление СН для составных транзисторов снижается и не превышает 0,1 Ом (для одиночного транзистора схемы рис.1 выходное сопротивление больше 0,3 Ом в диапазоне токов нагрузки 1...5 А), а при использовании транзистора КТ825 выходное сопротивление можно снизить до 0,02...0,03 Ом в диапазоне токов нагрузки 3...5 А. При установке транзистора типа КТ825 в СН следует в обязательном порядке увеличить сопротивление ограничительного резистора R3. Если этого не сделать, то величина Iк.з будет практически неограниченной, и при КЗ в нагрузке транзистор КТ825 выйдет из строя. При такой модернизации данная схема СН отлично подходит для питания всевозможных УМЗЧ, приемников, магнитофонов, радиостанций и т.п. Если нет в наличии транзистора КТ825, то СН можно выполнить по схеме рис.2.

Ее основное отличие состоит в добавлении одного транзистора КТ816 и в многократном увеличении сопротивления резистора R4. Эту схему можно применять для питания миниэлектродрели при сверлении отверстий в печатных платах. Поэтому используется не весь возможный диапазон регулирования выходного стабилизированного напряжения, а лишь участок в пределах 12... 17 В. В этом интервале обеспечивается оптимальное регулирование мощности на валу двигателя дрели. Резистор R3 устраняет возможность работы транзистора VT1 с отключенной базой при нарушении контакта между движком переменного резистора R2 и его графитовым покрытием. Возможно использование и проволочного резистора R2, такие резисторы более долговечны, чем графитовые. Ток Iк.з для R4 -20 кОм составляет 5 А, для R4 - 10 Ом - 6,3 А, для R4 - 4,7 Ом - 9 А. Если соединить два транзистора КТ8102 параллельно (рис.3), то при R4 " 4,7 кОм Iк.з = 10 А.

Таким образом, включение в схему дополнительного транзистора КГ816 позволило не только улучшить характеристики СН, но и уменьшить токи через элементы VD4, R4 и VT1. Последнее обстоятельство позволяет применить в качестве VT1 транзистор с большим коэффициентом передачи тока, например, КТ3102Д(Е). А это, в свою очередь, улучшит качество работы СН. Так, например, при сопротивлении резистора R3 = 75 Ом СН рис.1 имел ток значение Iк.з 5,5 А, для R3 " 43 Ом 1к.з ~ 7 А и т.д. Как видим, сопротивления резисторов-ограничителей тока 1к.з получаются слишком низкоомными для больших токов нагрузки. При этом имеет место снижение КПД СН и перегрев резистора R3, а также значительный ток через диод VD3 для СН. Дальнейшее улучшение характеристик СН можно получить изменением схемотехники параметрического стабилизатора (элементы R1, VD1, VD2 в схемах рис.1 и 2). Улучшить параметры этого узла можно по схеме рис.4.

На транзисторе VT1 собран генератор стабильного тока (ГСТ). Поскольку транзистор VT1 включен по схеме с общей базой, схема весьма склонна к самовозбуждению на высоких частотах. Самовозбуждению способствует также отсутствие конденсатора, шунтирующего стабилитроны VD3 и VD4. Поэтому в схему рис.4 такой конденсатор введен (С1). Результаты измерений для схемы рис.4 приведены в табл.1

Таблица 1

Uвx, В
20
25
30

Uвых, В
17,56
17,57
17,57

Iст, мА (VD2, VD3)
8,23
9,11
10,03

Ua, В (VD1)
3,18
3,27
3,43

Ict,mA(VD1)
5,56
7,16
8,82

Более совершенная схема показана на рис.5, а результаты измерений для нее приведены в табл.2.

Таблица 2
Uвx, В
20
25
30

Uвых, В
17,56
17,57
17,57

1сг, мА (VD3, VD4)
9,91
10,01
10,01

Ua, В (VD1)
3,4
3,43
3,43

Iст,мА (VD1)
4,6
4,6
4,61

Нетрудно заметить, что улучшение КСН весьма существенно при незначительном усложнении схемы. Недостатком простейших схем ГСТ является невысокий коэффициент стабилизации по току (особенно это касается биполярных вариантов ГСТ). И связано это, в первую очередь, с нестабильностью опорного напряжения, т.е. напряжения стабилизации стабилитрона VD1 (см. рис.4 и 5 в РЭ 9/2001). Ведь при изменении Uвx изменяется и ток через стабилитрон VD1, а это обязательно приводит к изменению напряжения на стабилитроне VD1. Последнее обстоятельство непременно вызывает изменение тока ГСТ и, безусловно, напряжения на выходе ИОН (элементы VD2, VD3 - рис.4 и VD3, VD4 - рис. 5). Это явление передается дальше по схеме, что и вызывает резкое уменьшение КСН стабилизатора. ИОН по схеме рис. 5 состоит уже из двух отдельно взятых ГСТ. Второй из них собран на полевом транзисторе VT2. Этот ГСТ стабилизирует ток через стабилитрон VD1, практически устраняя изменение напряжения на последнем (см. табл. 2). Этим обеспечивается резкое увеличение КСН этого ИОН. Стабилитрон VD2 повышает надежность схемы при увеличении напряжения Uвx. Дополнительно стабилизации тока через стабилитроны Д818Е добивались включением еще одного "полевика" в схему ИОН (рис. 6).

Этот полевой транзистор включен в цепь эмиттера транзистора VT1, что в несколько раз повышает стабильность тока. При токе через стабилитроны Д818Е, равном 10 мА, согласно ТУ, имеем наилучшую термостабильность напряжения ИОН. Имея набор простых схем ИОН, можно очень быстро собирать конструкции БП с очень даже неплохими характеристиками и, самое главное, с высоким соотношением цена/качество. Схема простого лабораторного БП показана на рис. 7.

БП содержит устройство "мягкого* включения в сеть. В этом случае мы обязательно выигрываем в сроке службы дорогостоящих элементов БП (сетевой трансформатор, фильтрующий конденсатор и диоды выпрямителя, последние, хоть и дешевой ценовой категории, но их "вылет* повлечет за собой вероятность отказов и других радиокомпонентов). При подключении БП к сети сетевой трансформатор Т1 оказывается включенным через сопротивление мощного резистора R2. Это многократно уменьшает броски тока через элементы Т1, СЗ, VD1 - VD4. Через несколько секунд срабатывает реле К1 и своими контактами К1.1 замыкает резистор R2. Теперь БП уже полностью подготовлен к эксплуатации. Схема "мягкого" запуска собрана на элементах: R1, R2, VD5-VD8, VD9, С2 и К1. Время задержки подключения Т1 к сети определяется величиной емкости электролитического конденсатора С2 и сопротивле­нием обмотки реле К1 постоянному току. С увеличением емкости и сопротивления указанных элементов, задержка по времени возрастает. Резистор R1 является надежным ограничителем тока через конденсатор С1 и диодный мостик VD5-VD8. Стабилитрон предохраняет конденсатор С2 и реле К1 от экстренного повышения напряжения на этих элементах (при обрыве обмотки реле К1, например, без стабилитрона, конденсатору С2 явно будет угрожать отказ из-за резкого возрастания напряжения на его выводах). Все остальные узлы СН уже описаны выше, поэтому в комментариях не нуждаются. О деталях. В данном БП и в других анало­гичных конструкциях я использовал транзисторы КТ8102 с явно сниженным значением максимального напряжения коллектор-эмиттер Uкэ). Величину Uкэmах, измерял специально разработанным для этих целей измерителем . Отбирал транзисторы КТ8102 для УМЗЧ, но, к сожалению, среди приобретенных транзисторов больше всего было экземпляров со сниженным Uкэmах. Вот эти то "горе”- транзисторы и устанавливались в БП. В схеме этого БП можно применять мощные транзисторы с Uкэ-тах>35 В (минимальный запас всегда должен быть). Вместо транзистора КТ816 можно установить КТ814. Транзистор типа КТ801 можно заменить любым кремниевым транзистором с Uкэ30 В и Ik>0,1 А. Транзистор VT2 – КТЗ107 с любым буквенным индексом или КТ361 (Б, Т, Е). Полевой транзистор типа 2П303Д (КП303Д) можно заменить любым из этой серии (В, Г, Д, Е,И) с начальным током стока (Iснач) 3мА. Если решено обойтись без полевых транзисторов, то лучше воспользоваться ИОН по схеме рис. 8.

О налаживании. Без ошибок собранная конструкция БП из исправных радиокомпонентов функционирует фазу же после вклю­чения в сеть. Необходимо лишь подобрать требуемые сопротивления резисторов R3 и R9. Первый из них определяет ток ГСТ. Необходимо установить ток через стабилитроны VD12 и VD13, ровный 10 мА Резистором R9 устанавливают ток Iк.з. в пределах 5-10 А. Некоторые экземпляры КТ8102 очень склонны к самовозбуждению (особенно при “размашистом” монтаже). Наличие генерации обнаруживают подключением осциллографа к выходу СН. При этом конденсаторы С6 и С7 временно отпаивают от СН. Исправная схема СН не возбуждается и без них, но, если генерация на ВЧ имеет место, то без этих элементов его легче обнаружить. В цепь базы генерирующего транзистора (это, как правило, один из транзисторов VT3-VT5) включают низкоомный резистор сопротивлением 5-10 Ом, а еще лучше - дроссель индуктивностью более 60 мкГц. Чрезмерное сопротивление в цепи ба­зы ухудшит характеристики СН (Rвыx возрастет). Печатная плата для данного БП приведена на рис. 9, со стороны печатных проводников - на рис 10.

В плате предусмотрены две технологические перемычки, предназначенные специально для измерения тока через транзисторы VT1 и VT2 (разрезать печатные проводники не понадобиться). Печатная плата схемы “мягкого” включения показана на рис 11 и 12. Реле расположено вне платы. Чтобы из-за монтажа не повысилось Rвыx, провод, ведущий к клемме "минус” выхода СН, припаивают непосредственно к минусовой обкладке конденсатора С3. К схеме СН этот вывод С3 припаян отдельным проводником. При выборе емкости этого конденсатора руководствуются правилом: 1000-2000 мкФ на каждый ампер нагрузочного тока. Конденсаторы С6 и С7 припаяны непосредственно к контактным лепестком выходных зажимов БП. О возможности модернизации СН. Первое и самое главное: для улучшения характеристик СН необходимо раздельное питание для ИОН и СН. При этом используют отдельную обмотку (или трансформатор) со своими выпрямителями. Это позволяет не только повысить КСН ИОН и всей схемы СН, но и уменьшить количество витков обмотки II мощного выпрямителя, так как выходное напряжение 16,7 В СН достигается при напряжении II обмотки трансформатора Т1 17,5 В. Этим разгружают по мощности регулирующие транзисторы VT3-VT5. При длительной эксплуатации СН с током в нагрузке 5 А применяют также и принудительное охлаждение (обдув малогабаритным вентилятором), особенно, если теплоотводы размещены внутри перфорированного корпуса БП. Можно использовать отводы обмотки II с переключением и "привязкой" к резистору R4, но, как показывает практика, это очень неудобно при эксплуатации БП. Кстати, полевые транзисторы в схемах ГСТ можно включать параллельно для получения требуемого тока ГСТ, чтобы не утруждать себя подбором этих проводов. Очень хорошие результаты получаются при использовании схемы ИОН рис. 8, в котором резисторы R1 и R4 заменили на ГСТ рис 6 (эмиттерный ГСТ - VT3). При этом стабилитроны VD1 (КС133А, рис. 8) заменяют на Д818Е, а Uвx повышают до 35 В и более. На вход этого ИОН подают стабилизированное напряжение с простейшей схемы параметрического стабилизатора напряжения (типовая структура - транзистор - стабилитроны - резистор - два конденсатора). Десятки СН, описанных выше, находятся в эксплуатации уже многие годы, доказав этим свою надежность при питании самых разнообразных РЭС.

Электрик №9 2001г стр. 6