книги / Транзисторные стабилизаторы напряжения

ББК 32.842 Н19

УДК 621.316.722.1:621.382.3

Р Е Д А К Ц И О Н Н А Я К О Л Л Е Г И Я :

Борисов В. Г., Белкин Б. Г., Бредов А. А., Ванеев В. И., Теншина Е. Н., Гороховский А. В., Ельяшкевич С. А., Жеребцов И. П., Корольков В. Г., Смирнов А. Д., Тарасов Ф. И., Хотунцев Ю. Л., Чистяков Н. И.

Назаров С. В.

Н19 Транзисторные стабилизаторы напряжения.— М.: Энергия, 1980.— 96 с. (Массовая радиобйблиотека. — Вып. 1007).

50к.

Вкниге дано описание принципа построения и работы различных транзисторных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулиро­ ванием; проведена их сравнительная оценка Приведены основные

соотношения по расчету элементов стабилизаторов и практические схемы стабилизаторов различных типов. Даны рекомендации по кон­

Станислав Викторович Назаров

ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Редактор Э. М. Р о м а ш Редактор издательства Т. В. Ж у к о в а

Обложка художника Т. Н. Х р о м о в о й Технический редактор Н. М. П у ш к а р е в а Корректор М. Г. Г у л и н а ИБ № 1170

Издательство «Энергия», 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10

Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государству ном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжна торговли. 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

© Издательство «Энергия», 1980

ПРЕДИСЛОВИЕ

Источники питания являются одним из наиболее распростра­ ненных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры. Качество источников питания — надежность, экономичность, эксплуатационные свойства, габариты — в значительной мере определяет технические показатели устройства в целом.

Постоянное повышение требований к техническим характеристи­ кам радиоэлектронных устройств приводит к тому, что и ко вто­ ричным источникам питания предъявляются все более жесткие тре­ бования.

Напряжение всякого источника питания, будь то аккумулятор­ ная батарея или выпрямитель, как правило, нестабильно. Напри­ мер, напряжение аккумуляторных батарей снижается по мере их разряда, напряжение на выходе выпрямителя зависит от напряже­ ния питающей сети переменного тока. Кроме того, изменение тока, потребляемого радиоэлектронным устройством в процессе его ра­ боты, также ведет к изменению напряжения питания, причем эти изменения тем значительнее, чем больше внутреннее сопротивление источника. Нестабильность питающих напряжений вызывает измене­ ние режимов работы радиоэлектронной аппаратуры. Так, например, уменьшение напряжения питания радиоприемника ведет к уменьше­ нию его выходной мощности и увеличению нелинейных искажений. При значительном снижении напряжения питания исчезают колеба­ ния гетеродина и прием радиосигналов прекращается. При понижен­ ном напряжении питания телевизора ухудшается качество изобра­ жения на его экране. Значительное увеличение питающего напряже­ ния может вызвать пробой конденсаторов, перегрев компонентов аппаратуры и другие явления, приводящие к выходу ее из строя.

Таким образом, для питания современной радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения, а особенно электрорадиоизмерительной и специальной аппаратуры нужно иметь напряжение повы­ шенной стабильности. Этим обусловлен тот факт, что абсолютное большинство источников питания транзисторной радиоэлектронной аппаратуры выполняется с использованием стабилизаторов напряже­ ния или тока. Развитие полупроводниковой техники дало возмож­ ность получить достаточно простые высокостабильные источники практически любой мощности. В качестве таких источников большое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряже­ ния, обладающие хорошей экономичностью, малой массой и габари­ тами. Они позволяют обеспечить питание различных нагрузок (в том числе и импульсного характера), широкий диапазон стабилизиро­ ванных напряжений от долей до нескольких сотен вольт, токи нагру­ зок от нескольких миллиампер до нескольких ампер, низкое внутрен­ нее сопротивление и т. п.

3

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Стабилизатором напряжения принято называть устройство, включаемое в канал передачи энергии (рис. 1) с целью уменьшения относительных изменений напряжения на потребителе энергии при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Дестабилизирующие факторы можно разделить на внешние и внутренние. К внешним факторам относятся изменение входного питающего напряжения, сопротивления нагрузки, колебания темпе­ ратуры окружающей среды, а также ряд других: воздействия элек­ трических и магнитных полей, излучений, влаги, атмосферного дав­ ления и т. п. Последние мало влияют на величину стабилизирован­ ного напряжения и учитываются лишь в специальных случаях.

Рис. 1. Параметры стабилизатора напряжения.

К внутренним дестабилизирующим факторам относятся измене­ ния напряжений источников внутри самого стабилизатора, изменение параметров (нестабильность) различных элементов схем — транзи­ сторов, резисторов и т. д. Эти факторы связаны в основном с про­ цессом старения или произвольным дрейфом параметров отдельных элементов.

Любой дестабилизирующий фактор может изменяться в опре­ деленных пределах, которые называются границами его изменения, от некоторого номинального значения до минимального и макси­ мального значений. Дестабилизирующие факторы могут действовать таким образом, что вызванные ими изменения выходного напряже­ ния стабилизатора совпадают по знаку. Однако при одновременном изменении нескольких дестабилизирующих факторов возможны и та­ кие случаи, когда изменение одного из них компенсирует воздейст­ вие других.

Из перечисленных дестабилизирующих факторов основными, влияющими на стабильность выходного напряжения, являются ко­

5

лебания питающего напряжения UBx, изменение сопротивления на­ грузки RB, колебания температуры окружающей среды Тс и изме­ нение параметров элементов схемы стабилизатора. Поэтому харак­ теристики стабилизаторов обычно рассматриваются как функции перечисленных переменных.

Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими па­ раметрами.

Номинальное входное напряжение UBх — номинальное напряже­ ние источника электроэнергии (выпрямителя, аккумулятора, преобра­ зователя и т._ д.), осуществляющего питание нагрузки через стаби­ лизатор заданным номинальным током.

Стабилизатор должен обеспечивать требуемые выходные пара­ метры при заданных допустимых отклонениях входного напряже­ ния от номинального в сторону увеличения 6щ и в сторону умень­ шения 6iH. Обычно эти отклонения выражают в относительных еди­ ницах, в процентах или в виде дробей:

6IB = (t/вх.макс— Uвх) / Uвх',

5lH= (Uвх-- Uвх.мин) / Uвх-

По заданным 6щ и 6ц, можно определить максимальное Uвх.макс и минимальное UBX.UHB входные напряжения стабилиза­ тора:

//в х.макс —'Uвх(14"б1в) J

Uвх.мии5^!^/вх(1—6IH)*

Номинальное выходное напряжение UB— стабилизированное на­ пряжение, поступающее с. выхода стабилизатора для питания на­ грузки.

В ряде случаев могут быть заданы пределы регулировки выход­ ного напряжения от минимального UB.мин до максимального £/в.макс:

Стабилизатор может быть рассчитан либо на постоянную нагрузку (/н = const), либо на переменную. В последнем случае задаются ма­

ТОКа Нагрузки Л/н==/н.макс—/н.мин.

Относительная нестабильность выходного напряжения Ьи харак­ теризует допустимое относительное отклонение стабилизированного напряжения от его номинального значения при воздействии различ­ ных дестабилизирующих факторов. Параметр Ьи определяется вы­ ражением

6у=|Д//н///н,

где At/H— абсолютное отклонение стабилизированного напряжения от номинального значения.

Коэффициент стабилизации /(ст характеризует стабильность вы* ходного напряжения £/„ при изменении входного напряжения UBх

6

тировании '*схем. К ним, например, относятся необходимость введе­ ния регулировки напряжения или тока, защиты от перегрузок и коротких замыканий, показатель надежности, ориентировочные га­ бариты, масса и т.*п.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Принцип стабилизации напряжения. Принцип стабилизации на­ пряжения рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 2. Напряжение, поступающее от источника питания, подается на на­ грузку через регулирующий элемент РЭ. Если сопротивление РЭ обозначить как Rpэ , то, как видно из рис. 2,6, напряжение на

нагрузке будет определяться сопротивлениями делителя Ррэ и RH:

UB=<UBXR„/(Rp3 + R B).

Выберем напряжение источника питания UBX, бблыиее требуе­ мого напряжения на нагрузке, т. е. 77Вх>77н, тогда

f/pg = U вх--77н.

Пусть напряжение источника tJBX увеличилось, тогда для под­ держания на нагрузке неизменного напряжения UH необходимо увеличить сопротивление регулирующего элемента Р рэ . Ток нагруз­

ки в этом случае остается неизменным, причем 7РЭ = 7 Н.

Предположим теперь, что напряжение Ur,x уменьшилось. Оче­ видно, что в этом случае сопротивление регулирующего элемента для поддержания неизменных UB и 7Н необходимо уменьшить. Та­ ким образом, при изменениях входного напряжения в случае по­ стоянного сопротивления нагрузки Rn для поддержания постоянно­ го U„ сопротивление РЭ необходимо менять' в зависимости от изменения UBX, т. е.

ЯрЭ — f(Uвх) при /р9 =const.

Пусть теперь напряжение источника 7/вх остается неизменным, а меняется сопротивление нагрузки Rn, а значит, и ток нагрузки 7Н. В этом случае с ростом (уменьшением) / н, т. е. с уменьшением (увеличением) Ra, сопротивление РЭ для поддержания постоянного значения U„ необходимо уменьшить (увеличить). Таким образом, для рассматриваемого случая сопротивление РЭ необходимо менять

в зависимости от изменения тока нагрузки 7Н, т. е. #РЭ —f(M при Uрэ = const.

Итак, для достижения эффекта стабилизации необходим РЭ, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой. Таким элементом может быть транзистор достаточно большой мощности.

бильность напряжения источника питания стабилизатора зададим двумя выходными (нагрузочными) характеристиками (зависимостя­ ми напряжения (7ЛХ от тока нагрузки 7Н). На рис. 3,6 одна нагру-

8

зочйая Характеристика соответствует минимальному напряжению источника питания, а вторая — максимальному. Напряжение коллек­ тор — эмиттер транзистора Т равно разности между напряжением источника питания UBх и стабилизированным напряжением UH на нагрузке RH.

— 6

Uex

V

Рис. 3. Использование транзистора в качестве регулирующего элемента.

Для пояснения работы транзистора Т как нелинейного регули­ рующего элемента воспользуемся методом наложения выходных характеристик источника на характеристики транзистора. Отложив

влево от нулевой точки характеристики транзистора / к —/(£ /кэ )

напряжение UB, проведем прямую ОА. От этой прямой отложим вправо напряжение источника питания t/Bx, считая ток нагрузки / н, потребляемый от источника, равным коллекторному току транзисто­ ра / к .

9