Стабілізатори напруги - Теоретичні матеріали - Теорія - Каталог статей
Стабілізатором напруги (СТН) називають пристрій, що підтримує з певною точністю незмінною напругу на навантаженні. Іншими словами, стабілізатор напруги - це пристрій, на виході якого напруга залишається незмінною при дії факторів, що дестабілізують.
Стабілізатори бувають параметричні (ПСП) і компенсаційні (КСН). Параметричний стабілізатор найпростіший. Його робота заснована на властивостях напівпровідникового діода, а точніше на одному з його різновидів – стабілітрона. Типова найпростіша схема параметричного стабілізатора наведено малюнку 1.
Мал. 1 - Параметричний стабілізатор напруги
У стабілітронах використовується явище електричного лавинного пробою. При цьому широкому діапазоні зміни струму через діод напруга змінюється на ньому дуже незначно. Вхідна напруга через обмежувальний резик Rбал підводиться до паралельно включеним стабілітрону та опору навантаження. Оскільки напруга на стабілітроні змінюється незначно, то і на навантаженні вона матиме той самий характер. При збільшенні вхідної напруги практично вся зміна Uвх передається на Rбал, що призводить до збільшення струму в ньому. Збільшення цього струму відбувається за рахунок збільшення струму стабілізації при майже постійному струмі навантаження. Іншими словами, вся зміна вхідної напруги поглинається в обмежувальному (балласному) резику.
Часто стабілітрон працює у такому режимі, коли напруга джерела гуляє (тобто нестабільно), а опір навантаження постійно. Для нормального режиму стабілізації опір резика Rогр повинен мати певне значення. Якщо напруга Uвх гуляє від Umin до Umax, то розрахунку Rогр можна скористатися формулою:
де Uвх.ср = 0.5 (Uвх.min +Uвх.max) - середнє значення напруги джерела, Iср. = 0.5 (Imin + Imax) – середній струм стабілітрону, Iн = Uн/Rн – струм навантаження. При зміні вхідної напруги в той чи інший бік буде змінюватися струм стабілітрону, на напругу на ньому, отже і навантаження залишатиметься постійним.
Коли всі зміни напруги джерела гасяться в Rогр, то найбільша зміна напруги (Uвх. max - Uвх.min = ΔUвх) повинна відповідати найбільшій можливій зміні струму, при якому зберігається стабілізація (Imax - Imin = ΔIст). Звідси випливає, що стабілізація здійснюватиметься лише за умови дотримання умови:
Буває режим стабілізації, коли вхідна напруга постійно, а опір навантаження змінюється, тобто гуляє від Rн.min до Rн.max. Для такого режиму Rогр визначається за такою формулою:
Іноді необхідно отримати таку напругу, на яку стабілітрон не розрахований. У цьому випадку застосовують послідовне з'єднання стабілітронів. Тоді напруга стабілізації буде відповідати сумі напруг стабілізацій послідовно включених стабілітронів.
Крім розглянутої схеми застосовують каскадне включення стабілітронів. Простіше кажучи, беруть кілька вищерозглянутих схем і включають одну за одною. При цьому напруга стабілізації попереднього стабілітрона має бути більшою, ніж наступного. Такі схеми застосовують збільшення коефіцієнта стабілізації. Буває ще й бруківка схема, звана бруківка параметричний стабілізатор. Теоретично у такої схеми коефіцієнт стабілізації прагне нескінченності (хоча в це віриться важко).
На жаль, великої потужності з вищерозглянутої схеми не зняти. Тому вигадали нижче наведену схемку, яка проста до неподобства.
Мал. 2 - Параметричнийстабілізатор напруги з підсилювачем потужності
Як бачимо, нічого складного. Просто навантаження встромили через транзистор, включений за схемою ОК, що виконує роль підсилювача потужності.
Ахтунг:Якось один препод втуляв на повному серйозі, що схема на малюнку 2 - компенсаційний стабілізатор напруги. Тоді мене мало не вивернуло. Чи не ведіться на таку фігню. Про КРН трохи нижче. Там і буде зрозуміла відмінність ПСН від КСН.
Така схема при малих та середніх струмах навантаження працює як стабілізатор, а при великих струмах навантаження – як транзисторний фільтр (якщо паралельно стабілітрону вліпити кондер). Якщо паралельно стабілітрону вліпити змінний (підстроювальний) резик, то вихідна напруга стає регульованою. Можна також вліпити паралельно навантаженню кондер. Кондерів взагалі можна повтикати кілька штук, не зашкодить. Для зменшення високочастотної (ВЧ) складової вихідної напруги паралельно навантаженню встромляють кондер ємністю 0,01. 1 мкф. Це стосується будь-яких джерел живлення. У розумних книжках пишуть, що кондер має бути керамічний, хоч і паперові, слюдяні, плівкові та інші працюють ніщо.
Тип транзистора у схемі малюнку 2 вибирається з обліку потужності навантаження. Наприклад, для живлення підсилювання (особливо великої потужності), коли струм навантаження великий, встромляють складовий транзистор. Складовий транзистор - це коли беруть два (або більше) транзистора і колектор або емітер одного підключають до бази іншого, а висновок, що залишився, першого транзистора з'єднують з виведенням наступного. На малюнку нижче це набагато зрозуміліше:
Це складовий транзистор
І це складовий транзистор
Тепер зрозуміло? Вся фішка в тому, що у складеного транзистора коефіцієнт передачі дорівнює добутку коефіцієнтівпередачі кожного транзистора. Тобто беремо два гов'яненькі транзистори з коефіцієнтом посилення, скажімо, 100, робимо складовою і отримуємо транзистор з коефіцієнтом передачі 10 000. Суть зрозуміла?
Отже, для великих струмів використовують складові транзистори, а для живлення парочки мікросхем підійде транзистор середньої і малої потужності. Навіть 315-ті працюють цілком задовільно.
Буває ще купа будь-яких схем ПСН, але найбільш уживані дві вищерозглянуті. Ну зрозуміло, напевно, щоб отримати напругу зворотної полярності, просто перевертаємо стабілітрон нагору ногами (на рис.1), а транзистор встромляємо іншого типу провідності (рис.2; був n-p-n, ставимо p-n-p). Полярність кондерів теж потрібно змінити, не забуваючи при цьому змінити полярність вхідної напруги.
Компенсаційні стабілізатори напруги
Компенсаційний стабілізатор напруги (КСН) працює за іншим принципом, ніж ПСП. З назви видно, що КДН чогось там компенсує. Загалом принцип дії КСН заснований на зміні опору регулюючого елемента в залежності від сигналу, що управляє. А ось і визначення з книжки - КСН відносяться до стабілізаторів безперервної дії і є пристроями автоматичного регулювання, які із заданою точністю підтримують напругу на навантаженні незалежно від зміни вхідної напруги та струму навантаження. КСН бувають послідовного та паралельного типу. Для ривка розглянемо структурну схему типового КРН послідовного типу.
Мал. 3 - КСН послідовного типу
РЕ – це регулюючий елемент, в якості якого найчастіше використовується транзистор (біполярний або польовий), СУ – схема управління – власне керує роботою РЕ. Іноді замість СУ зображуютьпідсилювач постійного струму (УПТ). Його завдання - посилити сигнал неузгодженості та подати його на РЕ. Д – дільник напруги, ІОН – джерело опорної напруги. Як ІОН застосовують схему параметричного стабілізатора. Джерело опорної напруги та дільник об'єднують у так званий вимірювальний елемент (ІЕ). Через включення РЕ послідовно з навантаженням схема так і називається – послідовна.
Отже, джерело опорної напруги (ІОН) задає опорну напругу, що надходить на вхід СУ. З дільника частина вихідної напруги (сумірної з напругою ІОН) також подається на вхід схеми управління (СУ). В результаті порівняння вихідної напруги (або його частини) з опорним СУ керує РЕ, опір якого змінюється на ту чи іншу сторону. Коротше, якщо, наприклад, напруга на вході стрибнула, ця фігня, природно, передається на вихід. Сигнал з дільника напруги подається на схему управління та та, у свою чергу, порівнюючи напругу з ІОН, дає команду РЕ збільшити (зменшити) опір. В результаті на навантаженні напруга залишається постійною. Крім того, вимірювальний елемент виділяє пульсації випрямленої напруги, що надходять на РЕ, який добре згладжує їх. При розгляді принципової схеми все стане зрозумілим.
Паралельну схему КРН розглянемо лише у структурі. Її зображення наведено малюнку 4.
Рис.4 - КСН паралельного типу
Принцип дії такого стабілізатора заснований на зміні провідності РЕ (знову ж таки, відповідно до керуючого сигналу), що викликає зміну падіння напруги на баластом резику. Ця схема добре працює при невеликій імпульсній зміні струму навантаження. Її основна перевага - при імпульсному зміні струму навантаження немає зміни струму,споживаного від мережі.
Ну а тепер перейдемо до найголовнішого: до схем. Дуже проста і зрозуміла, так би мовити, типова схема наведена малюнку 5.
Рис.5 – Принципова схема КСН.
Отже, розберемо всі деталі. Функції РЕ виконує транзистор VT1. ІОН утворений резиком R1 та стабілітроном VD1 (як бачимо, це параметричний стабілізатор). Дільник відповідно складається з резиків R2-R4. На транзисторі VT2 зібрано підсилювач постійного струму (УПТ). ІОН задає для УПТ зразкову напругу, яка вводиться в ланцюг емітера транзистора VT2. На основу транзистора надходить напруга з дільника. Якщо змінюється вихідна напруга, а відповідно, і напруга на базі транзистора VT2, який порівнюючи цю напругу з напругою на емітер, задає РЕ такий режим роботи, що опір його переходу змінюється, і напруга на навантаженні залишається постійним. За допомогою резика R3 можна регулювати вихідну напругу.
Як регулюючий елемент при малому струмі навантаження (не більше 0,1-0,2 А) використовуються одиночні транзистори. При великих струмах навантаження ставлять складові та звані потрійні складові транзистори.
Така схема має захист від короткого замикання (КЗ). При КЗ знеструмлюється стабілітрон VD1 та транзистори VT1, VT2 закриваються. Щоправда, зловживати цим не слід (тобто заради інтересу замикати плюс з мінусом). Захист від КЗ короткочасний. Але ж працює!
На практиці один із варіантів такої схеми можна зустріти з резиком між колектором та емітером РЕ. Він необхідний нормальної роботи стабілізатора при негативних температурах. Іноді пишуть, що резик, що шунтує перехід колектор-емітер РЕ, служить для запуску стабілізатора. Ну, в принципі, напевно, зрозуміло, що для зміниполярності необхідно поміняти тип транзисторів, напрямок включення стабілітрона і, відповідно, полярність включення кондерів (на схемі не показано).
Отже, практична схема вищеописаного стабілізатора наведена нижче:
Ця схема здерта з блоку живлення магнітофона приставки "Карат МП-201С" і, як видно, відмінність полягає лише в кондерах та резиці R1. Резиком R4 підлаштовують вихідну напругу. Підбираючи стабілітрон VD1 можна змінювати вихідну напругу (при зміні вхідної, відповідно). У цьому треба змінювати опір резика R1. Дві рисочки з його корпусі позначають потужність, т. е. 2 Вт. При високих струмах навантаження резик R1 гріється. Природно, транзистор VT1 необхідно встановити на радіатор, площею хоча б 50 см 2 т. до. і він може "пихнути".
Одним із різновидів схем такого роду є так звана схема з "холодним" колектором. Її відмінністю і те, що регулюючий транзистор входить у ланцюг загального дроту, а чи не " гарячого " . А це означає, що ізолювати транзистор від радіатора або радіатор від корпусу пристрою не треба, чого не скажеш про схеми на малюнках 5 і 6. У цих схемах транзистори вилітають, як з ранку, якщо забули ізолювати колектор (для тих, хто в танку колектор потужних транзисторів електрично з'єднаний з корпусом транзистора або його частиною для кращого теплового контакту). На малюнку 7 ця схема показана. Схема злизана з журналу Радіо аж за 1984 (Радіо №12/1984).
Мал. 7 - КСН з "холодним" колектором
Як видно, ніяких відмінностей від попередньої схеми. Як регулюючий використаний складовий транзистор КТ827А. Його можна легко замінити двома – КТ815 та КТ819. Недолік схеми - менший струм навантаження, ніж у схемималюнку 6. До того ж для такого стабілізатора необхідний окремий випрямляч. Іншими словами, якщо потрібно кілька стабілізаторів, то для кожного доведеться забахати свій випрямляч. Проте всі регулюючі транзистори можна поставити на один тепловідвід, не ізолюючи їх.