4.4. Стабилизаторы постоянного напряжения и тока
Для питания низковольтных устройств широко используются полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения. Стабилизаторы делятся на два основных класса: параллельного и последовательного типов. Наибольшее распространение получили стабилизаторы последовательного типа.
К основным параметрам стабилизаторов напряжения относятся: выходное сопротивление, коэффициент стабилизации, коэффициент полезного действия стабилизатора.
Выходное сопротивление стабилизатора напряжения равно отношению изменения выходного напряжения к соответствующему изменению тока нагрузки.
Коэффициент стабилизации равен отношению относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного напряжения:
Коэффициент полезного действия – это отношение номинальной мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.
На рисунке 4.18 приведена схема
параметрического стабилизатора постоянного напряжения. Рассмотрим случай
идеального стабилитрона. Рабочая ветвь вольтамперной характеристики идеального
стабилитрона может быть представлена в виде двух отрезков прямых.
Дифференциальное сопротивление такого стабилитрона равно бесконечности при
напряжениях меньших напряжения стабилизации и равно нулю при напряжении равном
напряжению стабилизации. На рисунке 4.19а показана зависимость выходного
напряжения параметрического стабилизатора напряжения с идеальным стабилитроном
от напряжения, подаваемого на вход стабилизатора. На рисунке 4.19б
показана зависимость выходного напряжения этого же стабилизатора от силы тока
нагрузки. Пунктиром показана зависимость выходного напряжения этого
стабилизатора от тока нагрузки при отключенном стабилитроне.
На рисунке 4.20 приведена схема
компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. Рассмотрим принцип работы
этого стабилизатора напряжения как системы автоматического регулирования. Учтем,
что при входных напряжениях, которые больше напряжения стабилизации стабилитрона
VD1,
напряжение на стабилитроне не зависит от входного напряжения. Нестабильность
выходного напряжения может быть обусловлена как изменением сопротивления
нагрузки, так и изменением входного напряжения.
Предположим, что сопротивление нагрузки не изменяется, а входное напряжение увеличивается (уменьшается). Если бы никаких изменений с транзистором VT1 не происходило, то напряжение на нагрузке Rн увеличилось (уменьшилось) бы. Напряжение на стабилитроне равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора и напряжения на нагрузке. При увеличении напряжения на нагрузке напряжение база-эмиттер транзистора уменьшается. В результате ток коллектора транзистора уменьшается и напряжение на нагрузке уменьшается, стремясь к своему первоначальному значению (никогда его не достигая).
Теперь рассмотрим случай, когда входное
напряжение неизменно, а изменяется сопротивление нагрузки. Пусть сопротивление
нагрузки уменьшается. Если бы при этом не
происходило никаких изменений с транзистором, то напряжение на нагрузке
уменьшилось бы. Уменьшение напряжения на нагрузке при неизменном напряжении на
стабилитроне приведет к увеличению напряжения база-эмиттер транзистора
VT1,
в результате чего увеличится ток коллектора и напряжение на нагрузке тоже будет
увеличиваться. Своего первоначального значения напряжение на нагрузке, конечно,
не достигнет.
На рисунке 4.21 приведена схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения, в котором имеется возможность плавно регулировать величину выходного напряжения. Однако в таком стабилизаторе напряжения выходное напряжения будет изменяться при изменении сопротивления нагрузки. Это обусловлено тем, что при изменении сопротивления нагрузки изменяется сила тока, протекающего через верхнюю часть переменного резистора R2. Существенно уменьшить влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение позволяет стабилизатор, собранный по схеме рисунка 4.22.
Стабилизатор, собранный по схеме рисунка
4.23, имеет электронный предохранитель, ток срабатывания которого
регулируется резистором R2.
После устранения короткого замыкания в нагрузке, или перегрузки по току
предохранитель возвращают в рабочее состояние с помощью кнопки
Sb1.
Светодиод HL1
является индикатором срабатывания предохранителя. Если ток нагрузки превысит
номинальный ток срабатывания предохранителя, то начнет увеличиваться напряжение
между коллектором и эмиттером транзистора
VT2.
Транзистор VT1
начнет открываться, закрывая транзистор
VT2.
Транзисторы VT1,
VT2
будут переходить из одного состояния в другое лавинообразно, подгоняя друг
друга. При срабатывании электронного предохранителя ток короткого замыкания в
нагрузке очень мал, так как он протекает через резисторы
R5,
R8,
а транзистор
VT2
закрыт. Наличие конденсатора С1 позволяет нажимать кнопку
Sb1
даже при коротком замыкании в нагрузке. Резистор
R1
обеспечивает разрядку конденсатора
C1.
При отсутствии электронного предохранителя и коротком замыкании в нагрузке очень
велика вероятность выхода из строя транзисторов
VT3,
VT4.
Имеется достаточно широкий ассортимент
микросхемных стабилизаторов напряжения. На рисунке 4.24а приведена схема
стабилизатора напряжения на микросхем
е КР142ЕН12А. Микросхемы КР142ЕН12А и
КР142ЕН12Б представляют собой регулируемые стабилизаторы напряжения
компенсационного типа с защитой от короткого замыкания. Масса микросхемы не
более 2,5г. Вид микросхемы показан на рисунке 4.24б. Внешний делитель
напряжения на резисторах R1,
R2
позволяет регулировать выходное напряжение от 1,3 до 37В. Максимально допустимое
входное напряжение 45В, выходное напряжение 37В, ток нагрузки 1А. Максимальная
мощность, рассеиваемая микросхемой без теплоотвода, при температуре окружающей
среды от -10°С до +40°С равна 1Вт. Мощность, рассеиваемая микросхемой с
теплоотводом, не должна превышать 10 Вт. Микросхема имеет защиту от перегрузки
по выходному току.
На рисунке 4.25 показана схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе, а на рисунке 4.26 – на полевом транзисторе. Резистор R3 и стабилитрон VD1 образуют параметрический стабилизатор постоянного напряжения.
Рассмотрим принцип работы стабилизатора тока. К нестабильности тока через нагрузку может приводить как изменение сопротивления нагрузки, так и изменение входного напряжения. Предположим, что сопротивление нагрузки остается неизменным, а увеличивается входное напряжение. Если бы никаких изменений не происходило с транзистором, то ток через Rн увеличился бы. В результате этого увеличится ток, протекающий через резисторы R1, R2, а, следовательно, и напряжение на этих резисторах. Напряжение на стабилитроне равно сумме напряжений на резисторах R1, R2 и на переходе база-эмиттер транзистора (переход база-эмиттер транзистора включен в прямом направлении). Напряжение на стабилитроне при изменении входного напряжения остается практически неизменным, значит, напряжение на переходе база-эмиттер транзистора уменьшится и увеличится сопротивление между выводами эмиттер-коллектор транзистора. Ток, протекающий через коллектор-эмиттер транзистора и резистор нагрузки, будет уменьшаться, стремясь к своему первоначальному значению. Таким образом, будет обеспечиваться стабилизация тока.
Пусть теперь остается неизменным входное напряжение, а
увеличивается сопротивление нагрузки. Если бы никаких изменений в этом случае
не происходило с транзистором, то ток нагрузки уменьшился бы. При уменьшении
тока нагрузки уменьшится ток, протекающий через резисторы
R1,
R2 и напряжение
на этих резисторах уменьшится. В результате увеличится напряжение между базой и
эмиттером транзистора и ток коллектора транзистора увеличится. Ток нагрузки
будет стремиться к своему первоначальному значению, никогда его не достигая. Для
увеличения стабильности тока в качестве транзистора
VT1 используют составной транзистор.
Очень простыми получаются стабилизаторы постоянного тока с использованием полевых транзисторов (рис. 4.26). Ток нагрузки протекает через резистор R1. Ток, протекающий в цепи: плюс источника, сток-затвор полевого транзистора, резистор Rн, минус источника питания, очень мал, так как переход сток – затвор транзистора смещен в обратном направлении. Напряжение на резисторе R1 имеет полярность плюс слева, минус справа. Потенциал затвора равен потенциалу правого вывода резистора R1, следовательно, потенциал затвора относительно истока будет отрицательным. При уменьшении сопротивления нагрузки ток через резистор R1 стремится увеличиться, в результате чего потенциал затвора относительно истока становится более отрицательным и транзистор закрывается в большей степени. При большем закрытии транзистора VT1 ток через нагрузку уменьшается, стремясь к своему первоначальному значению.
