Основи розробки радіоаматорських стабілізаторів напруги

Євген Мерзлікін. (Справи давно минулих днів.)

Основою всякої радіоаматорського апаратури є хорошим джерелом живлення. Часто схема з неякісним стабілізатором просто не працює або працює нестабільно, збуджується. Будь-який стабілізатор будується на нелінійному елементі, що має спадаючу залежність проходить через нього струму при відносно постійній напрузі. Найпоширенішим таким елементом є стабілітрон. Його Вольтамперна характеристика представлена на рис. 0.


Рис. 0.

Для виведення його на робочу точку необхідно задати робочий струм в діапазоні між Iст.мін і Iст.макс. Схема найпростішого стабілітрон представлена на рис. 1.


Рис. 1.

Вона складається з, власне, стабілітрон і струмообмежувальним (Оптимізації) резистора, який розраховується за формулою:

Rб = (Eп-Uвих) / Iраб,

де
Rб – опір резистора Оптимізації;
Eп – Напруга первинного джерела живлення (наприклад акумулятора або трансформатора з нестабілізованим випрямлячем);
Uвих – вихідна стабілізовану напругу;
Iраб – робочий струм стабілітрон (вибирається в діапазоні від Iст.мін до Iст.макс)

Треба сказати, що струм стабілізації такого стабілізатора вельми невеликий. Зазвичай Iст.мін = 3 … 5 мА, а Iст.макс = 22 .. 30 мА. Тому схема по рис. 1 використовується звичайно як первчний стабілізатор, що дає опорне вбрані. До речі вихідна напруга стабілізатора залежить тільки від типу стабілітрон і до того ж досить сильно змінюється від зразка до зразка. Для регулювання напруги стабілізації можна використовувати схему рис. 2 (зліва ми бачимо схему класичного аналога).


Рис. 2.

Її включають замість стабілітрон VD1 на рис. 1. Напруга стабілізації такого стабілітрон можна розрахувати за формулою

Eст = (Uст +0,7 В) * (R1 + R2) / R2

Для збільшення вихідного струму стабілітрон можна використовувати транзистор у схемі включення з загальним емітером (ОЕ). Схема такого включення представлена на рис. 3.


Рис. 3.

Це по своїй суті паралельний стабілізатор. Його основна гідність – не боїться перевантажень (при достатній потужності Оптимізації резистора Rб). Недолік цього стабілізатора – низький к.к.д.. За відсутності навантаження весь струм стабілізації розсіюється на регулюючому транзисторі VT1. Розраховується так само, як і стабілізатор по рис. 1. Тільки робочий струм стабілізації IР увілічівается в коефіцієнт посилення по струму (h21е) транзистора VT1.

Для збільшення вихідного струму стабілізатора можна так само використовувати емітерний повторювач рис. 4.


Рис. 4.

Такі схеми найбільш часто використовуються в радіоаматорського практиці. Струм стабілізації більше робочого струму стабілітрон в коефіцієнт посилення по струму (h21е) транзистора VT1. Коефіцієнт стабілізації такого стабілізатора невеликий. Для зменшення пульсацій в ланцюг бази транзистора вставляють RC-фільтр на елементах RфCф рис. 5.


Рис. 5.

Чим більше постійна часу цього ланцюга t = Rф * CФ – тим більше коефіцієнт фільтрації. Не забудьте поставити додатковий блокувальний конденсатор щодо виходу Cбл. А якщо це у Вас незалежне джерело – привантаження трохи його по виходу Rш. Струм через Rш порядку 3 … 5 мА. Це необхідно для виведення на робочу точку транзистора VT1. Інакше, через зворотного струму транзистора вихідна напруга може наближатися до напруги харчування Eп.

Недотатком схем по рис. 4 і рис. 5 є необмежений струм при короткому замиканні. Цей недолік усунуто в схемі рис. 6.


Рис. 6.

Тут по виходу варто резистор, вихідний струм на якому створює падіння напруги, яка, у свою чергу відмикає ключовою транзітор VT2 при перевищенні вихідним струмом граничної величини, який у свою чергу шунтується базу VT1. Таким чином вихідний струм обмежується на цьому рівні.

Струм обмеження розраховується за формулою:

Iогр = UбеVT2/Rш = ~ (0,7 В) / Rш

Як говорилося вище, робочий струм стабілітрон лежить в межах Iст.мін = 3 … 5 мА, а Iст.макс = 22 .. 30 мА, отже 19 … 25 мА. Вихідний струм емітерний повторювача стабілізатора більше робочого струму стабілітрон приблизно в h21е раз, тобто десь 400 … 1500 мА. Збільшити вихідний струм до великих значень дозволить застосування складеного емітерний повторювача – схеми Дарлінгтона рис. 7. Вихідна напруга стабілізації буде менше напруги на стабілітрон на падіння напруги на двох переходах транзисторів. Це приблизно 1,4 У причому досить нестабільні.


Рис. 7.

Для зменшення коефіцієнта пульсацій можна застосувати електронний фільтр R1C1 рис. 8, а складовою транзистор краще застосувати в поєднанні транзисторів різного типу провідності pnp – npn.


Рис. 8.

Це дозволить залишити тільки один pn-перехід між напругою опорного стабілітрон і вихідним напругою. Якщо вставити в ланцюг емітера транзистора VT2 діод VD1 у зворотному включенні і прочинити його струмом через додатковий резистор R3 вийде непогана захист від короткого замикання (КЗ) мал. 9.


Рис. 9.

Так при перевантаженні по виходу напруга Uвих почне зменшуватися і отже струм через резистор R3 почне зменшуватися. Це призведе до закриття діода VD2, транзистора VT2 і відповідно транзистора VT1.

На жаль такий захист тільки обмежує струм і не завжди витримує тривалі перевантаження. Для захисту від теплового пробою транзисторів можна додатково ввести діод VD3 шунтувальний на загальний провід базу предоконечного транзистора і таким чином закриває керуючі транзистори під час перевантажень рис. 10.


Рис. 10.

Ця схема переперевірені десятки разів і добре працює як при високих вихідних напругах, так і при досить низьких – аж до 2 … 3 В. При низьких вихідних напругах замість стабілітрон VD1 зазвичай застосовують світлодіод у прямому включенні.

Треба сказати, що схему захисту можна виконати і трохи інакше рис. 11.


Рис. 11.

Тут транзистор захисту з опорною напругою на базі включений в нормальному режимі у зворотній полярності. У режимі КЗ його емітер виявляється підключений до загального проводу, він відкривається і шунтується опорний стабілітрон. Напруга на ньому і на виході стабілізатора падає до нуля.

Хотілося б зауважити, що описані вище стабілізатори не мають у своєму складі підсилювачів напруги. Та й по струму коефіцієнт підсилення не настільки великий. Це призводить до того, що коеффіціет стабілізації цих схем досить таки низький. У кращому випадку це кілька сотень. Отримати більш високі коефіцієнти стабілізації можна за допомогою компенсаційних схем.

Подальше знайомство з системами стабілізації вимагає додаткових обсягів пам'яті всесвітньої мережі. Так, що про компесаціонних стабілізаторах поговоримо на наступної сторінці.

Тисни сюди 🙂
Про компесаціонних стабілізаторах.