ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ, Журнал Радио 7 номер 1998 год. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
В. АНДРЕЕВ, г. Тольятти Самарской обл.
Продолжение. Начало см. в ╚Радио╩, 1998, ╧ 6
СХЕМОТЕХНИКА ЭКОНОМИЧНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ
За основу при разработке экономичных стабилизаторов взят простой стабилизатор с защитой от короткого замыкания (рис. 9), уже более двух десятков лет пользующийся популярностью у радиолюбителей [13].
Принцип его действия основан на сравнении выходного напряжения с напряжением на стабилитроне VD1. Образцовый уровень подается на базу транзистора VT2, а выходное напряжение — на эмиттер. Сигнал рассогласования усиливается транзистором VT2 и поступает на базу VT1. Элементы R1, R2, VD1, VT2 образуют стабилизатор тока, поэтому максимальный выходной ток стабилизатора ограничен. При уменьшении сопротивления нагрузки выходной ток стабилизатора возрастает до уровня ограничения (Iогр), затем происходит уменьшение выходного напряжения. Когда на выходе оно понизится до значения UVD1 - UVD2 или UVD1 - 0,6 В, открывшийся диод VD2 шунтирует стабилитрон VD1.
При коротком замыкании уровень сигнала на базе транзистора VT2 будет равен падению напряжения на р-п переходе диода VD2 в прямом включении. Это уменьшает ток коллектора транзистора VT2, и, следовательно, выходной ток стабилизатора при коротком замыкании (lK3) будет меньше тока ограничения.
Выходное напряжение стабилизатора определяется соотношением
Uвыx = UVD1 — UБЭ VT2 + UVD3,
где UVD1 — напряжение стабилизации стабилитрона; UБЭ VT2 — падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT2; Uvd3 — падение напряжения на диоде VD3 в прямом включении.
Так как UБЭ VT2 ≈ UVD3 ≈ 0,6 В, то можно считать, что выходное напряжение стабилизатора равно напряжению стабилизации стабилитрона VD1. Коэффициент стабилизации (Кст) стабилизатора
Кст = (ΔUвх/ΔUвых) • (Uвых/Uвх),
где ΔUвх и ΔUвых — соответственно приращения напряжения на входе и выходе стабилизатора; практически равен Кст стабилитрона VD1.
Температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизатора примерно равен ТКН стабилитрона VD1, так как ТКН р-n переходов кремниевых транзисторов и диодов одинаков и имеет величину около -2мВ/°С, а из выражения для выходного напряжения видно, что они взаимно вычитаются.
Выходное сопротивление стабилизатора Rвых = ΔUвых/ΔIН
где ΔIН — приращение тока нагрузки; в основном зависит от коэффициента усиления транзистора VT1 и выбранного значения ограничения выходного тока (lorp).
Ток ограничения стабилизатора устанавливают подборкой резистора R2, сопротивление которого определяет соотношение
R2 ≈ (UVD1-UБЭ VT2)/IЭ VT2,
где UБЭVT2 ≈ 0,6 В; IЭ VT2 — ток эмиттера транзистора VT2, который примерно равен току базы транзистора VT1 (IБ VT1). Ток базы транзистора VT1 связан с выходным током стабилизатора выражением IБVT1 = Iвыx/h21Э VT1. поэтому можно записать
R2 ≈ (UVD1-0,6 В) h21Э VT1/lоrp.
Для обеспечения минимального падения напряжения выбирают ток Iоrp не менее (2...3)Iн.
Основные характеристики стабилизатора, испытанного с разными стабилитронами, приведены в табл. 1.
Для всех вариантов: транзистор VT1 — серии КТ3107 (h21Э = 230); транзистор VT2 — серии КТ3102 (h21Э = 200); диоды VD2, VD3 — КД103А; ток потребления стабилизатора (без нагрузки) равен 8... 10 мА при Uвх = 2Uвыx; Rвых = 2,0 Ом при Iн = 20 мА;
Iоrp = 60...70 мА; Iкз ≈ 20 мА; Кст определялся при Uвх = 2Uвых.
Минимальное падение напряжения ΔUmin = Uвых - Uвых определяют следующим образом (рис. 10): измеряют Uвых стабилизатора при Uвх = 2Uвых и номинальном токе нагрузки (в данном случае 20 мА), затем Uвх уменьшают до Uвых и измеряют новое значение Uвых.Разность между этими напряжениями — важнейший параметр экономичного стабилизатора, предназначенного для работы от батарей. При более строгом подходе этот параметр нельзя называть минимальным падением напряжения; такое определение достаточно условно. Минимальное падение напряжения на стабилизаторе зависит от допустимого уменьшения выходного напряжения, которое может быть разным, в зависимости от характера нагрузки, но предложенный способ измерения ΔUmin более удобен и универсален, так как позволяет сравнивать параметры различных стабилизаторов без учета требований конкретной нагрузки.
Необходимо отметить, что этот параметр сильно зависит от тока нагрузки, а также от уровня ограничения выходного тока и качества стабилитрона. При использовании стабилитронов с большим падением напряжения в области малого тока (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А) даже при токе нагрузки менее 20 мА не удается получить ΔUmin менее 0,6 В.
Из табл. 1 видно, что характеристики стабилизатора довольно посредственны, особенно при стабилизации низкого напряжения, и практически полностью зависят от параметров источника образцового напряжения (ИОН), выполненного в виде простого параметрического стабилизатора (R1VD1).
Образцовое напряжение выбрано слишком большим, оно равно выходному напряжению стабилизатора, поэтому при уменьшении Uвх до Uвых ток через стабилитрон резко падает, что приводит к уменьшению напряжения на стабилитроне и соответственно на выходе.
Ток стабилитрона, выбранный по обычным методикам, неоправданно велик как по сравнению с током базы транзистора VT2, так и с током нагрузки, поэтому КПД стабилизатора довольно низкий.
Для улучшения характеристик стабилизатора необходимо в первую очередь улучшить параметры ИОН, уменьшив образцовое напряжение и потребляемый ток, кроме того, для улучшения Кст необходимо стабилизировать ток питания стабилитрона. Уменьшить образцовое напряжение на стабилитроне VD1 можно, увеличив падение напряжения на диоде VD3: вместо кремниевого диода необходимо использовать светодиоды, например, серии АЛ102 с падением напряжения в прямом включении около 1,7 В. Здесь Uвых стабилизатора больше образцового примерно на 1,1 В. Применение низковольтных стабилитронов или стабисторов нежелательно, так как это ухудшает параметры стабилизатора. Для стабилизации тока, протекающего через стабилитрон VD1, вместо резистора R1 можно использовать полевой транзистор (см. рис. 6,б).
Так как при Uвх=Uвых падение напряжения на стабилизаторе тока равно 1,1 В, то для получения малого значения ΔUmin, полевой транзистор должен иметь Uотс < 0,В5 В. Это требование усложняет подборку транзистора, так как большинство подходящих типов полевых транзисторов имеют Uотс > 1 В (в сетевых блоках питания такая проблема практически отсутствует).
Если последовательно со светодиодом серии АЛ102 включить какой-либо маломощный кремниевый диод, то с небольшим ухудшением параметров можно использовать полевые транзисторы с Uотс до 1,2 В. В этом случае ТКН стабилизатора сдвигается в сторону отрицательных значений примерно на 2 мВ/°С, а формула для выходного напряжения принимает следующий вид:
Uвых ≈ UVD1 + 1,7B.
Для надежного запуска стабилизатора, при уменьшенном токе питания стабилитрона VD1, необходимо последовательно с диодом VD2 включить еще один диод. Это связано с тем, что при токе менее 1 мА падение напряжения на диоде VD2 (в момент включения или после устранения короткого замыкания) может оказаться меньше напряжения база—эмиттер транзистора VT2, необходимого для его открывания и запуска стабилизатора (особенно при низкой температуре). Если ток короткого замыкания окажется слишком большим, то один из этих диодов можно заменить на германиевый (серии Д9, ДЗ10 ит.п.).
Улучшенный вариант стабилизатора со стабилизатором тока на полевом транзисторе КПЗОЗБ (Uотс=0,B4 В) был испытан со стабилитронами разных типов при двух значениях тока lVD1. Получены следующие результаты:
Kст = 50...100; ΔUmin не более 0,14 В при IН = 20 мА и не более 0,20 В при lН = 30 мА; Rвых ≈ 2,0 Ом; Iпотр(без нагрузки) не более 0,7 мА; Iкз при Uвх = 2Uвых не более 50 мА (диоды VD2 и VD3 — КД103А и Iогр = 65...100мА).
Выходное напряжение при разных значениях тока через стабилитрон и сопротивление резисторов (R1 — резистор в цепи истока полевого транзистора) представлены в табл. 2.
С низковольтными стабилитронами КС119А, КС133А, КС139А, КС147А, а также со светодиодами следует использовать стабилизатор тока (см. рис. 6,в). Здесь можно применить более распространенные полевые транзисторы с Uотс > 1 В (Uотс должно быть немного меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1 при минимальном токе).
Параметры стабилизатора с применением вышеуказанных стабилитронов примерно такие же, как и у предыдущего, но ТКН сдвигается в Сторону положительных значений на 2...3 мВ/°С.
Использование стабилитронов на большее напряжение нецелесообразно из-за ухудшения Кст и ΔUmin.
Как компромисс допускается использовать комбинированный вариант (рис. 11). Для улучшения обратной связи в цепь истока транзистора VT1 включен резистор R1 с таким сопротивлением, чтобы при выбранном токе стабилитрона VD1 на резисторе создавалось падение напряжения 0,5 В. Транзистор VT1 выбирают из условия Uотс < UстVD1 +0,3 В. Недостаток схемы — сильное сужение интервала подстройки выходного напряжения при неизменном сопротивлении резистора R1, так как необходимо, чтобы падение напряжения на нем при изменении тока стабилизации находилось в пределах 0,3...0,9 В.
Параметры различных вариантов стабилизатора, рассчитанного на ток ограничения 60...90 мА при токе нагрузки 20 мА, приведены в табл. 3. Потребляемый ток (без нагрузки) — не более 0,7 мА. Ток короткого замыкания при Uвх = 2Uвых — не более 50 мА. Сопротивление резистора R1 равно 24, 12 и 3,3 кОм для тока питания стабилитрона VD1, равного 20, 40 и 150 мкА соответственно.
Больший интервал регулирования выходного напряжения обеспечивают стабилизаторы, собранные с использованием аналога стабилитрона на двух (см. рис. 7) и трех (см. рис. В) транзисторах. Минимальное выходное напряжение этих стабилизаторов равно Uотс + 1,6 В. Максимальное значение (2...3)Uотс + 1,6 В ограничивается ухудшением ТКН.
Ток стабилизации (Iст) аналога стабилитрона зависит от сопротивления резистора R1 (см. рис. 7, В) и входного напряжения. Стабилизаторы испытаны на ток нагрузки 20 мА с полевыми транзисторами разных типов при различных значениях напряжения на выходе, устанавливаемых с помощью переменного резистора сопротивлением 1,0 МОм в цепи истока. Получены следующие результаты (при Uвх = 2Uвых, R1 = 120 кОм, Iст = 35...70 мкА): Iпотр (без нагрузки) не более 0,6 мА; Rвых ≈ 2,0 Ом; Iогр = 60...90 мА.
ЛИТЕРАТУРА
13. Попович В. Усовершенствование стабилизатора напряжения. — Радио. 1977, N9. с.56.
(Окончание следует)
|
