Электронные стабилизаторы напряжения

     Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I_ст, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I_{ст. мин}, и больше, чем I_{ст. макс}. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке R_H напряжение, называемое напряжением стабилизации U_CT, стабилитрона, будет оставаться постоянным.

    Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации U_CT и его допустимый разброс ΔU_CT.
    Если напряжение U_вх, поступающее на вход стабилизатора , в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения U_{вх. мин} до наибольшего U_{вх. макс}, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями I_ст.мин и I_{ст.макс}, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.
    Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ΔU_BX/U_BX) к относительному изменению напряжения на его выходе (ΔU_вых/U_вых) называют коэффициентом стабилизации (К_ст).
Следовательно,

    Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением — r_д.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов  r_д.ст = 5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель, между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации. Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через U_п.вх, а на выходе — через U_п.вых, то в соответствии с рисунком, (б) получим

  
   Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельствует об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного напряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном напряжении.
   Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (R_вых), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (ΔI_н) при неизменном входном напряжении:
R_вых= ΔU_вых/ΔI_н
Для простейшего стабилизатора R_вых ≈ r_д.ст.

   Рассмотренный стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между I_ст.мин и I_{ст.макс}. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны. Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра — стабилизатора остается неизменным.
   Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рисунке (а).

В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эмиттерную цепь которого включена основная нагрузка R_H.
Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ≈Iк.
  Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА). Например, если статический коэффициент передачи тока базы h_2IE=60, то при токе базы I_Б=5 мА ток коллектора Iк =h_2IE I_Б= 5 • 60= 300 мА, а ток эмиттера Iэ= Iк+I_Б= 5+300 = 305 мА.
   Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рисунка (а) видно, что напряжение на нагрузке (U_H) отличается от напряжения на стабилитроне (Uст) на величину падения напряжения на эмиттерном переходе U_БЭ транзистора VT2, т. е. U_H= U_CT—U_ЭБ .
   Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку I_Н, и напряжения U_H. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения U_ЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор — эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор — эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение U_ЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор — эмиттер и напряжения на этом переходе.
   Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки R_H образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода — регулирующим.
   Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько Ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор — эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис., б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.
   При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток  базы   VT1,   который  в  десятки  раз  меньше  тока  базы   VT2.
   Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является еще следующее. Напряжение на нагрузке U_H отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона U_CT на величину падения напряжения на переходе эмиттер — база U_ЭБ  транзистора VT, т. е. U_H = U_CT —  U_ЭБ.
    Для германиевых транзисторов напряжение U_ЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис.,(в). В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор R_уст, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке U_H вместе с напряжением на переходе эмиттер — база U_ЭБ транзистора VT равно напряжению U_уст, снимаемому с переменного резистора R_уст, т. е. U_Н+ U_ЭБ= U_уст, откуда следует: U_H= U_уст— U_ЭБ.
   При перемещении движка переменного резистора R_уст будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке U_H. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения U_CT — U_ЭБ) .
   Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора :

   Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC). Из рисунка видно, что U_OC= U_CT+U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10... 15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.
Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.
   Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение U_{КЭ.макс} должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (U_{вх.макс}), а максимально допустимый ток коллектора I_к.макс — быть больше предельного значения тока нагрузки.
     Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:
P_макс= (U_{вх.макс}-U_вых) I_{н. макс}. Значение этой мощности должно составлять не более 75 % от максимально допустимой мощности Р_{к. макс}, приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор — с большим значением Р_{к. макс}.  Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение; статического коэффициента передачи тока базы h_21Е, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:
I_Б.макс= I_{н. макс}/h_21Е
   Поскольку I_Б.макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:
   (U_BX.макс - U_{ст . мин}) /I_{ст. макс} ≤ R1 ≤ (U_{ВХ. мин} - U_{ст. мин}) / (I_{ст. мин}+ I_{Б. макс}) .
Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле: R2=U_выx/I_H (0,05— 0,1),
   Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор — эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый; и не менее 3 В — если- кремниевый.