3.2. Краткие теоретические сведения о стабилизаторах напряжения

Большинство электронных устройств питается униполярным или биполярным стабилизированным напряжением. Электроснабжение устройств, не имеющих автономного питания, осуществляется от сети переменного напряжения. Через трансформатор и выпрямитель. На выходе выпрямителя наблюдаются существенные пульсации напряжения, которые нелегко полностью устранить с помощью пассивных фильтров. Нестабильности переменного напряжения в электрической сети приводят к колебаниям уровня постоянной составляющей выходного напряжения выпрямителя. Их невозможно устранить ничем другим, кроме стабилизатора напряжения.

П ростейшим способом стабилизации напряжения является применение управляемого транзисторного балласта в схеме без отрицательной обратной связи (ООС), рис. 3.1.

Схема является эмиттерным повторителем. Выходное напряжение в схеме повторителя (U_вых) равно потенциалу базы относительно общей точки входного и выходного напряжений (U_vd) за вычетом падения напряжения на переходе база – эмиттер транзистора (U_бэ):

, (3.1)

где U_бэ для кремниевого транзистора в среднем равно 0,65 В и остается практически постоянным.

Значит, при стабильном значении U_vd выходное напряжение U_вых может оставаться достаточно стабильным в определенных пределах тока нагрузки.

Выходной ток (I_вых) , обеспечиваемый балластным транзистором VT, равен:

, (3.2)

где - ток базы; I_к – ток коллектора; β – коэффициент усиления по току транзистора ( ).

Зная требуемый ток нагрузки стабилизатора I_вых, коэффициент усиления по току транзистора β и ток стабилитрона I_vd при номинальном входном напряжении U_вх, из (3.2) может быть найден необходимый ток базы транзистора I_б и, соответственно, сопротивление балластного резистора R_б:

. (3.3)

Мощность, выделяемая в транзисторе VT, равна произведению падения напряжения на нем и тока коллектора, который практически совпадает со значением тока нагрузки I_н:

. (3.4)

Из (3.4) видно, что мощность, рассеиваемая в балластном транзисторе, пропорциональна разности входного и выходного напряжений стабилизатора. Значение U_вх должно задаваться исходя из возможных колебаний напряжения на выходе выпрямителя, питающего стабилизатор. С учетом того, что вполне допустимыми являются колебания напряжения в питающей электрической сети на ± 10%, а снижение глубины пульсаций на выходе выпрямителя до 0% практически невозможно, рекомендуется иметь превышение среднего значения U_вх над заданным выходным напряжением стабилизатора U_вых не менее, чем на 25%.

Чем выше разность (U_вх - U_вых), тем надежнее защита U_вых от случайных ”провалов” входного напряжения, но, с другой стороны, тем выше мощность P_VT, рассеиваемая балластным транзистором и тем хуже кпд стабилизатора. Обычно кпд линейного стабилизатора задают не менее 50%. Отсюда:

2 U_вых ≥ U_вх ≥ 1,25 U_вых . (3.5)

При разорванной цепи нагрузки (R_н = ∞) ток базы I_б отсутствует и весь ток, ограничиваемый резистором R_б, течет через стабилитрон VD. В этом случае в стабилитроне выделяется максимальная мощность. При подключении R_н ток, протекающий через резистор R_б, разветвляется на I_б и I_vd . В соответствии с формулой (3.2), при заданном значении I_н, ток, отбираемый в цепь базы, равен:

(3.6)

Отбор тока в базу из цепи R_б приведет к снижению тока стабилитрона VD. Характеристика стабилитрона на участке стабилизации напряжения не является идеальной и изменение тока ведет к изменению падения напряжения U_vd на стабилитроне. Внутреннее сопротивление стабилитрона r_VD вычисляется из его вольтамперной характеристики, рис 3.2:

(3.7)

Как видно из характеристики стабилитрона, для качественной и надежной стабилизации напряжения, ток стабилитрона должен быть не ниже I _min и не выше I_max. Чем меньше пределы, в которых изменяется I_vd относительно выбранного значения в исходной рабочей точке , тем в меньших пределах колеблется U_vd и тем лучше качество стабилизации.

Рис. 3.2. Вольтамперная характеристика стабилитрона (слева) и его эквивалентная

схема для ветви стабилизации напряжения (справа)

В ыполнение этого условия требует увеличения коэффициента усиления по току транзистора VT. Однако, мощные транзисторы обычно не обладают большим значением β. Решить данную проблему удается заменой транзистора VT на составной транзистор VT1 – VT2 (схема Дарлингтона), рис. 3.3. Нетрудно показать, что токи эмиттера (вывод Э) и коллектора (вывод К) составного транзистора практически равны и связаны с током его базы (вывод Б) следующим выражением:

, (3.8)

где β₁ и β₂ – коэффициенты усиления по току транзисторов VT1 и VT2, соответственно.

Сравнение формул (3.6) и (3.8) показывает, что необходимый ток базы в схеме стабилизатора напряжения с транзисторным балластом, может быть снижен в β₂ раз при использовании составного транзистора. Это позволяет многократно увеличить сопротивление резистора R_б и тем самым уменьшить перепады тока стабилитрона VD.

Однако, схема Дарлингтона не устраняет, а даже усугубляет другую причину, вызывающую снижение выходного напряжения стабилизатора U_вых при увеличении тока нагрузки. Эта причина связана с наличием у транзистора сопротивления цепи базы h₁₁. В схеме Дарлингтона данное сопротивление удваивается и, кроме этого, из напряжения стабилитрона вычитается удвоенное падение напряжения на p-n переходе, т.е. выходное напряжение будет снижено по сравнению с U_VD на 2 · 0,65 = 1,3 В (для кремния).

Указанные выше недостатки удается существенно снизить, если в схему стабилизатора напряжения ввести регулятор выходного напряжения, рис. 3.4.

Регулирующим элементом в приведенной схеме является транзистор VT3. Стабилитрон VD в данной схеме является источником опорного напряжения, с которым сравнивается напряжение, снимаемое с делителя напряжения на резисторах R₂ и R₃. Транзистор VT3 может быть открыт только тогда, когда напряжение U_д, снимаемое с делителя, превысит сумму U_VD + 0,65 В. Если данное условие выполняется, то через транзистор VT3 начинает течь ток, ограничиваемый сопротивлением R_б и выходное напряжение U_вых начнет стабилизироваться:

. (3.9)

Решая (3.9) относительно U_вых, получим:

. (3.10)

В схеме рис. 3.4 и в формуле (3.10) очень важно правильно выбрать сопротивление резистора R₂. Данный транзистор ограничивает ток базы транзистора VT3 и необходим, чтобы этот ток не превышал предельного значения для выбранного транзистора. Для получения качественной стабилизации напряжения необходимо, чтобы входное напряжение стабилизатора удовлетворяло условию (3.5).

В схеме на рис. 3.4 пунктиром изображена цепь защиты стабилизатора напряжения от перегрузки по току. Резистор R₄ выбирают настолько малым, чтобы падение напряжения на нем при токах нагрузки меньших, чем заданное предельное значение I_{н max}, составляло бы менее 0,65 В. Если ток нагрузки превысит установленный предел I_{н max}, то транзистор VT4 откроется и отведет избыток тока базы транзистора VT1 напрямую в цепь нагрузки. Ток транзистора VT4 ограничен резистором R_б и поэтому данный транзистор может быть таким же маломощным, как VT3.

Описанный выше принцип стабилизации напряжения и ограничения максимального тока используется в отечественных интегральных стабилизаторах КРЕН и в зарубежных стабилизаторах в корпусе ТО – 220, например в широко применяемых в электронике МС 7805 (U_вых = +5В), МС 7812 (U_вых = + 12 В), МС 7905 (U_вых = - 5В), МС 7912 (U_вых = - 12 В).