8-900-374-94-44
от admin
Довольно распространенная схема такого блока питания выполнена на двух транзисторах, силовом p-n-p КТ818 и усилителе КТ815. Схема для начинающих и они часто задают вопрос, можно ли выполнить эту схему на более распространенном силовом n-p-n транзисторе. Сделать можно, результаты даже лучше, чем на КТ818. О том, как это сделать рассказано в этой статье.
Для начала приведу, базовую, назовем ее так, схему простого блока питания на силовом p-n-p транзисторе КТ818.
Схема простого блока питания состоит из понижающего трансформатора Tr1, двухполупериодного выпрямителя на четырех диодах 1N4007, конденсатора фильтра С1, резистора R1, ограничивающего ток стабилитрона VD1, регулятора напряжения R4, усилителя на Т2, силового транзистора Т1, цепи регулировки тока R5 с ограничителем R2, диода развязки тока базы Т2 и резистора, повышающего стабильность работы схемы при разных токах нагрузки R3.
Максимальное выходное напряжение определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора, рабочим напряжением стабилитрона VD1, допустимым напряжением транзисторов Т1 и Т2.
Максимальный ток нагрузки определяется мощностью трансформатора Tr1, соответственно диаметром провода вторичной обмотки, током диодов выпрямителя, максимальным током К-Э транзистора Т1, его коэффициентом усиления и как следствие, его током базы и параметрами транзистора Т2, который должен увеличить малый ток от стабилитрона до необходимого значения тока базы силового транзистора Т1, иначе Т1 полностью не откроется и на выходе не будет увеличения напряжения и тока при повороте соответствующих регуляторов (R4, R5).
Учитывая изложенный выше принцип работы схемы, был изготовлен вариант на силовом транзисторе n-p-n по следующей схеме.
В качестве транзисторов были опробованы несколько вариантов:
Т1 – КТ819, КТ805, КТ829, КТ8109, КТ8101
Т2 – КТ814, КТ816, КТ973
Сочетания транзисторов использовались разные.
Наилучшие результаты получены на транзисторах Т1 КТ805БМ и Т2 КТ814В1.
Вот как выглядят детали, примененные в этой схеме:
Диапазон регулировки напряжения и тока самый широкий, падение напряжения на силовом транзисторе Т1 самое низкое и соответственно его нагрев меньше.
Что еще важно учитывать при изготовлении этой, и других подобных схем линейных стабилизаторов.
Самый простой выход для повышения КПД, подобрать трансформатор с отводами на вторичной обмотке и поставить переключатель. В таком случае при нужном напряжении на выходе 5В на входе можно установить 7В. В этом случае, при том же токе 2А, на транзисторе Т1 будет рассеиваться мощность 4Вт. Это более чем в 4 раза меньше, чем в предыдущем случае.Материал статьи продублирован на видео:
youtube.com/embed/9vHgOWv1oTQ?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»> Многие современные приборы имеют возможность регулировать свои параметры, в том числе значения тока и напряжения. За счет этого можно настроить любое устройство в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Для этих целей существует регулятор тока, выпускаемый в различных конфигурациях и конструкциях. Процесс регулировки может происходить как с постоянным, так и с переменным током.
Содержание
Основными рабочими элементами регуляторов служат тиристоры, а также различные типы конденсаторов и резисторов. В высоковольтных устройствах дополнительно используются магнитные усилители. Модуляторы обеспечивают плавность регулировок, а специальные фильтры способствуют сглаживанию помех в цепи. В результате, электрический ток на выходе приобретает более высокую стабильность, чем на входе.
Регуляторы постоянного и переменного тока имеют свои особенности и отличаются основными параметрами и характеристиками. Например, регулятор напряжения постоянного тока имеет более высокую проводимость, при минимальных потерях тепла. Основой прибора является тиристор диодного типа, обеспечивающий высокую подачу импульса за счет ускоренного преобразования напряжения. Резисторы, используемые в цепи, должны выдерживать значение сопротивления до 8 Ом. За счет этого снижаются тепловые потери, предохраняя модулятор от быстрого перегрева.
Регулятор постоянного тока может нормально функционировать при максимальной температуре 40С. Этот фактор следует обязательно учитывать в процессе эксплуатации. Полевые транзисторы располагаются следом за тиристорами, поскольку они пропускают ток лишь в одном направлении. За счет этого отрицательное сопротивление будет сохраняться на уровне, не превышающем 8 Ом.
Основным отличием регулятора переменного тока является использование в его конструкции тиристоров исключительно триодного типа.
Однако полевые транзисторы применяются такие же, как и в регуляторах постоянного тока. Конденсаторы, установленные в цепь, выполняют лишь стабилизирующие функции. Фильтры высокой частоты встречаются очень редко. Все проблемы, связанные с высокими температурами, решаются установкой импульсных преобразователей, расположенных следом за модуляторами. В регуляторах переменного тока, мощность которых не превышает 5 В, применяются фильтры с низкой частотой. Управление по катоду в таких приборах выполняется путем подавления входного напряжения.
Во время регулировок в сети должна быть обеспечена плавная стабилизация тока. При высоких нагрузках схема дополняется стабилитронами обратного направления. Для их соединения между собой используются транзисторы и дроссель. Таким образом, регулятор тока на транзисторе выполняет преобразование тока быстро и без потерь.
Следует отдельно остановиться на регуляторах тока, предназначенных для активных нагрузок. В схемах этих устройств используются тиристоры триодного типа, способные пропускать сигналы в обоих направлениях.
Ток анода в цепи снижается в тот период, когда понижается и предельная частота данного устройства. Частота может колебаться в пределах, установленных для каждого прибора. От этого будет зависеть и максимальное выходное напряжение. Для обеспечения такого режима используются резисторы полевого типа и обычные конденсаторы, способные выдерживать сопротивление до 9 Ом.
Очень часто в таких регуляторах применяются импульсные стабилитроны, способные преодолевать высокую амплитуду электромагнитных колебаний. Иначе, в результате быстрого роста температуры транзисторов, они сразу же придут в нерабочее состояние.
Прежде чем рассматривать схему регулятора напряжения, необходимо хотя-бы в общих чертах ознакомиться с принципом его работы. В качестве примера можно взять тиристорный регулятор напряжения, широко распространенный во многих схемах.
Основной деталью таких устройств, как регулятор сварочного тока является тиристор, который считается одним из мощных полупроводниковых устройств.
Лучше всего он подходит для преобразователей энергии с высокой мощностью. Управление этим прибором имеет свою специфику: он открывается импульсом тока, а закрывается при падении тока почти до нулевой отметки, то есть ниже тока удержания. В связи с этим, тиристоры преимущественно используются для работы с переменным током.
Регулировать переменное напряжение с помощью тиристоров можно разными способами. Один из них основан на пропуске или запрете целых периодов или полупериодов на выход регулятора. В другом случае тиристор включается не в начале полупериода напряжения, а с небольшой задержкой. В это время напряжение на выходе будет нулевым, соответственно мощность не будет передаваться на выход. Во второй части полупериода тиристором уже будет проводиться ток и на выходе регулятора появится напряжение.
Время задержки известно еще и как угол открытия тиристора. Если он имеет нулевое значение, все входное напряжение будет попадать на выход, а падение напряжения на открытом тиристоре будет потеряно.
Когда угол начинает увеличиваться, под действием тиристорного регулятора выходное напряжение будет снижаться. Следовательно, если угол, равен 90 электрическим градусам, на выходе будет лишь половина входного напряжения, если же угол составляет 180 градусов – выходное напряжение будет нулевым.
Принципы фазового регулирования позволяют создать не только регулятор тока и напряжения для зарядного устройства, но и схемы стабилизации, регулирования, а также плавного пуска. В последнем случае напряжение повышается постепенно, от нулевой отметки до максимального значения.
На основе физических свойств тиристоров была создана классическая схема регулятора тока. В случае применения охладителей для диодов и тиристора, полученный регулятор сможет отдавать в нагрузку до 10 А. Таким образом, при напряжении 220 вольт появляется возможность регулировки напряжения на нагрузке, мощностью 2,2 кВт.
Подобные устройства состоят всего из двух силовых компонентов – тиристора и диодного моста, рассчитанных на ток 10 А и напряжение 400 В.
Диодный мост осуществляет превращение переменного напряжения в однополярное пульсирующее напряжение. Фазовая регулировка полупериодов выполняется с помощью тиристора.
Принципы дуговой сварки известны всем, кто сталкивался со сварочными работами. Для получения сварочного соединения, требуется создать электрическую дугу. Она возникает в том момент, когда напряжение подается между сварочным электродом и свариваемым материалом. Под действием тока дуги металл расплавляется, образуя между торцами своеобразную расплавленную ванну. Когда шов остывает, обе металлические детали оказываются крепко соединенными между собой.
В нашей стране частота переменного тока составляет 50 Гц, фазное напряжение питания – 220 В.
В каждом сварочном трансформаторе имеется две обмотки – первичная и вторичная. Напряжение вторичной обмотки трансформатора или вторичное напряжение составляет 70 В.
Сварка может проводиться в ручном или автоматическом режиме. В домашних условиях, когда создан регулятор тока и напряжения своими руками, сварочные работы выполняются ручным способом. Автоматическая сварка используется в промышленном производстве при больших объемах работ.
Ручная сварка имеет ряд параметров, подлежащих изменениям и регулировкам. Прежде всего, это касается силы сварочного тока и напряжения дуги. Кроме того, может изменяться скорость электрода, его марка и диаметр, а также количество проходов, требующихся на один шов. В связи с этим, большое значение имеет правильный выбор параметров и поддержание их оптимальных значений в течение всего сварочного процесса. Только таким образом можно обеспечить качественное сварное соединение.
Изменение силы тока при сварке может выполняться различными способами.
Наиболее простой из них заключается в установке пассивных элементов во вторичной цепи. В этом случае используется последовательное включение в сварочную цепь резистора или дросселя. В результате, сила тока и напряжение дуги изменяется за счет сопротивления и вызванного им падения напряжения. Дополнительные резисторы позволяют смягчить вольтамперные характеристики источника питания. Они изготавливаются из нихромовой проволоки диаметром 5-10 мм. Данный способ чаще всего используется, когда требуется изготовить регулятор тока. Однако такая конструкция обладает небольшим диапазоном регулировок и сложностями перестройки параметров.
Следующий способ регулировок связан с переключением количества витков трансформаторных обмоток. За счет этого происходит изменение коэффициента трансформации. Данные регуляторы просты в изготовлении и эксплуатации, достаточно всего лишь сделать отводы при намотке витков. Для коммутации применяется переключатель, способный выдерживать большие значения тока и напряжения.
Так же, как и в ситуациях, когда нам необходимо регулировать напряжение в наших конструкциях, существуют сценарии, в которых нам необходимо регулировать ток, подаваемый на определенную часть нашей цепи. В отличие от преобразования (перехода с одного уровня напряжения на другой), которое обычно является одной из основных причин регулирования напряжения, регулирование тока обычно заключается в поддержании постоянного тока, независимо от изменений сопротивления нагрузки или входного напряжения. Схемы (встроенные или нет), которые используются для достижения 9Источники постоянного тока 0003 называются (постоянными) регуляторами тока , и они очень часто используются в силовой электронике.
Хотя регуляторы тока использовались в нескольких приложениях на протяжении многих лет, до недавнего времени они, возможно, не были одной из самых популярных тем в разговорах о проектировании электроники. Текущие регуляторы в настоящее время достигли своего рода повсеместного статуса из-за их важных приложений в светодиодном освещении среди других приложений.
В сегодняшней статье мы рассмотрим эти регуляторы тока и рассмотрим лежащие в их основе принципы работы, их конструкцию, типы и области применения среди прочего .
Принцип работы регулятора тока
Принцип работы регулятора тока аналогичен работе регулятора напряжения, с основным отличием в регулируемом параметре и величине, которую они изменяют для обеспечения своего выхода. В регуляторах напряжения ток изменяется для достижения требуемого уровня напряжения, в то время как регуляторы тока обычно предполагают изменение напряжения/сопротивления для достижения требуемого выходного тока.
Чтобы понять, как работают регуляторы тока, нужно быстро взглянуть на закон Ома;
V=IR или I = V/R
Это означает, что для поддержания постоянного тока на выходе эти два свойства (напряжение и сопротивление) должны поддерживаться постоянными в цепи или регулироваться таким образом, чтобы при наличии изменение одного, значение другого корректируется соответствующим образом, чтобы сохранить тот же выходной ток. Таким образом, регулирование тока включает в себя регулировку либо напряжения, либо сопротивления в цепи 9.0004 или обеспечить неизменность значений сопротивления и напряжения независимо от требований/влияний подключенной нагрузки.
Работа регулятора тока
Чтобы правильно описать принцип работы регулятора тока, давайте рассмотрим принципиальную схему ниже.
Переменный резистор в приведенной выше схеме используется для представления действия регулятора тока.
Предположим, что переменный резистор автоматизирован и может автоматически регулировать свое сопротивление. Когда цепь включена, переменный резистор регулирует свое сопротивление, чтобы компенсировать изменения тока из-за изменения сопротивления нагрузки или напряжения питания. Из базового класса электричества вы должны помнить, что при увеличении нагрузки, которая по существу представляет собой сопротивление (+ емкость/индуктивность), происходит эффективное падение тока, и наоборот. Таким образом, когда нагрузка в цепи увеличивается (увеличение сопротивления), а не падение тока, переменный резистор уменьшает собственное сопротивление, чтобы компенсировать повышенное сопротивление и обеспечить протекание того же тока. Таким же образом, когда сопротивление нагрузки уменьшается, переменное сопротивление увеличивает собственное сопротивление, чтобы компенсировать уменьшение, тем самым сохраняя значение выходного тока.
Другой подход к регулированию тока заключается в подключении резистора достаточной мощности параллельно нагрузке таким образом, чтобы в соответствии с законами основного электричества ток протекал по пути с наименьшим сопротивлением, который в данном случае будет проходить через нагрузку, только с «незначительным» током, протекающим через резистор высокого номинала.
Эти изменения также влияют на напряжение, поскольку некоторые регуляторы тока поддерживают ток на выходе, изменяя напряжение. Таким образом, практически невозможно регулировать напряжение на том же выходе, на котором регулируется ток.
Конструкция регуляторов тока
Регуляторы тока обычно реализуются с использованием регуляторов напряжения на основе интегральных схем, таких как MAX1818 и LM317, или с использованием мармеладных пассивных и активных компонентов, таких как транзисторы и стабилитроны.
Проектирование регуляторов тока с использованием регуляторов напряжения
Для проектирования регуляторов тока с использованием регуляторов напряжения на основе интегральных схем метод обычно включает настройку регуляторов напряжения для обеспечения постоянного сопротивления нагрузки. Обычно используются линейные регуляторы напряжения, поскольку: напряжение между выходом линейных регуляторов и их землей обычно жестко регулируется, поэтому между выводами можно вставить постоянный резистор, чтобы на нагрузку протекал фиксированный ток.
Хороший пример дизайна, основанного на этом, был опубликован Budge Ing в одной из публикаций EDN в 2016 году.0007
Используемая схема использует линейный стабилизатор LDO MAX1818 для создания регулируемого источника постоянного тока на стороне высокого напряжения. Источник питания (показан на изображении выше) был разработан таким образом, что он питает RLOAD постоянным током, равным I = 1,5 В/ROUT. Где 1,5 В — предустановленное выходное напряжение
Для обеспечения оптимальной работы схемы напряжение на входе MAX1818 должно быть до 2,5 В и не выше 5,5 В, так как это рабочий диапазон, указанный в техническом описании. Чтобы выполнить это условие, выберите значение ROUT, которое допускает от 2,5 В до 5,5 В между IN и GND. Например, когда нагрузка, скажем, 100 Ом с 5 В VCC, устройство работает должным образом с ROUT выше 60 Ом, поскольку это значение допускает максимальный программируемый ток 1,5 В / 60 Ом = 25 мА.
Тогда напряжение на устройстве будет равно минимально допустимому: 5 В — (25 мА × 100 Ом) = 2,5 В.
Другие линейные регуляторы, такие как LM317, также могут быть использованы в аналогичном процессе проектирования, но одним из основных преимуществ ИС , таких как MAX1818, является тот факт, что они включают отключение при перегреве, что может быть очень важно при текущем регулировании. , так как температура микросхемы имеет тенденцию к нагреву при подключении нагрузок с высокими требованиями к току.
Для регулятора тока на базе LM317 рассмотрим схему ниже;
LM317 сконструированы таким образом, что регулятор продолжает регулировать свое напряжение до тех пор, пока напряжение между его выходным контактом и его контактом регулировки не достигнет 1,25 В, и поэтому делитель обычно используется при реализации в ситуации регулятора напряжения. . Но для нашего варианта использования в качестве регулятора тока это на самом деле упрощает нам задачу, потому что, поскольку напряжение постоянно, все, что нам нужно сделать, чтобы сделать ток постоянным, — это просто вставить резистор последовательно между выводами Vout и ADJ.
I = 1,25/р
Значение R является определяющим фактором значения выходного тока.
Чтобы создать регулятор переменного тока, нам нужно всего лишь добавить переменный резистор в схему вместе с другим резистором, чтобы создать делитель для регулируемого контакта, как показано на рисунке ниже.
Схема работает так же, как и предыдущая с той разницей, что ток в цепи можно регулировать, поворачивая ручку потенциометра для изменения сопротивления. Напряжение на R определяется по формуле;
В = (1 + R1/R2) x 1,25
Это означает, что ток через R определяется выражением;
I R = (1,25/R) x (1+ R1/R2).
Это дает цепи ток в диапазоне I = 1,25/R и (1,25/R) x (1 + R1/R2)
Зависит от установленного тока; убедитесь, что мощность резистора R может выдержать ток, который будет протекать через него.
Преимущества и недостатки использования LDO в качестве регулятора тока
Ниже приведены некоторые преимущества выбора линейного регулятора напряжения.
Недостатки:
С другой стороны, конфигурации, описанные в подходе ИС регулятора, допускают протекание тока покоя от регулятора к нагрузке в дополнение к регулируемому выходному напряжению. Это приводит к ошибке, которая может быть недопустима в некоторых приложениях. Однако это можно уменьшить, выбрав регулятор с очень низким током покоя.
Другим недостатком ИС регулятора является отсутствие гибкости конструкции.
Помимо использования ИС регулятора напряжения, регуляторы тока также могут быть разработаны с использованием мармеладных компонентов, включая транзисторы, операционные усилители и стабилитрон с необходимыми резисторами. В схеме используется стабилитрон, вероятно, это несложно, как если вы помните, что стабилитрон используется для регулирования напряжения. Конструкции регуляторов тока с использованием этих деталей наиболее гибкие, поскольку их обычно легко интегрировать в существующие схемы.
Регулятор тока на транзисторах
В этом разделе мы рассмотрим две конструкции. В первом будут использоваться только транзисторы, а во втором будет сочетание операционного усилителя и силового транзистора .
Для варианта с транзисторами рассмотрите схему ниже.
Регулятор тока, описанный в приведенной выше схеме, является одной из простейших конструкций стабилизатора тока. Это регулятор тока низкой стороны ; Подключал после нагрузки до земли. Он состоит из трех ключевых компонентов; управляющий транзистор (2N5551), силовой транзистор (TIP41) и шунтирующий резистор (R). Шунт, представляющий собой маломощный резистор, используется для измерения тока, протекающего через нагрузку. При включении цепи отмечается падение напряжения на шунте. Чем выше значение сопротивления нагрузки RL, тем выше падение напряжения на шунте. Падение напряжения на шунте действует как триггер для управляющего транзистора, так что чем выше падение напряжения на шунте, тем больше транзистор проводит, и регулирует напряжение смещения, приложенное к базе силового транзистора, чтобы увеличить или уменьшить проводимость с резистор R1, выполняющий роль резистора смещения.
Как и в других схемах, переменный резистор может быть добавлен параллельно шунтирующему резистору для изменения уровня тока путем изменения величины напряжения, подаваемого на базу управляющего транзистора.
Регулятор тока с использованием операционного усилителя
Для второго пути проектирования рассмотрим схему ниже;
Эта схема основана на операционном усилителе , и, как и в примере с транзистором, также использует шунтирующий резистор для измерения тока. Падение напряжения на шунте подается на операционный усилитель, который затем сравнивает его с опорным напряжением, установленным стабилитроном ZD1. Операционный усилитель компенсирует любые расхождения (высокие или низкие) в двух входных напряжениях, регулируя свое выходное напряжение. Выходное напряжение операционного усилителя подключено к высокомощному полевому транзистору, и проводимость осуществляется в зависимости от приложенного напряжения.
Основное различие между этой схемой и первой заключается в опорном напряжении, реализуемом стабилитроном. Обе эти конструкции являются линейными, и при высоких нагрузках будет выделяться большое количество тепла, поэтому к ним должны быть подключены радиаторы для рассеивания тепла.
Преимущества и недостатки
Основным преимуществом этого подхода к проектированию является гибкость, которую он предоставляет разработчику. Детали могут быть выбраны, а конструкция сконфигурирована по вкусу без каких-либо ограничений, связанных с внутренней схемой, которая характеризует подход, основанный на регуляторе IC.
С другой стороны, этот подход, как правило, более утомителен, требует больше времени, требует большего количества деталей, громоздок, подвержен сбоям и более дорог по сравнению с подходом IC на основе регулятора.
Применение регуляторов тока
Стабилизаторы постоянного тока находят применение во всех типах устройств, от цепей питания до цепей зарядки аккумуляторов, драйверов светодиодов и других приложений, где необходимо регулировать фиксированный ток независимо от применяемого Нагрузка.
Вот и все! Надеюсь, вы узнали одну или две вещи.
До следующего раза!
В этой статье мы анализируем некоторые важные схемы регуляторов напряжения с использованием дискретных компонентов, таких как транзисторы, стабилитроны, резисторы и т. д. Эти регуляторы очень гибки благодаря своим конструктивным характеристикам и могут быть адаптированы для генерации любой уровень постоянного напряжения и постоянного тока по желанию.
Основная функция схемы регулятора постоянного тока состоит в том, чтобы генерировать фиксированное и постоянное напряжение и ток на определенных заданных уровнях. Таким образом, регулятор используется в источнике питания для поддержания выходного напряжения или тока в определенных фиксированных пределах.
Также рекомендуется для вас: Схемы регулятора напряжения с использованием транзистора и стабилитрона выходное напряжение или ток не зависят от нагрузки.
Эти источники должны были бы быть в состоянии производить бесконечное количество энергии, и они, очевидно, просто существовали бы только в теории.
Когда требуется действительно чистый источник постоянного тока, часто становятся полезными линейные стабилизаторы, поскольку они производят меньший шум, пульсации и лучшее управление. Эти стабилизаторы, как правило, представляют собой устройства с тремя клеммами (вход, общая земля и выход), поэтому требуется лишь несколько внешних компонентов (для популярных микросхем регуляторов серий 7800 и 7900 требуется всего пара конденсаторов емкостью от 0,01 мкФ до 1 мкФ, и только при определенных условиях.)
Эти регуляторы могут буквально демонстрировать регулирование намного ниже 1%, а также обеспечивать значительное ограничение тока и встроенную функцию предотвращения отказов. Существуют также импульсные стабилизаторы и микросхемы преобразователей напряжения, которым действительно требуется очень мало внешних конденсаторов и ничего больше.
Эти недорогие регуляторы и преобразователи делают возможным и простым обеспечение дискретных цепей напряжениями, которые не могут быть поданы через основной источник питания системы. Такие конфигурации часто позволяют избежать ограничений по питанию, предоставляя большую свободу проектирования.
В простейшем регуляторе используется устройство с двумя выводами, такое как стабилитрон с характеристикой поддержания постоянного напряжения на нем. На рисунке 1 ниже показана базовая схема.
Зенеровские диоды могут быть соединены последовательно в любой конфигурации для достижения еще более высоких напряжений. Должен быть встроен токоограничивающий (балластный) резистор, так как эти устройства будут пытаться поддерживать постоянное напряжение на клеммах, потребляя любой ток, доступный от источника питания.
Полное сопротивление регулирующего устройства может быть очень низким, и оно может быстро потреблять катастрофические количества тока при отсутствии ограничительного резистора и выйти из строя.
Поэтому для стабилитрона необходим ограничительный резистор. Поскольку регулирующий компонент шунтирован поперек нагрузки, этот тип схемы стабилитрона (рис. 1) часто называют стабилизатором шунтирующего типа.
Этот метод очень хорошо работает для приложений с низким энергопотреблением, когда требуется ток всего в несколько миллиампер, а регулирования (% изменения напряжения или тока при различных нагрузках) достаточно всего на несколько процентов.
Поскольку весь ток, протекающий через ограничительный резистор, представляет собой сумму тока нагрузки и тока регулятора, необходимого для поддержания напряжения, эффективность часто бывает низкой, особенно при малых нагрузках.
Большой ток может проходить через регулятор при отключении или изменении нагрузки. Хотя это не проблема для крошечных схем, таких как схема генератора, потребляющая всего несколько миллиампер, это может быть проблемой в схеме, такой как крошечное цифровое устройство, для которого может потребоваться около 1 ампера при 5 вольтах.
В некоторых случаях (светодиоды, выключатели) система может потреблять менее 50 миллиампер в режиме ожидания и 1 ампер в активном режиме. В таких случаях стабилизатор на стабилитроне будет крайне неэффективен, так как ему придется пропускать примерно 1 А через стабилитрон, пока система простаивает и, следовательно, не потребляет свой рабочий ток.
В таком случае, если бы входное напряжение составляло 12 В, эффективность регулятора 12 В на 5 В могла бы быть крайне низкой из-за наличия постоянной нагрузки более 1 А на источнике 12 В, даже если нагрузка на 5 сторона питания вольта была маленькой.
Это соответствует 12 Вт или даже больше выделению тепла, что является крайне неэффективным условием.
Простым решением является использование активного регулятора, который может не потреблять столько тока для работы.
Следует, однако, отметить, что всегда будет некоторая потеря напряжения на регуляторе. Поскольку схема регулятора представляет собой усилитель, для ее работы требуется некоторое напряжение.
Напряжение база-эмиттер проходного транзистора составляет от 0,6 до 0,7 вольт, и в резисторах смещения будут некоторые потери напряжения. Входное напряжение должно быть постоянно как минимум на 2–5 вольт выше максимального ожидаемого выходного напряжения; он никогда не должен опускаться ниже этого уровня, иначе это повлияет на управление выходом.
Это минимальное напряжение должно всегда поддерживаться при минимальном входном линейном напряжении при полной нагрузке. Ниже этого порога мгновенные изменения из-за пульсаций входного питания, переходных процессов нагрузки и т. д. приведут к потере регулирования («пропаданию»).
На рис. 2 ниже транзистор эмиттерного повторителя используется для минимизации тока, потребляемого устройством регулятора. На стабилитрон поступает 10 или 20 мА. Это напряжение подается на базу транзистора, который называется «проходным» транзистором, поскольку он предназначен для прохождения тока нагрузки.
Это может быть мощный транзистор, рассчитанный на многоамперный ток.
Ток нагрузки состоит из тока коллектора, составляющего основную часть тока, и тока базы. Ток базы равен току коллектора, деленному на коэффициент усиления транзистора по постоянному току (или бета, которая обычно равна 50).
Предполагая, что транзистор имеет усиление по току β, равное 50, и ток нагрузки 1 ампер, ток коллектора можно рассчитать, как указано ниже
Ток коллектора = β/(β+1) = 1 ампер или 50/51 ампер.
Базовый ток можно рассчитать по следующей формуле:
Базовый ток = 1/(β +1) или 1/51 ампер.
Это несколько меньше 20 миллиампер. На рис. 2 выше показана базовая конструкция регулятора.
На рис. 3 ниже показано, как вспомогательный транзистор можно использовать в качестве промежуточного каскада, если проходной транзистор является устройством с очень высоким током и низким значением hFE.
Промежуточный транзистор сконфигурирован как пара Дарлингтона с проходным транзистором, что значительно увеличивает коэффициент усиления по току, а также повышает его способность передавать ток.
Следует отметить, что при отсутствии нагрузки единственным током, потребляемым схемой, является ток только стабилитрона.
Также можно присоединить переменный резистор или потенциометр к стабилитрону, и если вы подсоедините движок потенциометра к базе транзистора, вы можете получить переменное выходное напряжение, как показано на рис. Рис. 4 ниже.
Проблема с этой схемой в том, что она не лучше (на самом деле, несколько хуже), чем стабилитрон в качестве регулятора. Не существует системы, гарантирующей, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным.
Кроме того, падение напряжения между базой и эмиттером проходного транзистора приводит к небольшому снижению выходного напряжения (обычно от 0,6 до 0,7 В на транзистор).
Если потенциометр используется для изменения выходного напряжения, вы можете обнаружить дополнительные потери из-за сопротивления потенциометра.
Это сопротивление приводит к снижению регулирования. Регулятор не может узнать, упало ли выходное напряжение. Что действительно необходимо, так это средство для измерения выходного напряжения, сравнения его с установленным эталоном и автоматического изменения выходного напряжения на соответствующее значение.
Это требует использования механизма обратной связи для регулирования выходного напряжения. С еще несколькими элементами мы покажем вам действительно простой способ добиться этого.
На рис. 5 ниже показан очень простой регулятор с обратной связью, в котором выходное напряжение имеет некоторый контроль над своим точным уровнем. R1 и R2 образуют делитель напряжения, который измеряет выходное напряжение и посылает его на базу транзистора Q1.
Падение напряжения на стабилитроне D1 удерживает на эмиттере Q1 заданное и регулируемое напряжение. Ток смещения от R3 и ток эмиттера от Q1 вызывают этот провал.
Это падение создается током смещения R3 и током эмиттера Q1.
Если выходное напряжение падает, транзистор Q1 отключается, позволяя меньшему току течь через резистор смещения R4. Напряжение на коллекторе увеличится, увеличивая напряжение на базе проходного транзистора Q2 и, следовательно, на эмиттере Q2, который, как правило, является выходным выводом регулятора питания.
Это увеличение напряжения будет отправлено на базу Q1, компенсируя первоначальный провал. Общее воздействие приведет к повышению стабильности выходного напряжения.
Эта настройка, однако, не идеальна. Схема регулятора представляет собой усилитель с обратной связью с ограниченным коэффициентом усиления. Поскольку усиление по напряжению в основном обеспечивается Q1, схема может иметь чистое усиление по напряжению без обратной связи, которое может составлять около 20-100, в зависимости от усиления Q1, нагрузки источника питания, импеданса стабилитрона и других параметров.
Усиление контура можно определить как произведение общего усиления на коэффициент обратной связи.
В этой ситуации коэффициентом обратной связи является отношение R2 /(R1 + R2). При прочих равных, чем больше коэффициент усиления контура, тем лучше регулирование. На самом деле эта схема будет предлагать улучшение регулирования в 10 или более раз по сравнению с более ранними схемами. Однако эта схема имеет определенные ограничения, некоторые из которых следующие:
Эти проблемы могут быть решены путем настройки схемы и установки нескольких дополнительных компонентов. Первую проблему можно решить с помощью низковольтного стабилитрона, хотя самые надежные стабилитроны рассчитаны примерно на 5–8 вольт.
Можно использовать вторичную плавающую цепь источника питания для подачи напряжения ниже (отрицательного) земли и переводить R2 на отрицательное напряжение, а не на землю.
Подключите сопротивление к входу, и падение напряжения на нем может работать как функция тока нагрузки, которая может влиять на выход регулятора. Дополнительный коэффициент усиления без обратной связи можно получить, используя дополнительные транзисторы или операционный усилитель.
На рис. 6 ниже показан один из способов включения ограничения тока. Резистор R4 соединен последовательно с PNP-транзистором Q1, который служит источником тока.
Этот резистор необходим для ограничения тока, подаваемого на D1. На базе транзистора Q1 диоды D2 и D3 генерируют очень постоянное напряжение, которое на 1,4 В ниже входного напряжения регулятора.
Q1 проводит ток до тех пор, пока падение напряжения, вызванное током коллектора проходного транзистора, составляет менее 0,7 В на выборочном резисторе R5. По мере нарастания тока нагрузки падение на резисторе R5 возрастает до такой степени, что оно начинает отключать транзистор Q1.
Резистор R4 теперь может вызывать падение базового напряжения проходного транзистора Q2, вызывая уменьшение выходного напряжения регулятора. Поскольку этот ток также смещает эталонный стабилитрон D1, опорное напряжение падает, снижая выходное напряжение. Таким образом, ток, отбираемый от регулятора, может быть ограничен таким образом.
Падение на 0,7 В на резисторе R5 инициирует ограничение тока, поэтому сопротивление резистора R5 должно быть равно 0,7/(Предел тока) или около 0,7 Ом для 1 ампера, 0,35 Ом для 2 ампер и т. д.
На рис. 7 ниже показано, как можно использовать операционный усилитель для улучшения управления. Обратите внимание, что прирост теперь резко увеличится.
Тем не менее, в определенных обстоятельствах почти наверняка потребуется частотная коррекция, так как фазовый сдвиг контура может вызывать колебания на некоторых или всех стадиях нагрузки.
Хотя напряжение смещения для операционного усилителя может подаваться непосредственно от стабилизатора, обычно желательно наличие дополнительного вспомогательного источника малой мощности.
Для операционного усилителя может потребоваться отрицательный источник, особенно в том случае, если регулятор предназначен для регулировки или понижения выходного напряжения до нуля вольт, как в лабораторном источнике питания.
На этом мы завершаем нашу статью о простых схемах стабилизаторов напряжения. Если у вас есть какие-либо вопросы или изменения, связанные с вышеуказанными концепциями, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать ниже для быстрого ответа.
Ссылаясь на рисунок выше, можно построить трехступенчатый источник питания с регулируемым напряжением, последовательно объединив три стабилитрона с переключателем и несколькими другими легкодоступными компонентами.