кпд стабилизатора напряжения

ЭКОНОМИЧНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

До сих пор были рассмотрены варианты стабилизатора (см. рис. 9), касающиеся только улучшения ИОН R1VD1, но нужно отметить, что даже применение "идеального" стабилитрона не позволяет достичь К_ст более 200...300 без улучшения второго ИОН — R2VD3. Наиболее простой способ улучшения — использование дополнительного каскада усиления на транзисторе VT3 (рис. 12), что позволяет получить К_ст в пределах 200...500 добавлением всего лишь двух деталей — резистора и транзистора. Сопротивление резистора R3 определяют из соотношения: R3 ≈ 0,6/l_VD4, где l_VD4—выбранный ток стабилитрона VD4, который должен быть как минимум в 5...10 раз больше максимального тока базы транзистора VT3(I_{Б VT3}). Максимальный ток базы определяют: I_{Б VT3} = I_{к vтз}/h_21Э≈ U_VD1/R2•h_21Э, где I_KVT3 — максимальный ток коллектора транзистора VT3; U_VD1 — напряжение на стабилитроне VD1.

В источнике образцового напряжения R1VD1 можно применять любые стабилитроны и стабисторы с U_CT от 1,5 В до, примерно, U_вых - 0,7 В (лучше, если U_ст - U_вых/2). В маломощных низковольтных стабилизаторах наибольший коэффициент стабилизации получается при использовании свето-диодов видимого излучения (VD1).

Температурный коэффициент напряжения стабилизатора в основном определяется алгебраической суммой (с учетом знака) ТКН транзистора VT3 и стабилитрона VD4. ТКН перехода база — эмиттер транзистора имеет отрицательное значение (около - 2,0 мВ/°С), поэтому при использовании стабилитронов с положительным ТКН (серии Д814, КС510А и т.п.) ТКН стабилизатора получается меньше, чем стабилитрона. Использование более низковольтных стабилитронов с отрицательным ТКН для построения маломощного экономичного стабилизатора нежелательно из-за повышенного отрицательного суммарного ТКН стабилизатора, доходящего в некоторых случаях до -6,0 мВ/°С. Следует помнить, что большинство стабилитронов, имеющих ТКН около 0 при токе более 3,0 мА (КС156А, КС162А, КС170А, серии Д818 и т.п.) и меньше 0,1 мА, имеют повышенный отрицательный ТКН.

Применение аналога стабилитрона на двух транзисторах с разомкнутой обратной связью (она замыкается в этом случае через все каскады стабилизатора) позволяет улучшить практически все параметры стабилизатора, даже в случае применения стабилитрона VD1 с низким К_ст (рис. 13). Выходное напряжение стабилизатора можно регулировать резистором R3 в пределах от U_{oтc vт4} + 0,6

до 2...3 U_{oтc vт4} .

Основные параметры различных вариантов стабилизатора (рис.13) при разных положениях движка переменного резистора R3 (разных значениях выходного напряжения), в котором применен транзистор VT4 — КП302А (U_oтc = 1,96 В) и светодиод АЛ102А (VD1), приведены в табл. 6. Вместо транзистора серии КТ3107 (VT1) в более мощном варианте стабилизатора (ток нагрузки 200 мА) использован транзистор КТ837В (h_21Э = 120). Ток стабилитрона VD1 (I_VD1) измерен при U_BX = 2U_вых.

Применение транзисторного аналога стабилитрона вместо диода VD3 (см. рис. 9) не исключает одновременного применения описанных выше рекомендаций по улучшению ИОН R1VD1. Если применить для питания ИОН стабилизатор тока, можно получить К_ст около 1000 даже со стабилитроном КС1ЗЗА. При этом нет необходимости в регулировании тока стабилизации и изменении напряжения на стабилитроне VD1, так как это мало влияет на выходное напряжение стабилизатора.

Для предотвращения самовозбуждения в стабилизаторах подобного типа бывает достаточно включить на выходе стабилизатора оксидный, емкостью несколько десятков микрофарад, и керамический, около 0,1 мкФ, конденсаторы. Если этого недостаточно, между выводами базы и коллектора транзистора VT3 (рис. 13) подключают конденсатор емкостью от нескольких сотен пико-фарад до нескольких десятков нано-фарад (минимально необходимая емкость зависит от мощности стабилизатора).

_СTв стабилизаторах с питанием от батарей вряд ли целесообразно без значительного улучшения ТКН, так как колебания выходного напряжения, связанные с изменением окружающей температуры, будут намного больше, чем связанные с изменением питающего напряжения. В сетевых блоках питания допустимо применить схемы с большим К_СT, если это продиктовано необходимостью получения минимальных пульсаций стабилизированного напряжения.

Увеличить коэффициент стабилизации до 1500...3000 можно, используя аналог стабилитрона на трех транзисторах (рис. 14). Некоторые параметры такого стабилизатора, испытанного с током нагрузки 20 мА при токе ограничения 70...90 мА, приведены в табл. 7. Ток потребления — не более 0,6 мА, R_вых. — около 0,1 Ом, ΔU_min — не более 0,14 В.

ТКН стабилизатора (рис. 14) практически полностью зависит от ТКН аналога стабилитрона и может достигать -1,5 мВ/°С. Использование полевого транзистора с меньшим напряжением отсечки немного улучшит ТКН. При увеличении образцового напряжения относительно U_OTC (потенциометром в цепи истока) ТКН аналога стабилитрона сдвигается в сторону положительных значений. Такой же результат может быть получен при уменьшении тока через полевой транзистор VT5 увеличением суммарного сопротивления резисторов R4 и R5.

Стабилизация тока (см. рис. 6, б или 6, в) стабилитрона VD1 позволяет получить коэффициент стабилизации более 5000.

При отсутствии транзисторов с большим коэффициентом передачи тока, особенно в мощных стабилизаторах, используют составной регулирующий транзистор. На рис.15 представлен один из таких вариантов. Стабилизатор с составным регулирующим транзистором имеет одну особенность. При отсутствии тока нагрузки потребляемый им ток незначителен; при токе нагрузки, близком к максимальному, он почти не отличается от тока потребления предыдущих модификаций стабилизаторов.

Например, вариант мощного стабилизатора с регулирующим транзистором КТ837В (h_21Э = 120): К_ст = = 300...500, R_вых. ≈ 0,1 Ом,
U_вых. = 6,4 В, I_огр=1,9 А; при входном напряжении 12 В на холостом ходу он потребляет ток не более 300 мкА. При токе нагрузки 1,0 А ток потребления увеличивается до 30 мА.

Вариант маломощного стабилизатора с током ограничения 80 мА (К_ст = 500...700, R_вых ≈ 1 Ом), на холостом ходу потребляет не более 60 мкА. При токе нагрузки 25 мА ток потребления увеличивается до 400 мкА. В табл. В приведены некоторые другие параметры двух вариантов стабилизаторов.

Этим не ограничиваются все варианты модернизации взятого за основу стабилизатора (см. рис. 9) с целью повышения экономичности и улучшения других параметров. В частности, в некоторых случаях для уменьшения ΔU_min полезно вместо одного регулирующего транзистора применить параллельное включение нескольких транзисторов с токовыравнивающими резисторами в цепях базы. Используя микротоковые ИОН, можно с успехом модернизировать и другие виды стабилизаторов. Приведенные в статье таблицы характеристик стабилизаторов не являются образцами оптимального расчета и гарантиями полного совпадения результатов при повторении из-за сильного разброса параметров стабилитронов и полевых транзисторов. Эти таблицы полезны для анализа общих тенденций при разработке стабилизаторов и могут служить основой при их выборе.

Различные варианты стабилизаторов рассчитаны на ток нагрузки 20 мА для удобства сравнения основных параметров. По этой же причине большинство параметров измерены при U_BX = 2U _вых. Если необходимо, стабилизаторы можно пересчитать и на другой ток нагрузки. Для примера, в табл. 6 и 8 приведены параметры для построения стабилизаторов на ток нагрузки 2,5, 200 мА и 0,5 А. Так как принципиальные схемы, приведенные в статье, достаточно универсальны, на них, а также в таблицах могут отсутствовать конкретные сведения по каким-либо элементам. В этом случае их выбирают или рассчитывают самостоятельно, руководствуясь общими правилами и рекомендациями, содержащимися в статье.

Для улучшения работы стабилизаторов в условиях повышенной температуры или при использовании транзисторов с повышенным обратным током коллектора рекомендуем между эмиттером и базой регулирующего транзистора включить резистор сопротивлением от нескольких единиц до нескольких десятков килоом в зависимости от мощности стабилизатора.

Несмотря на то, что в статье описаны стабилизаторы, претендующие на звание экономичных, конкретное значение КПД нигде не приведено, так как этот параметр зависит от конкретного соотношения входного и выходного напряжения и изменяется в широких пределах, увеличиваясь по мере уменьшения напряжения на выводах батареи элементов.