Каталог радиолюбительских схем

Основы разработки радиолюбительских стабилизаторов напряжения

Основой всякой радиолюбительской аппаратуры являются хорошие источники питания. Часто схема с некачественным стабилизатором просто не работает или работает нестабильно, возбуждается. Любой стабилизатор строится на нелинейном элементе, имеющем ниспадающую зависимость проходящего через него тока при относительно постоянном напряжении. Самым распространенным таким элементом является стабилитрон. Его вольтамперная характеристика представлена на рис. 0.

Рис. 0.

Для вывода его на рабочую точку необходимо задать рабочий ток в диапазоне между Iст.мин и Iст.макс. Схема простейшего стабилитрона представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Она состоит из, собственно, стабилитрона и токоограничивающего (баластного) резистора, который расчитывается по формуле:

Rб=(Eп-Uвых)/Iраб,

где
Rб - сопротивление баластного резистора;
Eп - Напряжение первичного источника питания (например аккумулятора или трансформатора с нестабилизированным выпрямителем);
Uвых - выходное стабилизированное напряжение;
Iраб - рабочий ток стабилитрона (выбирается в диапазоне от Iст.мин до Iст.макс)

Надо сказать, что ток стабилизации такого стабилизатора весьма невелик. Обычно Iст.мин=3...5 мА, а Iст.макс=22..30 мА. Поэтому схема по рис. 1 используется обычно как первчный стабилизатор, дающий опорное наряжение. Кстати выходное напряжение стабилизатора зависит только от типа стабилитрона и к тому же довольно сильно меняется от образца к образцу. Для регулировки напряжения стабилизации можно использовать схему рис. 2 (слева мы видим схему классического аналога).

Рис. 2.

Ее включают вместо стабилитрона VD1 на рис. 1. Напряжение стабилизации такого стабилитрона можно расчитать по формуле

Eст=(Uст+0,7 В)*(R1+R2)/R2

Для увеличения выходного тока стабилитрона можно использовать транзистор в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ). Схема такого включения представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Это по своей сути паралельный стабилизатор. Его основное достоинство - не боится перегрузок (при достаточной мощности баластного резистора Rб). Недостаток этого стабилизатора - низкий к.п.д.. При отсутствии нагрузки весь ток стабилизации рассеивается на регулирующем транзисторе VT1. Расчитывается так же, как и стабилизатор по рис. 1. Только рабочий ток стабилизации Iр увиличивается в коэффициент усиления по току (h21э) транзистора VT1.

Для увеличения выходного тока стабилизатора можно так же использовать эмиттерный повторитель рис. 4.

Рис. 4.

Такие схемы наиболее часто используются в радиолюбительской практике. Ток стабилизации больше рабочего тока стабилитрона в коэффициент усиления по току (h21э) транзистора VT1. Коэффициент стабилизации такого стабилизатора невелик. Для уменьшения пульсаций в цепь базы транзистора вставляют RC-фильтр на элементах RфCф рис. 5.

Рис. 5.

Чем больше постоянная времени этой цепи t = Rф*Cф - тем больше коэффициент фильтрации. Не забудьте поставить дополнительный блокировочный конденсатор по выходу Cбл. А если это у Вас независимый источник - пригрузите немного его по выходу Rш. Ток через Rш порядка 3...5 мА. Это необходимо для вывода на рабочую точку транзистора VT1. Иначе, из-за обратного тока транзистора выходное напряжение может приближаться к напряжению питания Eп.

Недотатком схем по рис. 4 и рис. 5 является неограниченный ток при коротком замыкании. Этот недостаток устранен в схеме рис. 6.

Рис. 6.

Здесь по выходу стоит резистор, выходной ток на котором создает падение напряжения, которое, в свою очередь отпирает ключевой транзитор VT2 при превышении выходным током предельной величины, который в свою очередь шунтирует базу VT1. Таким образом выходной ток ограничивается на этом уровне.

Ток ограничения расчитывается по формуле:

Iогр=UбэVT2/Rш=~(0,7 В)/Rш

Как говорилось выше, рабочий ток стабилитрона лежит в пределах Iст.мин=3...5 мА, а Iст.макс=22..30 мА, следовательно 19...25 мА. Выходной ток эмиттерного повторителя стабилизатора больше рабочего тока стабилитрона примерно в h21э раз, т. е. где-то 400...1500 мА. Увеличить выходной ток до больших значений позволит применение составного эмиттерного повторителя - схемы Дарлингтона рис. 7. Выходное напряжение стабилизации будет меньше напряжения на стабилитроне на падение напряжения на двух переходах транзисторов. Это примерно 1,4 В причем довольно нестабильные.

Рис. 7.

Для уменьшения коэффициента пульсаций можно применить электронный фильтр R1C1 рис. 8, а составной транзистор лучше применить в сочетании транзисторов разного типа проводимости p-n-p - n-p-n.

Рис. 8.

Это позволит оставить только один p-n-переход между напряжением опорного стабилитрона и выходным напряжением. Если вставить в цепь эмиттера транзистора VT2 диод VD1 в обратном включении и приоткрыть его током через дополнительный резистор R3 получится неплохая защита от короткого замыкания (КЗ) рис. 9.

Рис. 9.

Так при перегрузке по выходу напряжение Uвых начнет уменьшаться и следовательно ток через резистор R3 начнет уменьшаться. Это приведет к закрытию диода VD2, транзистора VT2 и соответственно транзистора VT1.

К сожалению такая защита только ограничивает ток и не всегда выдерживает длительные перегрузки. Для защиты от теплового пробоя транзисторов можно дополнительно ввести диод VD3 шунтирующий на общий провод базу предоконечного транзистора и т.о. закрывающего управляющие транзисторы во время перегрузок рис. 10.

Рис. 10.

Эта схема перепроверена десятки раз и хорошо работает как при высоких выходных напряжениях, так и при достаточно низких - вплоть до 2...3 В. При низких выходных напряжениях вместо стабилитрона VD1 обычно применяют светодиод в прямом включении.

Надо сказать, что схему защиты можно выполнить и несколько иначе рис. 11.

Рис. 11.

Здесь транзистор защиты с опорным напряжением на базе включен в нормальном режиме в обратной полярности. В режиме КЗ его эмиттер оказывается подключен к общему проводу, он открывается и шунтирует опорный стабилитрон. Напряжение на нем и на выходе стабилизатора падает до нуля.

Хотелось бы заметить, что описанные выше стабилизаторы не имеют в своем составе усилителей напряжения. Да и по току коэффициент усиления не столь велик. Это приводит к тому , что коэффициет стабилизации этих схем довольно таки низок. В лучшем случае это несколько сотен. Получить более высокие коэффициенты стабилизации можно с помощью компенсационных схем.

Дальнейшее знакомство с системами стабилизации требует дополнительных объемов памяти всемирной сети. Так, что о компесационных стабилизаторах поговорим на следущей страничке.

Жми сюда :-)
О компесационных стабилизаторах.