Схемы регулятора напряжения на транзисторе и стабилитроне

В этой статье мы подробно обсудим, как сделать индивидуальные схемы транзисторных стабилизаторов напряжения в фиксированных режимах, а также в переменных режимах.

Все цепи линейного питания, которые предназначены для обеспечения стабилизированного, постоянное напряжение а токовый выход состоит из транзисторных и стабилитронных каскадов для получения требуемых регулируемых выходов.

Эти схемы, использующие дискретные части, могут быть в виде постоянно фиксированного или постоянного напряжения или стабилизированного регулируемого выходного напряжения.

Простейший регулятор напряжения

Вероятно, самым простым типом стабилизатора напряжения является стабилитрон шунтирующего стабилизатора, который работает с использованием базового стабилитрона для регулирования, как показано на рисунке ниже.

Стабилитроны имеют номинальное напряжение, эквивалентное предполагаемому выходному напряжению, которое может точно соответствовать желаемому выходному значению.

Пока напряжение питания ниже номинального значения напряжения стабилитрона, он показывает максимальное сопротивление в диапазоне многих МОм, позволяя питанию проходить без ограничений.

Однако в тот момент, когда напряжение питания превышает номинальное значение «напряжения стабилитрона», происходит значительное падение его сопротивления, в результате чего перенапряжение шунтируется на землю через него, пока напряжение питания не упадет или не достигнет уровня напряжения стабилитрона.

Из-за этого внезапного шунтирования напряжение питания падает и достигает значения стабилитрона, что вызывает повторное увеличение сопротивления стабилитрона. Затем цикл быстро продолжается, гарантируя, что подача стабилизируется на номинальном значении стабилитрона и никогда не может превышать это значение.

Чтобы получить указанную выше стабилизацию, входное напряжение должно быть немного выше, чем требуемое стабилизированное выходное напряжение.

Избыточное напряжение выше значения стабилитрона вызывает срабатывание внутренних «лавинных» характеристик стабилитрона, вызывая мгновенный эффект шунтирования и падение напряжения питания до тех пор, пока оно не достигнет номинального значения стабилитрона.

Это действие продолжается бесконечно, обеспечивая фиксированное стабилизированное выходное напряжение, эквивалентное номинальному значению стабилитрона.

Преимущества стабилитрона напряжения

Стабилитроны очень удобны там, где требуется низкий ток и постоянное регулирование напряжения.

Стабилитроны легко настраиваются и могут использоваться для получения достаточно точного стабилизированного выходного сигнала при любых обстоятельствах.

Для настройки каскада стабилизатора напряжения на основе стабилитрона требуется только один резистор, и его можно быстро добавить в любую схему для достижения желаемых результатов.

Недостатки стабилизаторов на стабилитронах

Хотя стабилизированный стабилитроном источник питания представляет собой быстрый, простой и эффективный метод достижения стабилизированного выхода, он имеет несколько серьезных недостатков.

• Выходной ток низкий, что может поддерживать высокие токовые нагрузки на выходе.
• Стабилизация возможна только при малых перепадах входа / выхода. Это означает, что входное напряжение не может быть слишком высоким, чем требуемое выходное напряжение. В противном случае сопротивление нагрузки может рассеять огромное количество энергии, что сделает систему очень неэффективной.
• Работа стабилитрона обычно связана с генерацией шума, который может критически повлиять на работу чувствительных схем, таких как конструкции усилителей Hi-Fi, и других подобных уязвимых приложений.

Использование 'усиленного стабилитрона'

Это усиленная версия стабилитрона, в которой используется BJT для создания переменного стабилитрона с улучшенными возможностями управления мощностью.

Давайте представим, что R1 и R2 имеют одинаковое значение., Что создаст достаточный уровень смещения для базы BJT и позволит BJT работать оптимально. Поскольку минимальное требование к прямому напряжению базового эмиттера составляет 0,7 В, BJT будет проводить и шунтировать любое значение, превышающее 0,7 В или самое большее 1 В, в зависимости от конкретных характеристик используемого BJT.

Таким образом, выход стабилизируется примерно на уровне 1 В. Выходная мощность этого «усиленного переменного стабилитрона» будет зависеть от номинальной мощности BJT и величины нагрузочного резистора.

Однако это значение можно легко изменить или отрегулировать до другого желаемого уровня, просто изменив значение R2. Или проще, заменив R2 горшком. Диапазон потенциалов потенциометра R1 и R2 может составлять от 1 кОм до 47 кОм, чтобы получить плавно регулируемый выходной сигнал от 1 В до уровня питания (максимум 24 В). Для большей точности вы можете применить следующую формулу делителя напряжения:

Выходное напряжение = 0,65 (R1 + R2) / R2

Недостаток стабилитрона

Еще раз, недостатком этой конструкции является высокое рассеивание, которое увеличивается пропорционально увеличению входной и выходной разности.

Чтобы правильно установить номинал нагрузочного резистора в зависимости от выходного тока и входного питания, можно соответствующим образом применить следующие данные.

Предположим, что требуемое выходное напряжение составляет 5 В, требуемый ток - 20 мА, а вход питания - 12 В. Тогда, используя закон Ома, мы имеем:

Нагрузочный резистор = (12-5) / 0,02 = 350 Ом

мощность = (12-5) x 0,02 = 0,14 Вт или просто 1/4 Вт.

Схема последовательного транзисторного регулятора

По сути, последовательный стабилизатор, который также называется последовательным транзистором, представляет собой переменное сопротивление, создаваемое с помощью транзистора, подключенного последовательно с одной из линий питания и нагрузкой.

Сопротивление транзистора току автоматически регулируется в зависимости от выходной нагрузки, так что выходное напряжение остается постоянным на желаемом уровне.

В цепи последовательного регулятора входной ток должен быть немного больше, чем выходной ток. Эта небольшая разница - единственная величина тока, используемая схемой регулятора самостоятельно.

Преимущества регулятора серии

Основным преимуществом схемы последовательного регулятора по сравнению с регулятором шунтового типа является ее более высокая эффективность.

Это приводит к минимальному рассеянию мощности и потерям из-за тепла. Из-за этого большого преимущества последовательные транзисторные регуляторы очень популярны в приложениях для регуляторов напряжения большой мощности.

Однако этого можно избежать там, где требования к мощности очень низкие или где эффективность и тепловыделение не являются критическими проблемами.

По сути, последовательный стабилизатор может просто включать стабилитрон, нагружающий буферную схему эмиттерного повторителя, как указано выше.

Вы можете найти единичное усиление напряжения всякий раз, когда используется каскад эмиттерного повторителя. Это означает, что когда к его базе применяется стабилизированный вход, мы обычно также получаем стабилизированный выход и от эмиттера.

Поскольку мы можем получить более высокий коэффициент усиления по току от эмиттерного повторителя, можно ожидать, что выходной ток будет намного выше по сравнению с применяемым базовым током.

Следовательно, даже если базовый ток составляет около 1 или 2 мА в каскаде стабилитрона, который также становится потребляемым током покоя конструкции, выходной ток 100 мА может быть доступен на выходе.

Входной ток складывается с выходным током вместе с 1 или 2 мА, используемыми стабилитроном, и по этой причине достигаемый КПД достигает выдающегося уровня.

Учитывая, что входной источник питания схемы достаточно рассчитан для достижения ожидаемого выходного напряжения, выход может практически не зависеть от уровня входного питания, поскольку он напрямую регулируется базовым потенциалом Tr1.

Стабилитрон и развязывающий конденсатор вырабатывают идеально чистое напряжение на базе транзистора, которое воспроизводится на выходе, создавая напряжение практически без шума.

Это позволяет схемам этого типа выдавать выходные сигналы с удивительно низкой пульсацией и шумом без использования огромных сглаживающих конденсаторов, а также с диапазоном тока, который может достигать 1 А или даже больше.

Что касается уровня выходного напряжения, он может не точно совпадать с подключенным напряжением стабилитрона. Это связано с тем, что между выводами базы и эмиттера транзистора существует падение напряжения примерно 0,65 В.

Следовательно, это падение необходимо вычесть из значения напряжения стабилитрона, чтобы можно было достичь минимального выходного напряжения схемы.

Это означает, что если значение стабилитрона составляет 12,7 В, то выход на эмиттере транзистора может быть около 12 В или, наоборот, если желаемое выходное напряжение составляет 12 В, то напряжение стабилитрона должно быть выбрано равным 12,7 В.

Регулирование этой схемы последовательного регулятора никогда не будет идентично регулированию схемы стабилитрона, потому что эмиттерный повторитель просто не может иметь нулевое выходное сопротивление.

И падение напряжения на ступени должно незначительно возрастать в ответ на увеличение выходного тока.

С другой стороны, хорошего регулирования можно ожидать, когда ток стабилитрона, умноженный на коэффициент усиления по току транзистора, достигает как минимум 100-кратного ожидаемого максимального выходного тока.

Сильноточный последовательный стабилизатор на транзисторах Дарлингтона

Чтобы точно достичь этого, это часто подразумевает использование нескольких транзисторов, может быть 2 или 3, чтобы мы могли достичь удовлетворительного усиления на выходе.

Принципиальная двухтранзисторная схема, использующая эмиттер-повторитель Пара Дарлингтона, обозначенная на следующих рисунках, демонстрирует технику применения 3 BJT в Дарлингтонской конфигурации эмиттерного повторителя.

Обратите внимание, что включение пары транзисторов приводит к более высокому падению напряжения на выходе, примерно 1,3 В, через базу 1-го транзистора к выходу.

Это связано с тем, что на каждом из транзисторов сбривается примерно 0,65 Вольт. Если рассматривать схему из трех транзисторов, это может означать падение напряжения чуть ниже 2 В на базе 1-го транзистора и выходе и так далее.

Стабилизатор напряжения с общим эмиттером и отрицательной обратной связью

Хорошая конфигурация иногда встречается в конкретных проектах, имеющих пару усилители с общим эмиттером со 100% отрицательной обратной связью.

Эта установка показана на следующем рисунке.

Несмотря на то, что каскады с общим эмиттером обычно имеют значительную степень усиления по напряжению, в данном случае это может быть не так.

Это происходит из-за 100% отрицательной обратной связи, которая возникает между коллектором выходного транзистора и эмиттером транзистора драйвера. Это позволяет усилителю достичь коэффициента усиления с точностью до единицы.

Преимущества регулятора общего эмиттера с обратной связью

Эта конфигурация работает лучше по сравнению с Пара Дарлингтона регуляторы на основе эмиттерного повторителя благодаря уменьшенному падению напряжения на входных / выходных клеммах.

Падение напряжения, достигаемое в этих конструкциях, составляет всего около 0,65 вольт, что способствует большей эффективности и дает возможность схеме работать эффективно независимо от того, превышает ли нестабилизированное входное напряжение всего на несколько сотен милливольт ожидаемое выходное напряжение.

Батарейный элиминатор с использованием цепи последовательного регулятора

Указанная схема разрядника батареи является функциональной иллюстрацией конструкции, построенной с использованием регулятора базовой серии.

Модель разработана для всех приложений, работающих с напряжением 9 В постоянного тока с максимальным током не более 100 мА. Это не подходит для устройств, требующих относительно большей силы тока.

T1 - это 12-0-12 был трансформатор на 100 мА который обеспечивает изолированную защитную изоляцию и понижение напряжения, в то время как его вторичная обмотка с центральным ответвлением управляет основным двухтактным выпрямителем с фильтрующим конденсатором.

Без нагрузки на выходе будет около 18 вольт постоянного тока, которое может упасть примерно до 12 вольт при полной нагрузке.

Схема, которая работает как стабилизатор напряжения, на самом деле представляет собой базовую конструкцию последовательного типа, включающую R1, D3 и C2 для получения стабилизированного номинального выходного напряжения 10 В. Ток стабилитрона колеблется от 8 мА без нагрузки до 3 мА при полной нагрузке. Диссипация, создаваемая в результате R1 и D3, минимальна.

Эмиттерный повторитель на паре Дарлингтона, образованный TR1 и TR2, можно увидеть сконфигурированным так, как выходной буферный усилитель обеспечивает усиление по току около 30 000 при полном выходе, при минимальном усилении 10 000.

На этом уровне усиления, когда устройство работает с использованием 3 мА при токе полной нагрузки, при минимальном усилении i практически не наблюдается отклонений в падении напряжения на усилителе, даже когда ток нагрузки колеблется.

Реальное падение напряжения на выходном усилителе составляет примерно 1,3 В, а при умеренном входном напряжении 10 В это дает выход примерно 8,7 В.

Это выглядит почти равным указанным 9 В, учитывая тот факт, что даже настоящая 9-вольтовая батарея может показывать колебания от 9,5 В до 7,5 В в течение периода эксплуатации.

Добавление предела тока к последовательному регулятору

Для регуляторов, описанных выше, обычно становится важным добавить защиту от короткого замыкания на выходе.

Это может быть необходимо для того, чтобы конструкция могла обеспечить хорошее регулирование при низком выходном сопротивлении. Поскольку источник питания имеет очень низкий импеданс, в случае случайного короткого замыкания на выходе может пройти очень высокий выходной ток.

Это может вызвать немедленное сгорание выходного транзистора и некоторых других деталей. Типичный предохранитель может просто не обеспечить достаточной защиты, потому что повреждение, вероятно, произойдет быстро, даже до того, как предохранитель может среагировать и сработать.

Самый простой способ реализовать это, возможно, добавив в схему ограничитель тока. Это включает в себя дополнительные схемы без какого-либо прямого влияния на производительность конструкции в нормальных рабочих условиях.

Однако ограничитель тока может вызвать быстрое падение выходного напряжения, если подключенная нагрузка пытается потреблять значительный ток.

На самом деле выходное напряжение снижается так быстро, что, несмотря на короткое замыкание на выходе, ток, доступный из цепи, немного превышает указанный максимальный номинал.

Результат схемы ограничения тока подтверждается данными, приведенными ниже, которые отображают выходное напряжение и ток с учетом постепенно снижающегося импеданса нагрузки, полученного с помощью предлагаемого блока исключения батареи.

В схема ограничения тока работает с использованием всего лишь пары элементов R2 и Tr3. Его реакция на самом деле настолько быстрая, что она просто устраняет все возможные риски короткого замыкания на выходе, тем самым обеспечивая надежную защиту выходных устройств. Работу ограничения тока можно понять, как описано ниже.

R2 подключен последовательно с выходом, поэтому напряжение, развиваемое на R2, пропорционально выходному току. При выходном потреблении, достигающем 100 мА, напряжения, создаваемого на R2, будет недостаточно для запуска на Tr3, поскольку это кремниевый транзистор, для включения которого требуется минимальный потенциал 0,65 В.

Однако, когда выходная нагрузка превышает предел 100 мА, он генерирует достаточный потенциал на T2, чтобы адекватно включить Tr3 в режим проводимости. TR3, в свою очередь, вызывает протекание некоторого тока f к Trl через отрицательную шину питания через нагрузку.

Это приводит к некоторому снижению выходного напряжения. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пропорциональному увеличению потенциала на R2, что заставляет Tr3 включаться еще сильнее.

Следовательно, это позволяет смещать ток большей величины в сторону Tr1 и отрицательной линии через Tr3 и нагрузку. Это действие дополнительно приводит к пропорциональному увеличению падения выходного напряжения.

Даже в случае короткого замыкания на выходе Tr3, вероятно, будет сильно смещен в проводимость, заставляя выходное напряжение упасть до нуля, гарантируя, что выходной ток никогда не будет превышать отметку 100 мА.

Настольный источник питания с регулируемой мощностью

Источники питания со стабилизированным переменным напряжением работают по тому же принципу, что и стабилизаторы постоянного напряжения, но имеют управление потенциометром что обеспечивает стабильный выход с переменным диапазоном напряжения.

Эти схемы лучше всего подходят в качестве настольных и мастерских источников питания, хотя они также могут использоваться в приложениях, требующих различных регулируемых входов для анализа. Для таких работ потенциометр источника питания действует как предустановленный элемент управления, который можно использовать для адаптации выходного напряжения источника питания к желаемым регулируемым уровням напряжения.

На приведенном выше рисунке показан классический пример схемы регулируемого регулятора напряжения, которая обеспечивает плавно регулируемый стабилизированный выход от 0 до 12 В.

Основные особенности

• Диапазон тока ограничен максимумом 500 мА, хотя его можно увеличить до более высоких уровней путем соответствующей модернизации транзисторов и трансформатора.
• Конструкция обеспечивает очень хорошее регулирование шума и пульсаций, которые могут быть менее 1 мВ.
• Максимальная разница между входным питанием и регулируемым выходом составляет не более 0,3 В даже при полной выходной нагрузке.
• Регулируемый источник переменного тока идеально подходит для тестирования почти всех типов электронных проектов, требующих высококачественных регулируемых источников питания.

Как это устроено

В этой конструкции мы можем видеть схему делителя потенциала, включенную между выходным каскадом стабилитрона и входным буферным усилителем. Этот потенциальный делитель создается VR1 и R5. Это позволяет отрегулировать рычаг ползунка VR1 от минимального 1,4 В, когда он находится рядом с основанием своей дорожки, до уровня стабилитрона 15 В, когда он находится в наивысшей точке своего диапазона регулировки.

На каскаде выходного буфера падает примерно 2 вольта, что позволяет диапазон выходного напряжения от 0 В до примерно 13 В. При этом верхний диапазон напряжения подвержен частичным допускам, таким как допуск 5% для напряжения стабилитрона. Поэтому оптимальное выходное напряжение может быть чуть выше 12 вольт.

Несколько видов эффективных схема защиты от перегрузки может быть очень важным для любого настольного блока питания. Это может быть важно, поскольку выход может быть уязвим для случайных перегрузок и коротких замыканий.

В данной конструкции мы используем довольно простое ограничение тока, определяемое Trl и связанными с ним элементами. Когда устройство работает в нормальных условиях, напряжение, создаваемое на резисторе R1, который подключен последовательно с выходом питания, слишком мало для того, чтобы привести Trl в состояние проводимости.

В этом случае схема работает нормально, за исключением небольшого падения напряжения, создаваемого резистором R1. Это практически не влияет на эффективность регулирования агрегата.

Это связано с тем, что ступень R1 предшествует схеме регулятора. В случае перегрузки потенциал, наведенный на R1, вырастает примерно до 0,65 В, что вынуждает Tr1 включиться из-за тока базы, полученного из разности потенциалов, генерируемой на резисторе R2.

Это заставляет R3 и Tr 1 втягивать значительное количество тока, что приводит к значительному увеличению падения напряжения на R4 и снижению выходного напряжения.

Это действие мгновенно ограничивает выходной ток максимумом от 550 до 600 мА, несмотря на короткое замыкание на выходе.

Поскольку функция ограничения тока ограничивает выходное напряжение практически до 0 В.

R6 настроен как нагрузочный резистор, который в основном предотвращает слишком низкий выходной ток и невозможность нормальной работы буферного усилителя. C3 позволяет устройству достичь отличной переходной характеристики.

Недостатки

Как и в любом типичном линейном регуляторе, рассеиваемая мощность в Tr4 определяется выходным напряжением и током и максимальна при регулировке потенциометра для более низких выходных напряжений и более высоких выходных нагрузок.

В самых тяжелых обстоятельствах на Tr4 может быть наведено 20 В, в результате чего через него протекает ток около 600 мА. Это приводит к рассеиваемой мощности на транзисторе около 12 Вт.

Чтобы выдерживать это длительное время, устройство должно быть установлено на довольно большом радиаторе. VR1 может быть установлен с большой ручкой управления с калиброванной шкалой, отображающей маркировку выходного напряжения.

Список деталей

• Резисторы. (Все 1/3 ватта 5%).
• R1 1,2 Ом
• R2 100 Ом
• R3 15 Ом
• R4 1k
• R5 470 Ом
• R6 10 тыс.
• VR1 4.7k линейный углерод
• Конденсаторы
• C1 2200 мкФ 40 В
• C2 100 мкФ 25 В
• C3 330 нФ
• Полупроводники
• Tr1 BC108
• Tr2 BC107
• Tr3 BFY51
• Тр4 ТИП33А
• DI - D4 1N4002 (4 шт.)
• D5 BZY88C15V (15 В, стабилитрон 400 мВт)
• Трансформатор
• T1 Стандартная сеть первичной обмотки, 17 или 18 В, 1 А
• вторичный
• Выключатель
• S1 D.P.S.T. вращающийся сетевой или тумблерный
• Разное
• Корпус, выходные розетки, печатная плата, сетевой шнур, провод,
• припой и т. д.

Как остановить перегрев транзистора при более высоких дифференциалах ввода / вывода

Стабилизаторы проходного транзисторного типа, как описано выше, обычно сталкиваются с ситуацией чрезвычайно высокого рассеяния, возникающего из транзистора последовательного стабилизатора, когда выходное напряжение намного ниже, чем входное напряжение.

Каждый раз, когда при низком напряжении (TTL) возникает высокий выходной ток, может оказаться критичным использование охлаждающего вентилятора на радиаторе. Возможно, серьезной иллюстрацией может быть сценарий блока источника, рассчитанного на обеспечение 5 ампер через 5 и 50 вольт.

Этот тип блока обычно может иметь нерегулируемое питание 60 вольт. Представьте, что это конкретное устройство должно обеспечивать питание цепей TTL во всем номинальном токе. Последовательный элемент в цепи должен в этой ситуации рассеивать 275 Вт!

Затраты на обеспечение достаточного охлаждения, по-видимому, объясняются только ценой последовательного транзистора. В случае, если падение напряжения на транзисторе регулятора может быть ограничено до 5,5 В, независимо от предпочтительного выходного напряжения, рассеивание может быть существенно уменьшено на приведенном выше рисунке, это может быть 10% от его начального значения.

Этого можно добиться, применив три полупроводниковые детали и пару резисторов (рисунок 1). Вот как именно это работает: тиристор Thy может нормально проводить через R1.

Тем не менее, как только напряжение на Т2 упадет - на последовательном стабилизаторе напряжение превышает 5,5 В, Т1 начинает проводить, в результате чего тиристор «открывается» при последующем переходе через ноль на выходе мостового выпрямителя.

Эта конкретная рабочая последовательность постоянно контролирует заряд, подаваемый через конденсатор фильтра C1, чтобы нерегулируемое питание было фиксированным на 5,5 В выше регулируемого выходного напряжения. Значение сопротивления, необходимое для R1, определяется следующим образом:

R1 = 1,4 x Всек - (Вмин + 5) / 50 (результат будет в кОм)

где Vsec указывает среднеквадратичное вторичное напряжение трансформатора, а Vmin означает минимальное значение регулируемого выхода.

Тиристор должен выдерживать пиковые пульсации тока, а его рабочее напряжение должно составлять минимум 1,5 Всек. Транзистор последовательного стабилизатора должен быть рассчитан на поддержку максимального выходного тока, Imax, и должен быть установлен на радиаторе, где он может рассеивать 5,5 x Isec Вт.

Заключение

В этом посте мы узнали, как построить простые схемы линейного регулятора напряжения, используя последовательный транзистор и стабилитрон. Источники питания с линейной стабилизацией предоставляют нам довольно простые варианты создания фиксированных стабилизированных выходов с использованием минимального количества компонентов.

В таких конструкциях в основном транзистор NPN конфигурируется последовательно с положительной входной линией питания в режиме общего эмиттера. Стабилизированный выход получается через эмиттер транзистора и отрицательную линию питания.

База транзистора сконфигурирована со схемой фиксатора Зенера или регулируемым делителем напряжения, который гарантирует, что напряжение на стороне эмиттера транзистора точно повторяет потенциал базы на выходе эмиттера транзистора.

Если нагрузка представляет собой сильноточную нагрузку, транзистор регулирует напряжение нагрузки, вызывая увеличение ее сопротивления, и, таким образом, гарантирует, что напряжение на нагрузке не превышает заданное фиксированное значение, установленное его базовой конфигурацией.