ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ, Журнал Радио 6 номер 1998 год. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
В. АНДРЕЕВ, г. Тольятти
Не вдаваясь в подробный анализ достоинств и недостатков различных принципов преобразования и стабилизации напряжения, автор статьи делится опытом разработки простых экономичных стабилизаторов напряжения с биполярным транзистором в качестве регулирующего элемента. Большое внимание уделено выбору источника образцового напряжения. В статье приведены таблицы с результатами испытаний различных стабилизаторов, облегчающие выбор подходящего варианта.
Для достижения высокой экономичности радиоэлектронных устройств, питающихся от гальванических элементов или аккумуляторов и требующих стабилизированного напряжения, кроме правильного выбора напряжения питания и типа элементов, важное значение имеет выбор соответствующего экономичного стабилизатора, обеспечивающего максимально длительную работу устройства без замены источников питания.
Экономичным (с высоким КПД) называют стабилизатор, который одновременно удовлетворяет двум условиям: во-первых, он должен иметь малый ток потребления по сравнению с током нагрузки; во-вторых, — иметь минимально допустимое падение напряжения на регулирующем элементе.
В литературе часто встречаются описания экономичных стабилизаторов, в которых авторы основное внимание уделяют уменьшению потребляемого тока самим стабилизатором и не придают большого значения тому факту, что для его нормальной работы входное напряжение должно превышать выходное минимум на 1,5...2 В. При питании от батарей это обстоятельство играет первостепенную роль. Несложные расчеты показывают, что уменьшение КПД стабилизаторов происходит именно из-за рассеивания энергии в виде тепла на регулирующем транзисторе и эти потери прямо пропорциональны падению напряжения.
В общем виде стабилизатор представляет собой регулируемый делитель напряжения, где в качестве регулирующего элемента используют транзистор, проводимость которого изменяет управляющий элемент.
В экономичных стабилизаторах управляющий элемент должен обеспечивать достаточный ток базы регулирующего транзистора при минимальном собственном потреблении. Этот ток вырабатывается путем сравнения выходного напряжения с образцовым. Важное значение имеет правильный выбор источника образцового напряжения (ИОН), от параметров которого зависят характеристики стабилизатора: коэффициент стабилизации (Кет), температурный коэффициент напряжения (ТКН), экономичность и др.
Регулирующий транзистор должен поддерживать стабильное выходное напряжение при уменьшении напряжения питания до минимального значения, незначительно превышающего номинальное выходное напряжение стабилизатора. Минимальная разность между входным и выходным напряжениями, при которой стабилизатор еще может поддерживать номинальное выходное напряжение, зависит и от схемы подключения регулирующего транзистора [1].
МИКРОМОЩНЫЕ ИСТОЧНИКИ ОБРАЗЦОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Наиболее простая схема ИОН получается при использовании стабилитронов, выбор которых достаточно большой, но на практике часто возникают затруднения из-за разброса напряжения стабилизации стабилитронов одного типа и низкой экономичности при питании микромощных устройств.
Принято считать, что стабилитроны непригодны для работы при токе менее 0,5...1 мА. Это справедливо в случае, когда необходимо получить гарантированный результат, не тратя время на проверку и подборку подходящих стабилитронов. Однако большая их часть может работать и при меньшем токе, обеспечивая приемлемые параметры для тока нагрузки, не превышающего несколько десятков микроампер.
Чтобы убедиться в этом, достаточно начертить зависимости параметров стабилитронов не в линейном масштабе, как делается в большинстве справочников, а в логарифмическом. На рис. 1 — 3 представлены зависимости напряжения стабилизации (UCT) и дифференциального сопротивления (Rд) от тока стабилизации (lCT) в указанном масштабе.
В связи с тем, что параметры стабилитронов характеризуются большим разбросом, зависимости напряжения стабилизации от тока для стабилитронов КС133А, КС147А, КС156А, КС168А представляют собой усредненные характеристики (рис. 1). Для стабилитронов серии Д814, имеющих особенно сильный разброс при токе менее 200...300 мкА, графики представляют собой заштрихованные области (рис. 2), построенные на основе обобщения характеристик нескольких (до пяти) стабилитронов каждого типа. Небольшое число испытанных стабилитронов не позволяет делать выводы, претендующие на большую точность, но некоторые общие тенденции все же просматриваются.
Испытания показали, что у стабилитронов Д808 — Д811, Д813, серий Д814 и Д818 с уменьшением тока напряжение стабилизации вначале уменьшается незначительно, но при токе менее 200...300 мкА у некоторых экземпляров становится непредсказуемо низким. У низковольтных стабилитронов КС133А, КС147А, КС156А с уменьшением тока напряжение стабилизации монотонно снижается без резких провалов.
График для стабилитронов КС133А и КС147А (рис. 3) представляет собой почти прямую линию, показывающую обратно пропорциональную зависимость дифференциального сопротивления от тока. Уменьшение тока в 1000 раз, например, с 32 мА до 32 мкА, приводит к увеличению Rд также в 1000 раз — с 10 Ом до 10 кОм.
Стабилитроны с напряжением стабилизации 5,6...7 В и токе больше 3 мА имеют более низкое дифференциальное сопротивление. При уменьшении тока до определенного уровня Rд таких стабилитронов резко возрастает, а при дальнейшем его уменьшении оно ненамного отличается от Rд более низковольтных стабилитронов.
Стабилитроны Д814А — Д814Д также имеют низкое дифференциальное сопротивление при большом токе, но при токе менее 200...300 мкА Rд некоторых экземпляров стабилитронов может иметь гораздо большую величину, чем у низковольтных.
Эксперименты с несколькими экземплярами стабилитронов (КС510А, КС512А, КС515А, КС518А) показали, что большинство из них имеют хорошие стабилизационные характеристики во всем интервале изменения тока вплоть до 3...5 мкА, но они рассчитаны на стабилизацию напряжения более 10 В. Их особенностью является повышенный уровень шума при токе менее 300 мкА.
Нельзя недооценивать такой параметр ИОН как температурный коэффициент напряжения, так как он может явиться причиной таких неприятных явлений, как уход частоты гетеродина или повышенная погрешность измерительного прибора при изменении окружающей температуры.
ТКН стабилитронов с UCT=5...6,8 В (КС156А, КС168А и т.п.) с уменьшением тока до 100 мкА и ниже сдвигается в сторону отрицательных значений и может увеличиться до -2,5 мВ/°С [2]. Термокомпенсированные стабилитроны серий Д818, КС191 и т.п. при токе менее 1 мА теряют свои прецизионные свойства из-за повышенного отрицательного ТКН. Среди стабилитронов серии Д814 встречаются экземпляры, непригодные для работы в режиме малого тока (менее 0,3...0,4 мА) из-за резкого уменьшения напряжения стабилизации при понижении температуры. У большинства других типов стабилитронов с уменьшением тока ТКН изменяется не столь заметно, но общей тенденцией является сдвиг ТКН в сторону отрицательных значений.
Анализ характеристик стабилитронов при малом токе позволяет сделать следующие выводы. Практически все типы стабилитронов вполне применимы в режиме малого тока, но только после предварительного испытания. При этом следует выбирать те экземпляры, у которых с уменьшением тока питания напряжение стабилизации изменяется меньше.
Стабилитроны с UCT < 7 В (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А, КС168А) можно применять в ИОН с уменьшенным током питания до нескольких десятков микроампер. Коэффициент стабилизации стабилитронов КС133А, КС139А и КС147А почти не зависит от тока, но имеет низкое значение (6...10), а напряжение стабилизации монотонно уменьшается с уменьшением тока и при значении 50 мкА может быть в 1,5...2 раза меньше, чем при 5...10 мА. Это обстоятельство позволяет регулировать напряжение стабилизации в некоторых пределах изменением тока, но ток желательно стабилизировать для увеличения КCT [3].
Коэффициент стабилизации стабилитронов КС156А и КС168А при уменьшении тока уменьшается до 8...15, что также может потребовать применения стабилизации тока. Напряжение стабилизации при уменьшении тока до 50 мкА уменьшается в 1,2...1,5 раза.
Стабилитроны с UCT=7,5...14 В (Д808, серий Д814 и Д818 и т.п.) применимы в ИОН при токе до 0,4...0,5 мА с незначительным ухудшением параметров; при значении менее 0,4 мА характеристики могут ухудшиться, но больше половины проверенных стабилитронов такого типа имели приемлемые параметры при уменьшении тока до 80...100 мкА.
Хорошей альтернативой стабилитронам, особенно в режиме малого тока, являются светодиоды [4] видимого излучения (UCT=1,5...2 В в прямом включении) и переходы база—эмиттер [5—7] маломощных кремниевых транзисторов (UCT=4...10 В при обратном включении). Они обеспечивают больший КCT и могут работать, даже если ток стабилизации меньше 20 мкА, причем напряжение стабилизации светодиодов в режиме малого тока достаточно предсказуемо.
В ИОН можно применять не только р-n переходы диодов и транзисторов, но и полевые транзисторы, используемые в качестве стабилизатора тока (рис. 4,а). Образцовое напряжение снимается с резистора в цепи истока [8]. При токе 10 мкА это напряжение равно напряжению отсечки (UOTC) полевого транзистора. Значение тока, протекающего через полевой транзистор, подбирают изменением сопротивления резистора в цепи истока. Главный недостаток полевых транзисторов — большой разброс напряжения отсечки приборов одного и того же типа даже внутри одной партии (упаковки), что в большинстве случаев делает невозможным применение их без предварительного измерения этого параметра и подборки подходящего транзистора.
Для измерения UOTC необходимо подключить к стоку транзистора микроамперметр, а параллельно резистору — вольтметр (рис. 4,б). Переменным резистором устанавливают ток стока равным 10 мкА и измеряют падение напряжения на резисторе (или между затвором и истоком) с помощью какого-либо высокоомного вольтметра. Это напряжение и можно считать напряжением отсечки. Подбирать транзисторы удобнее, если вставлять их в какой-нибудь подходящий малогабаритный разъем, к которому подпаяны провода от остальных приборов.
На рис. 5 показана зависимость напряжения на истоке от тока стока для нескольких полевых транзисторов. Из графиков видно, что при изменении тока от 1 до 150...200 мкА напряжение на истоке большинства транзисторов изменяется не более чем на 20...25% от напряжения отсечки. Это обстоятельство может оказаться полезным при проведении приблизительных расчетов. Коэффициент стабилизации при токе менее 1...2 мА находится в пределах 20...40, немного увеличиваясь с уменьшением тока. ТКН имеет максимальное положительное значение при малом токе и уменьшается с его увеличением, становясь отрицательным при токе более 0,1—3,0 мА [9].
Исследования показали, что наиболее подходящие для использования в качестве микротоковых ИОН — транзисторы с р-n переходом серий КП103, КП302 и КПЗОЗ. У большинства из них ТКН в режиме малого тока не превышает +2,5 мВ/°С или 0,25%/°С. Применение транзисторов с изолированным затвором (исследовались только транзисторы серий КП305 и КП313) также не исключено, но разброс ТКН у них больше.
Так как стабилизатор тока на полевом транзисторе — двухполюсник, то последовательное включение дополнительного резистора (рис. 6,а) позволяет увеличить образцовое напряжение. Заменив резистор в цепи истока потенциометром и регулируя напряжение обратной связи на затворе, можно увеличивать напряжение на истоке транзистора от UOTC в широких пределах, но лучше ограничиться значением 2...3UOTC, а для получения больших образцовых напряжений использовать полевые транзисторы с большим UOTC. Это позволяет улучшить ТКН.
Недостатками ИОН по такой простой схеме являются сравнительно высокое выходное сопротивление и повышенный положительный ТКН. Улучшить эти параметры, а заодно и повысить Кст до 50...80 позволяет комбинация стабилизатора тока со стабилитронами, имеющими отрицательный ТКН (КС133А, КС139А, КС147А, КС156А, КС168А) (рис. 6,б). Минимальное напряжение питания должно быть выше образцового на величину UOTC с некоторым запасом, поэтому, если входное напряжение ненамного превышает напряжение стабилизации, полевые транзисторы лучше выбирать с небольшим UOTC. Переменным резистором в цепи затвора, изменяя ток стабилизации в некоторых пределах, можно регулировать образцовое напряжение ИОН.
Светодиоды и стабилитроны КС119А, КС133А, КС139А, КС147А для "экономии" напряжения питания включают параллельно переменному резистору в цепи истока полевого транзистора (рис. 6,в). Сопротивление резистора может быть от нескольких сотен кОм до нескольких МОм. Напряжение отсечки полевого транзистора должно быть немного меньше образцового напряжения ИОН, поэтому можно использовать более распространенные полевые транзисторы с U0TC>1 В. Образцовое напряжение можно регулировать в небольших пределах изменением тока стабилизации.
Стабилитрон, подключенный параллельно резистору, стабилизирует напряжение на истоке транзистора и ухудшает обратную связь на затворе. Поэтому такое включение эффективно только для низковольтных стабилитронов с незначительным коэффициентом стабилизации.
Улучшить параметры ИОН на основе стабилизатора тока можно с помощью дополнительного биполярного транзистора (рис. 7,а). В отличии от аналогов стабилитронов с использованием только биполярных транзисторов [10 — 12] это устройство содержит меньше деталей, хорошо работает в режиме малого тока и имеет низкий ТКН. Биполярный транзистор лучше использовать маломощный кремниевый с большим коэффициентом передачи тока серий КТ3102, КТ3107, КТ342 и т.п., так как рабочий интервал тока такого аналога стабилитрона прямо пропорционален коэффициенту передачи тока (h21Э) транзистора VT2. Отрицательный ТКН перехода база-эмиттер биполярного транзистора частично компенсирует положительный ТКН полевого транзистора, поэтому суммарный ТКН находится в пределах -0,02...+0,04%/°С в нижнем положении движка переменного резистора (в случае использования полевых транзисторов с р-n переходом).
На рис. 7,б показаны вольт-амперные характеристики аналога стабилитрона при разных положениях движка переменного резистора. Как видно, интервал рабочего тока устройства ограничен. Минимальный ток стабилизации определяется сопротивлением резистора в цепи истока (этот ток должен быть достаточным для создания падения напряжения, равного образцовому), а максимальный ток при выбранном сопротивлении резистора R2 определяется коэффициентом передачи тока транзистора VT2 (максимальный ток базы, а следовательно, и коллектора ограничен резистором, поэтому при увеличении тока стабилизации образцовое напряжение также начинает увеличиваться). При увеличении образцового напряжения в 2 раза (потенциометром в цепи истока) минимальный и максимальный токи стабилизации также увеличиваются примерно в 2 раза. ТКН при этом может возрасти до +0,08%/°С.
Упрощенный расчет аналога стабилитрона производится в следующей последовательности: определяют минимальный ток стабилизации, подбирают полевой транзистор с определенным напряжением отсечки, рассчитывают сопротивление резистора в цепи истока, определяют максимальный ток стабилизации. Для расчета можно воспользоваться соотношениями:
Iст min >51H; Uoбp min≈U0TC + UБЭ ИЛИ U0TC≈U0бp min-0,6 В;
Rи≈2U0TC/lCT min (если Uoбp не будет регулироваться); Rи2(Uoбp max-0,6B)/lст min(если Uoбp регулируемое);
Iст max≈lK max/2=(lБ-h21э)/2=(U0TC/Rи)h21э/2=U0TC•h21э/2Rи.
где Iст min — минимальный ток стабилизации; IH — максимальный ток нагрузки; Iст max — максимальный ток стабилизации; lK max — максимальный ток коллектора транзистора VT2; IБ — ток базы транзистора VT2; Rи — сопротивление резистора (или резисторов) в цепи истока; Uoбp min — минимальное образцовое напряжение; UOTC — напряжение отсечки транзистора VT1; UБэ — падение напряжения на переходе база—эмиттер транзистора VT2; h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора VT2; 2 — эмпирический коэффициент, учитывающий ухудшение параметров вблизи граничного тока стабилизации.
Расширить интервал рабочего тока аналога стабилитрона можно добавлением еще одного транзистора (рис. 8). Этот транзистор, в случае необходимости стабилизации большого тока, может быть мощным, установленным на теплоотводе или непосредственно на металлическом корпусе (если транзисторы VT2 и VT3 одинаковой структуры).
Аналог стабилитрона (рис.8) по своим параметрам превосходит большинство стабилитронов, особенно при.стабилизации малого тока. Преимущество — возможность регулирования образцового напряжения в больших пределах. При расчете трехтранзисторного аналога стабилитрона вместо параметров транзистора VT2 в формулы подставляют параметры составного транзистора. Резистор R4 служит для устранения влияния обратного тока коллектора и может иметь сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен кОм в зависимости от интервала изменения тока стабилизации.
Недостаток схемы — плохая предсказуемость ТКН, который к тому же меняется во время регулирования образцового напряжения. При увеличении напряжения ТКН сдвигается в сторону положительных значений.
Например, аналог стабилитрона, собранный на комплементарных транзисторах (с учетом другой структуры): транзистор VT1 — КП103Е (UOTC=1 В), транзистор VT2 — серии КТ3102 (h21э=320), транзистор VT3 — серии КТ3107 (h21э=190), R2=R3=1 МОм, имел коэффициент стабилизации не менее 40 при токе 3 мкА до 5 мА. Образцовое напряжение регулировалось в пределах 1,5...2,5 В. При этом температурный коэффициент напряжения изменялся от -0,06%/°С до +0,07%/°С.
Такой же аналог стабилитрона с транзистором VT1 КП302Б (UOTC=3,4 В) имел коэффициент стабилизации не менее 100 при токе 10 мкА до 10 мА. Образцовое напряжение регулировалось в пределах 3,9...7 В. ТКН изменялся от -0,01 %/°С до +0,02%/°С.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машненков В., Миронов А. Повышение КПД стабилизаторов напряжения. — Радио, 1986, ╧2, с.З0—32.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1993. T.1. с. 350.
3. Крылов В. Выбор схемы стабилизатора напряжения. — Радио, 1978, ╧4, с.42—44.
4. Алешин П. Светодиод в низковольтном стабилизаторе напряжения. — Радио, 1992, ╧12, с.23, 24.
5. Нечвев И. Экономичный стабилизатор. — Радио, 1984, ╧12, с.53.
6. Стрюков В. Транзистор в качестве стабилитрона. — Радио, 1973, ╧10, с.54.
7. Перлов В. Транзисторы и диоды в качестве стабилитронов. — Радио, 1976, ╧10, с.46.
8. Бегунов В. Экономичный стабилизатор напряжения. — Радио, 1980, ╧8, с.46.
9. Дввыдов Г. О термостабильной точке полевых транзисторов. — Радио, 1973, ╧2, с.39, 40.
10. Променлив ценеров диод. — Радио, телевизия, електроника, 1989, ╧3, с.38.
11. Александров И. Регулируемый аналог стабилитрона. — Радио, 1993, ╧11, с.39.
12. Лукьянов Д. Регулируемый аналог стабилитрона. — Радио, 1986, ╧9, с.32.
(Окончание следует)
|
