Простой, универсальный, с высоким коэффициентом стабилизации…

В традиционных схемах стабилизаторов напряжения (СН), [1…5] питание на управляющие каскады (УК), а зачастую и на формирователи образцового напряжения (U_ОБР) поступает с входа СН, соединенного с источником питания. При этом УК и U_ОБР подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов (дрейф питающего напряжения, сетевые помехи, пульсации 50 Гц и т.п.), в результате чего важнейшие характеристики СН (коэффициент стабилизации выходного напряжения К_СТ), выходное сопротивление (R_ВЫХ) и подавление (сглаживание) пульсаций 50 Гц резко ухудшаются.

Помимо этого, для защиты от коротких замыканий (КЗ) в нагрузке зачастую требуется установка дополнительного защитного каскада.

Микросхемные же СН (кроме специализированных) имеют сравнительно невысокие характеристики по К_СТ, R_ВЫХ и КПД и имеют собственный потребляемый ток (I_С.П.) не меньше 5 мА, а минимальную разницу между входным (U_ВХ) и выходным (U_ВЫХ) напряжением – более 2 В.

Многократного улучшения характеристик СН можно добиться, если использовать схемы питания УК и формирователей U_ОБР с выхода СН, однако при этом возникает необходимость в обеспечении принудительного запуска СН, так как в момент включения потенциал на выходе СН, а следовательно U_ОБР и напряжение питания каскада УК, равняются нулю, что препятствует запуску СН.

Известны конструкции, в которых запуск осуществляется через конденсатор, подключенный непосредственно между входом и выходом СН, либо между входом СН и входом УК [6]. Такие схемы могут использоваться в устройствах с батарейным питанием, и малопригодны в сетевых СН из-за повышенного уровня пульсаций 50 Гц на выходе СН.

Известны СН, например [7], с подключением запускающего резистора (ЗР) между входом СН и входом УК, либо между входом и выходом СН параллельно выходному (регулирующему) транзистору. При этом, однако, значительно ухудшаются экономичность, особенно при больших токах нагрузки I_Н, а также стабилизация и подавление пульсаций из-за сильной паразитной связи между входом и выходом СН.

Известны также СН [8], в которых вход УК соединен через ЗР с входом СН, и при этом вход УК соединен также с выходным управляющим делителем выходного напряжения (ВУД). При этом ЗР представляет собой высокоомную (в схеме [8] – 200 кОм) цепь, в силу чего после установления на выходе СН рабочего потенциала U_ВЫХ сравнительно низкоомная цепь ВУД начинает шунтировать высокоомную цепь ЗР, благодаря чему влияние последней на работу УК и на стабилизацию U_ВЫХ многократно ослабляется, что, соответственно, увеличивает К_СТ и понижает R_ВЫХ.

Еще лучших результатов можно добиться, используя схему запуска СН на переключающемся диоде [9], подключенном соответствующим образом, между входами СН и УК. В момент включения диод находится в открытом состоянии и запускает СН, а после установления U_ВЫХ диод запирается и перестает влиять на работу УК и на потенциал U_ВЫХ.

Конструкции [8] и [9] имеют, однако, небольшой диапазон выходных напряжений и повышенный I_С.П..

Предлагаемый СН (Рисунок 1) свободен от вышеуказанных недостатков, имеет высокий КПД, защиту от КЗ в нагрузке и при сравнительной простоте конструкции обеспечивает широкий спектр достаточно высоких технических характеристик, позволяющих использовать данный СН в самой разнообразной радиолюбительской аппаратуре.

Рисунок 1.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения.

Собран СН из широкодоступных деталей, что особенно важно для радиолюбителей, а благодаря высокой стабилизации по току (К_НI, R_ВЫХ) особенно необходим для устройств с резко изменяющимся рабочим током (УНЧ, радиоприемники, магнитолы и т.п.).

Основные технические характеристики устройства приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Основные технические характеристики стабилизатора напряжения

КСТ (коэффициент стабилизации) при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01 А) 6800 КНI (коэффициент нестабильности по току) 6.7×10–5 RВЫХ (выходное сопротивление) при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01…0.1 А (Ом) 0.03 КПД при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01/0.1 А 0.95/0.89 UП~ВЫХ (уровень пульсаций 50 Гц) (UВХ = 12 В, UВЫХ = 5 В, UП~ВХ = 0.6 В~) При IН = 0.1 А, VT3 – КТ816Б, С4 – 100 мкФ (В~) 0 При IН = 1 А, VT3 – КТ896Б, С4 – 1000 мкФ (В~) 0.0012 При IН = 2 А, VT3 – КТ896Б, С4 – 2200 мкФ (В~) 0.002 ТКН (температурный коэффициент) (В/°С) –0.019 IС.П. (ток собственного потребления) при UВХ = 12 В, IН = 0 (А) 0.0012 UВЫХ_МИН (минимальное выходное напряжение) при UВХ = 2 В, IН = 0.03 А (В) 0.8…1.5 U(ВХ–ВЫХ_МИН) (минимальная разница между UВХ и UВЫХ) при IН = 0.01/0.1 А (В) 0.04/0.2

В данной конструкции в качестве U_ОБР используется высокостабильное выходное напряжение СН – U_ВЫХ, использующееся также для питания каскада УК на VT1 через элементы VD2 и R3.

При этом элементы R3 и VT1 образуют управляющий делитель (УД), на выходе которого (коллектор VT1) образуется управляющий потенциал (УП), поступающий на базу транзистора VT2, коллектор которого соединен с базой регулирующего транзистора VT3 и, в зависимости от уровня УП, определяемого положением движка потенциометра R7, входящего в состав делителя ВУД R6-R8, на выходе СН устанавливается соответствующий потенциал U_ВЫХ.

Если по каким-либо причинам происходит изменение U_ВЫХ, то соответственно изменяется и ток базы VT1, соединенной с выводом движка R7, вызывая соответствующее изменение сопротивления канала эмиттер-коллектор VT1. В результате на выходе УД (коллектор VT1) образуется сигнал ошибки (рассогласования), который усиливается каскадами VT2 и VT3, восстанавливая первоначальный уровень U_ВЫХ.

В момент включения СН по цепи R1-С1-VD1-R3-VT2 и далее по цепи R5-VT3 начинает протекать ток, вызывая соответствующее нарастание U_ВЫХ. При этом, соответственно, нарастает потенциал на катоде VD1. Напряжение между анодом и катодом VD1 при этом понижается и как только оно становится меньше напряжения открывания кремниевого диода (примерно 0.5 В), VD1 закрывается и далее не оказывает влияния на работу СН.

Резистор R1 обеспечивает необходимый ток открывания VT2.

Конденсатор С1 необходим для того, чтобы схема запуска работала только в момент включения СН. Затем она должна отключаться, так как в противном случае не будет работать схема защиты от КЗ, поскольку при U_ВХ = 0 перестает идти ток по цепи VD2-R3, в силу чего открывается диод VD1 и затем – VT2 и VT3.

Резистор R2 обеспечивает быструю разрядку С1 после выключения СН, что обеспечивает быструю установку стабилизатора в состояние готовности к новому запуску. На процесс запуска данный высокоомный резистор не оказывает влияния, так как ток, проходящий через него, в несколько раз меньше необходимого тока открывания VT2.

Светодиод HL1 используется в качестве стабистора и обеспечивает устойчивый запуск СН в широком диапазоне U_ВХ.

В случае работы СН от сетевого выпрямителя сопротивление R1 можно уменьшить до нескольких кОм и использовать HL1 в качестве индикатора подключения к сети.

Резистор R5 – токоограничительный, его примерное значение определяется формулой

В случае необходимости U_{ВЫХ_МИН} можно уменьшить до 0.8 В (за счет некоторого понижения К_СТ), добавив параллельно диоду VD2 резистор сопротивлением примерно 10 кОм и подобрав при этом емкость С1 (она должна быть достаточной для открывания VT2 при I_{Н_МАКС}).

Благодаря значительному запасу по параметрам стабилизации, СН может быть выполнен и в экономичном варианте – с увеличенными в несколько раз номиналами резисторов ВУД и R4. При этом, соответственно, уменьшается I_С.П. и несколько понижается К_СТ.

В случае работы СН в уличных условиях в целях повышения термостабильности можно установить термокомпенсирующие элементы VD3 либо R9.

При этом наилучшие результаты получаются, если вместо R6 установить p-канальный полевой транзистор (КП103Л, М) по схеме генератора тока (вывод стока – на общий провод, затвор – на выход СН, а верхний по схеме вывод R7 – к истоку) и подобрать истоковый резистор по минимуму температурного дрейфа U_ВЫХ. R7 при этом увеличить до 100…150 кОм.

При указанных на Рисунке 1 номиналах элементов и при питающем напряжении (U_ВХ) от 2 до 12 В максимальный ток в нагрузке (I_{Н_МАКС}) составляет 0.1 А. Для иных значений U_ВХ (от 2 до 45 В) и I_{Н_МАКС} (от 0.04 до 6 А) номиналы элементов приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Номиналы элементов R1, R4, R5, C4, VT2, VT3, рекомендуемые для различных максимальных токов нагрузки и входных/выходных напряжений СН

№ UВХ, UВЫХ (В); IН_МАКС (А) R1 кОм R4 кОм R5 кОм C4 мкФ VT2, VT3 1 UВХ = 2…6 UВЫХ = 1.5…5.9 IН_МАКС = 0.04 22 3.3 1.2 33 VT2 – маломощный кремниевый с h21Э = 100…500, например КТ3102А…К (2SC945L, JE9101C, BC123) и т. п. VT3 – маломощный кремниевый, с h21Э = 50…300, например КТ209В,Е,К; КТ3107А,Б,В,Г,Е (ВС308А, ВС321А) и т. п. 2 UВХ = 2…12 UВЫХ = 1.5…11.9 IН_МАКС = 0.5 24 2 0.22 470 VT2 – маломощный кремниевый, с h21Э = 100…500 и UКЭ ≥ 15 В, например КТ3102А…К (2SC945L, JE9101C, BC123). VT3 – кремниевый, мощностью ≥ 8 Вт и h21Э ≥ 30, например КТ816А,Б,В,Г (TIP32, TIP32A, TIP32B, TIP32C) и т. п. 3 UВХ = 2.2…24 UВЫХ = 1.5…23.3 IН_МАКС = 3 24 _ 0.43 4700 VT2 – маломощный кремниевый, с h21Э = 100…500 и UКЭ ≥ 30 В, например КТ3102А,Б,В,Д,К,И (2SC1815O, 2SC945R, BC547A,B, BC548B, BC549C) и т. п. VT3 – кремниевый, составной, мощностью ≥ 80 Вт например КТ825 Г,Д,Е (2T6050, MJ4032), КТ896А,Б (BD946, BDV64), КТ8159А,В; либо составленный из двух обычных, например КТ818АМ, БМ, ВМ (BD292, BDX92, BDX94) + КТ816А,Б,В,Г; или КТ865А (2SA1180, 2SA1073, 2SA1068) + КТ816А,Б,В,Г. 4 UВХ = 35…45 UВЫХ = 34.3…44.3 IН_МАКС = 6 8.2 _ 0.82 6800 VT2 – маломощный кремниевый, с h21Э = 100…500 и UКЭ ≥ 45 В, например КТ3102А,Б,И (BC547A, BC452). VT3 – кремниевый составной, мощностью ≥ 80 Вт, UКЭ ≥ 45 В и h21Э ≥ 1500, например КТ825 Г,Д; КТ896А,Б; КТ8159А,В, либо составленный из двух обычных, например КТ818БМ, ВМ + КТ816В,Г; КТ896А,Б + КТ816В,Г; КТ865А + КТ816В,Г (TIP32B, TIP32C). Примечание. При использовании составного регулирующего транзистора (VT3) резистор R4 не устанавливается, так как. резистор аналогичного назначения имеется в составном транзисторе. В случае установки вместо составного двух обычных транзисторов (схема Дарлингтона) сопротивление резистора база-эмиттер входного транзистора составляет 750 Ом, а выходного –180 Ом.

В случае работы СН от фиксированного U_ВХ (сетевой выпрямитель) транзистор VT3 работает в значительно более щадящем тепловом режиме, в силу чего в качестве VT3 можно использовать транзистор меньшей мощности.

Из-за емкостного запуска СН входное напряжение при включении должно подаваться резко. Если резкое нарастание U_ВХ обеспечить невозможно, потребуется увеличить емкость С1 (либо уменьшить R1 и R2). Можно также кратковременно замыкать С1 при включении СН при помощи, например, трехпозиционного тумблера.

Налаживание

Налаживание СН заключается в установке U_{ВЫХ_МИН} в пределах 1.2…1.5 В (либо 0.8 В) при помощи R6 (при этом U_{ВЫХ_МИН} не может быть менее 0.7…0.8 В, так как в этом случае запирается цепь VD2, R3, VT2).

Движки R6 и R7 установить в верхние по схеме положения, затем, медленно поворачивая движок R6, установить на выходе СН требуемое U_ВЫХ.

В случае, если на выходе СН не устанавливается требуемое значение I_{Н_МАКС}, уменьшить сопротивление R3, R5 либо установить VT3 с бо́льшим значением h_21Э.

Детали

Транзистор VT1 – любой маломощный кремниевый с h_21Э 100…500, например КТ3102А…К (2SC945L, JE9101C, BC123) и т. п.

Транзистор VT2 – кремниевый с h_21Э 100…500, в зависимости от U_ВХ и в соответствии с Таблицей 2.

Транзистор VT3 – в зависимости от I_{Н_МАКС} и U_ВХ и в соответствии с Таблицей 2.

Резисторы – любого типа.

Конденсаторы – С1-С3 – керамические, например К10-17х либо аналогичные импортные. С4 – любой электролитический.

Диоды VD1-VD3 – кремниевые импульсные малой мощности, например КД522х, КД521х, либо аналогичные.

Светодиод HL1 – любой с рабочим напряжением 1.5…1.7 В.

Терморезистор R9 – ММТх, КМТ, СТ3х, либо аналогичный.

Литература

1. Пестриков В.М. Энциклопедия радиолюбителя. Стр. 105. – Изд. Наука и техника, Санкт-Петербург, 2001 г.
2. Дурнаков А.А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Принципы построения выпрямителей, фильтров, стабилизаторов. Стр. 75. - Издательство Уральского университета, 2018 г.
3. Климович В.В., Машара Г.Г., Шатило Н.И. Стабилизаторы и преобразователи. Стр. 10 – Изд. БГУИР, 2014 г.
4. Селюгин К. Лабораторный БП на К143ЕН3. – Радиомир, 2003, №3, с.13.
5. Соломеин В.П. Емкостное реле. – Радио, 2010, №5, с.38, 39.
6. Виноградов Ю. Экономичный стабилизатор напряжения. – Радио, 1993, №1, с.34.
7. Гапличук Л.С. ГИС – помощник телемастера. Стр. 29. – Изд. МП СЭА, 1993 г.
8. Каныгин С. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок. – Радиоежегодник-83, с.199.
9. Пронин В. Стабилизатор напряжения. – Радио, 1983, №10, с.51.