Меню

Транзисторный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки



Транзисторные стабилизаторы напряжения

Транзисторные стабилизаторы напряжения, имеющие значи­тельные преимущества перед параметрическими стабилизаторами напряжения, наиболее широко распространены. Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения. Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рисунок 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УПТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два класса: параллельного и после­довательного типа.

Рисунок 5.10 – Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного (а) и последовательного (б) типов

Изменения входного напряжения или тока нагрузки в ком­пенсационных стабилизаторах вызывают отклонения выходного напряжения от номинального. Эти изменения сравниваются с опорным напряжением и через усилитель постоянного тока УПТ подаются на регулирующий элемент РЭ и изменяют его соп­ротивление. В компенсационных стабилизаторах напряжения па­раллельного типа (см. рисунок 5.10, а) это вызовет изменение тока, протекающего через резистор R, и падение напряжения на нем. В компенсационных стабилизаторах напряжения последовательно­го типа (см. рисунок5.10, б) изменится падение напряжения непосредст­венно на самом регулирующем элементе РЭ. В обоих случаях действие РЭ будет сводиться к поддержанию выходного напря­жения в заданных пределах, т.е. к его стабилизации.

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий к. п. д., экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации.

В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б) регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой Rн в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R и стабилитрон VD1 образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения Uст. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора Uн = UСТ — U. Так как напряжение U транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения UЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при Rн = const) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора Uн, что приводит к увеличению токов I, протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон Iст и резистор R. Падение напряжения на R возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1(UЭК), адекватное изменению входного напряжения. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению. Уменьшение входного напряжения первоначально приведет к снижению вы­ходного напряжения, что в свою очередь снижает ток в парал­лельной ветви (VD1, R). Воздействие на транзистор будет таким, что снизится падение напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1, что увеличит выходное напряжение до исходного значения.

Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора.

Напряжение на выходе при этом останется в заданных пределах, т.е. оно стабилизируется.

С изменением тока нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется ток базы регулирующего транзистора , где В — статический коэффициент усиления тока базы.

Рисунок 5.11 – Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами p-n-p (a), n-p-n (б) структурами

Так как потенциал базы транзистора VT1практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе R также постоян­но, не изменится при этом и ток I. Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1 на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будет изменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VТ1 становится меньшим, при малом токе нагрузки — большим. В обоих случаях падение напря­жения на участке эмиттер-коллектор транзистора останется почти неизменным. Следовательно, напряжение на выходе стабилизатора будет оставаться в заданных пределах.

Токи и напряжения в рассматриваемых схемах транзисторных стабилизаторов напряжения в установившемся режиме связаны следующими соотношениями:

Входное напряжение Uвх = UН + UЭК на элементах параллельной ветви распределится таким образом:

Максимальный ток нагрузки транзисторного стабилизатора

Из приведенного равенства очевидно, что максимально допус­тимый ток транзисторного стабилизатора в В раз больше мак­симально допустимого тока стабилитрона. Он зависит от коэф­фициента усиления транзистора и ограничивается его максимально допустимой мощностью рассеяния Ряоп:

К основным параметрам стабилизаторов последовательного типа относятся:

где h11э входное сопротивление для схемы с общим эмиттером;

h21э— коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером;

коэффицент полезного действия .

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.

Читайте также:  Чем защитить телевизор от скачков напряжения

Для улучшения электрических характеристик схемы компенса­ционного стабилизатора напряжения последовательного типа в цепь обратной связи вводят усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторе VТ2 (рисунок 5.12, а). В эмиттерную цепь VT2 включен стабилитрон VD1 (источник опорного напряжения). Резистором R2 задается ток VD1. В базовую цепь VТ2 включен делитель напряжения R3R4. Резистор R1, включенный в коллектор­ную цепь VТ2, является нагрузкой усилителя постоянного тока. Делитель RЗR4 и резистор R2 со стабилитроном VD1 образуют измерительный мост, в одну из диагоналей которого включен резистор Rн, а в другую — участок эмиттер-база транзистора VТ2. При воздействии дестабилизирующих факторов и изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется ток, протекаю­щий через делитель R3R4. Изменяется падение напряжения на резисторе R4. Это напряжение, являющееся частью выходного, подводится к базе транзистора VT2и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1. Разностный сигнал усиливается транзистором VТ2.

Напряжение с коллекторной нагрузки усилителя постоянного тока (резистор R1) поступает на базу регулирующего транзистора VT1и вызывает изменение падения напряжения на нем (участок эмиттер — коллектор).

Таким образом, изменения входного напряжения будут ском­пенсированы на регулирующем транзисторе.

Коэффициент стабилизации этой схемы

коэффициент деления делителя;

h11 — входное сопротивление;

β2-коэффициент усиления по току.

Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)

Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением rД. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение Кст возможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

При больших токах нагрузки стабилизатора, когда необходимо использование мощного регулирующего транзистора, ток базы его может значительно (иногда в несколько раз) превышать ток коллектора транзистора усилителя постоянного тока. Для сог­ласования их по допустимым токам в качестве регулирующего элемента применяют так называемый составной транзистор с включением двух и более транзисторов. В схеме такого компен­сационного стабилизатора напряжения (рисунок 5.12, б) транзистор VТЗ является согласующим между усилителем постоянного тока и регулирующим элементом (согласует коллекторный ток транзис­тора VТ2 и базовый ток транзистора VT1). Резистором R5 подбирают режимы работы транзистора VT3. В остальном эта схема аналогична схеме (см. рисунок 5.12, а). Параметры схемы (коэффициент стабилизации и выходное сопротивление) опреде­ляются по тем же соотношениям. Необходимо только вместо коэффициента усиления по току регулирующего транзистора (β1) подставлять значение общего коэффициента усиления составного транзистора из двух транзисторов VТ1 и VТЗ, равного их произ­ведению .

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R1 и R2. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки

Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки, описываемый здесь, тринистор VS1 используется как в электронной, так и в электромагнитной системе защиты. Узел электронной защиты срабатывает, когда ток нагрузки создает на резисторе R4 падение напряжения, достаточное для открывания тринистора, т. е. когда разность напряжений между управляющим электродом и катодом тринистора достигает приблизительно 1 В. Возникающий при этом отрицательный импульс напряжения через диод VD3 поступает на базу транзистора VT1 и практически закрывает его, а следовательно, и транзистор VT2. Одновременно диод VD3 защищает транзистор VT1 от попадания на его базу положительного напряжения из анодной цепи тринистора.

Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки

Однако электронная система защиты все же не предохраняет полностью транзистор VT2 от теплового пробоя остаточным током, особенно если транзистор уже был разогрет в процессе работы или продолжительное время не нажимали кнопку SB1.

Для предотвращения теплового пробоя транзистора VT2 и служит электромагнитная система защиты, срабатывающая через несколько миллисекунд (зависит от используемого электромагнитного реле К.1) после того, как тринистор VS1 откроется. Именно в этот момент сработает реле К1. Его контакты К 1.1 замкнут (через резистор R5) базу транзистора VT2 на минусовый проводник источника питания, а контакты К 1.2 включат светодиод HL1 — сигнализатор действия защиты.

Читайте также:  Какими приборами измеряют действующее значение напряжения

После устранения причины перегрузки (или замыкания в цепях нагрузки) достаточно кратковременно нажать кнопку SB1, чтобы восстановить прежний режим работы блока питания, не отключая устройство от сети. На вход стабилизатора падают от выпрямителя постоянное напряжение 40…44 В. Выходное стабилизированное напряжение от 0,2 до 28 В устанавливают резистором R2 и контролируют вольтметром PU1. Максимальный ток нагрузки — 2 А. Детали стабилизатора смонтированы на плате из фольгированного стеклотекстолита представленный на рисунке. Регулирующий транзистор VT2 установлен на теплоотводе — задней стенке прибора.

Печатная плата стабилизатора

Транзистор КТ608 (с буквенным индексом А или Б) можно заменить на КТ815 (Б, В, Г), КТ817 (В, Г), КТ801 (А, Б), а КТ803А — на КТ802А, КТ805 (А, Б), КТ808А, КТ819 (В, Г). Тринистор КУ202К заменим на КУ201В —КУ201Л, КУ202В—КУ202Н; стабилитрон Д816Б — на Д816В или КС533А (можно включить последовательно два стабилитрона Д815, Д816 на суммарное напряжение стабилизации28…36 В). Вместо диода Д220А (VD2) подойдут Д219, Д220, Д223, КД102, КД103 с любыми буквенными индексами, а вместо диода КД105Б (VD3) — КД106А или любой другой кремниевый с прямым током до 300 мА и обратным напряжением не менее 50 В.

Переменный резистор R2 (6,8… 15 кОм) любого типа с характеристикой А. Реле К1 — РЭС9 (паспорт РС4.524.200) или другое с двумя группами контактов на переключение, срабатывающие при напряжении не более 30 В.

Резистор R4 — несколько витков константанового, нихромового или манганинового провода, намотанного на корпус резистора МЛТ-1. Его сопротивление определяется значением тока выбранного предела срабатывания, что, в свою очередь, зависит от напряжения на управляющем электроде установленного тринистора, при котором этот ключ стабилизатора открывается. Так, например, если за максимальный ток срабатывания системы принять 2 А, а тринистор открывается при напряжении на управляющем электроде около 1 В, сопротивление резистора R4 должно быть (по закону Ома) близко к 0,5 Ома.

Более точно сопротивление резистора подгоняют под выбранный предел срабатывания защиты в таком порядке. К выходу стабилизатора подключают соединенные последовательно амперметр и проволочный переменный резистор сопротивлением 25…30 Ом. На вход стабилизатора подают соответствующее напряжение от выпрямителя и резистором R2 устанавливают на выходе напряжение 10…15 В. Затем переменным резистором, выполняющим функцию эквивалента нагрузки, устанавливают по амперметру ток, равный 2 А, и подбором сопротивления резистора R4 добиваются срабатывания системы защиты.

Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки в радиолюбительской практике нередки обстоятельства, когда защищать приходится не только сам стабилизатор напряжения, но и активные элементы налаживаемого или питающегося от него устройства от перегрузки токами меньшего значения, например, 50 или 100 мА. На такие случаи в стабилизатор можно ввести ступенчатую систему защиты, выполненную, например, по схеме, приведенной на рисунке.

Ступенчатая защита

Здесь резистор R4.1 первой ступени, рассчитанный на ток защиты 50 мА, включен в стабилизатор постоянно, а параллельно ему переключателем SA1 подключают резисторы R4.2—R4.5 четырех других ступеней: 100 мА, 500 мА, 1 А и 2 А.

Указанные в стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки сопротивления резисторов ориентировочные. Точнее рассчитать их можно, лишь зная напряжение открывания тринистора, работающего в стабилизаторе. Измерить это напряжение можно так. Движок переменного резистора R2 установите в крайнее нижнее (по схеме) положение и подключите к нему проводник управляющего электрода тринистора, предварительно отпаяв его от правого (по схеме) вывода резистора R4.1. Затем включите питание и медленно увеличивайте резистором R2 напряжение на управляющем электроде тринистора. В момент открывания тринистора, о чем просигнализирует светодиод, измерьте вольтметром это напряжение. Резисторы R4.2—R4.5 монтируйте непосредственно на контактах переключателя SA1.

Источник

Стабилизатор напряжения на транзисторе

Радиоэлектронные устройства для нормальной работы требуют питания стабилизированным напряжением. Подходы к стабилизации различаются в зависимости от предъявляемых требований, потребляемой мощности нагрузки.

Стабилизатор переменного напряжения

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

  • Параметрические;
  • Компенсационные;
  • Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

Читайте также:  При нервном напряжении болят ноги

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Простейшая конструкция содержит всего два элемента:

  • Стабилизирующий диод – стабилитрон;
  • Токоограничительный резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если дополнить конструкцию со стабилитроном эмиттерным повторителем, получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитроне с лучшими параметрами в отношении тока нагрузки.

В данной схеме напряжение на нагрузке определяется разностью между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.

Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Вst раз, где Вst – статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно еще больше увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема Дарлингтона

Схема параметрического стабилизатора напряжения на транзисторе обладает недостатками. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации конструкции в целом. Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума вызывает повышение выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0.6 Вольт, поскольку ток базы становится равным нулю).

Принципы расчета характеристик

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

  • Напряжение питания;
  • Ток нагрузки;
  • Выходное напряжение.

Порядок расчета:

  1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
  2. Выбирается ключевой элемент по критериям:
  • Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
  • Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
  • Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение эталонного (опорного) потенциала с выходным. Разница через контур отрицательной обратной связи поступает на базу ключевого транзистора, управляя величиной его открытия.

Точность стабилизации зависит от точности формирования опорного напряжения. Так как устройство сравнения потребляет малый ток, то опорный потенциал можно сформировать при помощи параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Компенсационная схема

Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя источник тока вместо токоограничительного резистора. В качестве такого источника наиболее удобно применять полевой транзистор. Компенсационные устройства обладают хорошими характеристиками, поэтому большинство производителей элементной базы выпускает готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимумом элементов.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Схема на двух транзисторах

Используя два транзистора, можно собрать схему компенсационного стабилизатора, в котором один из триодов является ключевым, а второй служит для управления обратной связью. Такая конструкция легко позволяет регулировать величину выхода. Правильный стабилизатор также должен предусматривать защиту от перегрузки.

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Видео

Источник