Компенсационные стабилизаторы напряжения на переключающихся диодах запуска

По мере совершенствования компенсационных стабилизаторов напряжения (СН) и с началом применения в СН запускающих узлов на переключающихся диодах (ПД) [1, 2] появляется возможность подачи напряжения питания на схему управления СН, состоящую из управляющего каскада (УК) и формирователя образцового (управляющего) напряжения U_ОБР, с высокостабильной выходной части СН вместо нестабильной входной. Это многократно улучшает характеристики СН, превосходя при этом большинство из существующих на рынке интегральных СН и, помимо этого, обеспечивает защиту стабилизатора от коротких замыканий (КЗ) в нагрузке.

Существенно при этом, что даже в простых двухтранзисторных схемах СН на переключающихся диодах важнейшие характеристики стабилизатора улучшаются настолько (например коэффициент стабилизации К_СТ повышается до величины 170…300 вместо 40…70, как в традиционных двухтранзисторных СН [3…5]), что даже простые стабилизаторы с ПД-запуском становятся пригодны для питания подавляющего большинства радиолюбительских конструкций, так как в случае К_СТ = 250 и изменения входного питающего потенциала U_ВХ вдвое напряжение на выходе СН (U_ВЫХ) изменяется лишь на 0.4%.

Помимо этого, с увеличением К_СТ улучшается подавление сетевых пульсаций 50 Гц, что позволяет значительно уменьшить емкость фильтрующих конденсаторов на выходе СН. Например, при К_СТ ≥ 5000 и токе в нагрузке (I_Н) на уровне нескольких ампер в выходном фильтре СН во многих случаях достаточно устанавливать емкость порядка 100…220 мкФ.

Ниже представлено описание пяти различных вариантов СН с ПД-запуском (в зависимости от степени сложности и области применения СН) со сравнительными характеристиками СН, приведенными в размещенной в конце статьи Таблице 1.

СН №1

Простой двухтранзисторный СН с защитой от КЗ (Рисунок 1, Таблица 1).

Рисунок 1.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения на двух транзисторах.

В данном СН максимальные значения тока нагрузки, а также значения входных и выходных напряжений определяются параметрами VT1 и VT2 (I_{К_МАКС} – максимальный ток коллектора, U_{К-Э_МАКС} – максимальное напряжение коллектор – эмиттер и h_21Э), а также сопротивлением и мощностью R4. При токе нагрузки более 2 А может потребоваться установка в качестве VT2 мощного составного транзистора (КТ853, КТ8159 и т. п.). Можно также составить данный транзистор из двух обычных мощных транзисторов по схеме Дарлингтона.

Максимальный ток нагрузки СН (I_{Н_МАКС}) определяется формулой

где

Величина 0.6 (здесь и во всех представленных ниже СН) – это приблизительное значение напряжения между базой и эмиттером транзисторов VT1 и VT2. Отношение

определяет ток через резистор R4,

– это ток коллектора VT1 (I_{К_VT1}), а отношение 0.6/R3 определяет ток через резистор R3, который необходимо вычесть из величины I_{К_VT1} для определения I_{Б_VT2}.

Работает стабилизатор следующим образом.

Элементы R1, C1, VD1, VD2 образуют запускающий узел СН. В момент включения через запускающую цепочку С1-VD2 начинает протекать ток, вызывая соответствующее нарастание потенциала на базе VT1, затем – на выходе СН и, соответственно, на катоде VD2, уменьшая напряжение между анодом и катодом VD2. Как только оно становится меньше порогового напряжения открывания (примерно 0.5 В для кремниевых диодов), VD2 закрывается и далее не оказывает влияния на работу СН и на стабильность U_ВЫХ.

Далее с выхода формирователя образцового напряжения (параметрический стабилизатор HL1, R2), питание на который поступает с выхода СН через развязывающий диод VD3, потенциал U_ОБР подается на базу УК VT1, в котором осуществляется сравнение U_ОБР и U_ВЫХ, поступающего на эмиттерный вход VT1 через регулятор выходного напряжения R5.

В случае изменения по каким либо причинам U_ВЫХ в каскаде УК формируется сигнал рассогласования и соответствующее изменение сопротивления канала змиттер-коллектор VT1, соединенного с базой регулирующего транзистора VT2, в результате чего на выходе СН восстанавливается первоначальный уровень U_ВЫХ.

В случае КЗ на выходе СН потенциал U_ВЫХ становится равным нулю, вследствие чего ток в цепи VD3-R2 и VD2-R2 практически прекращается, так как конденсатор С1 находится в заряженном состоянии, а ток через высокоомный резистор R1 имеет величину в несколько раз меньшую, чем необходимо для открывания VT1. Далее транзисторы VT1 и VT2 запираются, предотвращая тем самым перегрузку СН.

Резистор R1 служит для быстрой разрядки С1 после выключения СН, обеспечивая возможность быстрого повторного включения СН.

Стабилитрон VD1 предназначен для надежного срабатывания защиты от КЗ в широком диапазоне U_ВХ и предотвращает протекание чрезмерно большого тока через цепочку R1-VD1-R2 при больших значениях U_ВХ. При этом, если СН подключен к источнику питания, выходное напряжение которого не может колебаться более чем в полтора раза (например, сетевой выпрямитель, а также многие батарейные устройства), надобность в VD1 отпадает, и вместо него можно установить шунтирующий резистор (R_Ш). При С1 = 0.22 мкФ, его оптимальная величина определяется соотношением

где R1, R_Ш – в кОм, U_{ВХ_МАКС} – максимальное значение U_ВХ.

Описываемый стабилизатор довольно термостабилен, так как температурный коэффициент сопротивления (ТКС) каналов эмиттер-коллектор биполярных транзисторов VT1, VT2 отрицательный, и ТКС светодиода HL1, установленного между базой VT1 и общим проводом, также отрицательный, благодаря чему температурные изменения транзисторов и светодиода в значительной мере компенсируют друг друга.

В случаях, когда U_ВЫХ составляет более 8 В, светодиод HL1 можно заменить стабилитроном с напряжением стабилизации (U_СТ) 5.6 В либо 6.2 В (стабилитроны с U_СТ около 6 В весьма термостабильны и имеют ТКН близкий к нулю).

Как известно, у стабилитронов с U_СТ менее 6 В ТКН отрицательный, с U_СТ более 6 В – положительный, а область U_СТ на уровне около 6 В является термостабильной с практически нулевым ТКН, что позволяет, подобрав соответствующим образом стабилитрон, обеспечить практически полную независимость U_ВЫХ СН от температуры.

СН №2

На Рисунке 2 представлен СН на трех транзисторах с дифференциальным каскадом (ДК), защитой от КЗ на выходе и несколько лучшими техническими характеристиками (Таблица 1).

Запуск СН и определение максимальных значений входных и выходных напряжений аналогичны СН №1.

Ток I_{Н_МАКС} определяется формулой

где

Поскольку в ДК к эмиттерному резистору (R4) подключаются сразу два транзистора, имеющих примерно равные I_К, ток через канал эмиттер-коллектор каждого из транзисторов (VT1 и VT2) определяется формулой

Ток через резистор R3, как и в СН №1, приблизительно равен 0.6/R3.

По своей конструкции стабилизатор аналогичен СН №1; отличие состоит в том, что узел УК стабилизатора выполнен на термостабильном каскаде ДК (VT1, VT2, Рисунок 2). Как известно, выходное напряжение ДК имеет высокую термостабильность (при условии стабильных, либо колеблющихся, но равных по величине потенциалов на входах ДК). При этом температурные воздействия на транзисторы дифференциальной пары (VT1, VT2) взаимно компенсируются, в силу чего термостабильность каскада ДК в основном зависит от стабильности U_ОБР, подаваемого на его соответствующий вход (база VT1).

Рисунок 2.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения с дифференциальным каскадом.

По этой причине, если U_ВЫХ СН превышает уровень 7…8 В, стабилитрон VD3, так же, как и в схеме на Рисунке 1, желательно установить с бо́льшим значением U_СТ (подробнее см. в описании СН №1).

Налаживание стабилизатора заключается в балансировке ДК. Установив на выходе СН потенциал примерно 5…9 В, нужно измерить ток эмиттера (I_Э пары VТ1-VТ2) каскада ДК, для чего достаточно измерить потенциал на резисторе R4. Далее измерить I_К VТ2 и подобрать R3 так, чтобы I_К VТ2 равнялся половине общего тока I_Э VТ1-VТ2.

СН №3

На Рисунке 3 представлен СН на пяти транзисторах с каскадом ДК, защитой от КЗ на выходе и улучшенными техническими характеристиками (Таблица 1), собранный из широко распространенных деталей.

Рисунок 3.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения с дифференциальным каскадом и УПТ.

Запуск, определение U_{ВХ_МАКС}, U_{ВЫХ_МАКС} и налаживание стабилизатора выполняются аналогично СН №2.

Ток I_{Н_МАКС} зависит от h_21Э транзисторов VT3…VT5, номинала резистора R10 и определяется формулой

в которой

где

и К_{УС_УПТ} – коэффициент усиления УПТ (VT3, VT4) по напряжению.

1.4/R6 – ток I_R6 через резистор R6 (потенциал левого по схеме вывода R6 составляет 2 В, правого – примерно 0.6 В; соответственно, на R6 падает приблизительно 1.4 В); 0.6/R7 – ток I_R7 через резистор R7. Разность I_R6 – I_R7 – это I_{Б_VT3}.

Резистор R10 – токоограничительный, его сопротивление должно быть в несколько раз меньше сопротивления канала эмиттер-коллектор VT4 при максимальных значениях I_Н и U_ВХ; в противном случае этот резистор будет ограничивать К_СТ.

Примерное значение R10 определяется формулой

где 0.6 – приблизительное значение падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT5 (на эту величину уменьшается рабочий потенциал U_{ВХ_МАКС}, поступающий на резистор R9); I_{Б_VT5_МАКС} – максимальный ток базы VT5, приблизительно равный

ток I_R9 определяется отношением 0.6/R9, где 0.6 – приблизительное значение потенциала между базой и эмиттером VT5.

По принципу действия стабилизатор аналогичен СН №2, но имеет два отличия:

1. Между каскадом ДК (VT1, VT2) и регулирующим транзистором VT5 в целях улучшения характеристик стабилизации установлен усилитель постоянного тока (УПТ) на транзисторах VT3, VT4, подключенный к выходу ДК через согласующий делитель R6, R7.
2. В целях улучшения балансировки каскада ДК в широком диапазоне U_ВЫХ питание ДК стабилизировано (рабочий диапазон U_ПИТ каскада примерно составляет 2.5…3.6 В), для чего используется параметрический стабилизатор R2, VD1.

При использовании СН с фиксированным выходным напряжением необходимость в стабилизации питания ДК отпадает. Элементы R2, VD1 при этом можно исключить, а также желательно оптимизировать потенциал U_ОБР на базе VT2, который не должен превышать уровня 80% от величины U_{ВЫХ СН}. При этом может потребоваться замена светодиода HL1 на стабилитрон, по возможности с термостабильным значением U_СТ (подробнее – в описании к СН №1).

В случае U_ВЫХ < 5 В сопротивление R2 желательно уменьшить до 390 Ом в целях улучшения питания каскада ДК (для предотвращения чрезмерного снижения I_К VT1 и VT2). Налаживание – аналогично СН №2. Режимы измерены при U_ВХ = 9 В, U_ВЫХ = 5 В.

СН №4

На Рисунке 4 представлен высокостабильный, с улучшенными характеристиками (Таблица 1) СН с источником образцового напряжения (ИОН) и защитой от КЗ на выходе.

Рисунок 4.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения на ИОН.

Запуск СН, расчет токоограничительного резистора и определение максимальных значений U_ВХ и U_ВЫХ аналогичны СН №3.

I_{Н_МАКС} СН зависит от h_21Э VT1, VT2, номиналов R2, R6 и определяется формулой

I_{К_VT1_МАКС} определяется номиналом резистора питания ИОН R2 и h_21Э транзистора VT1.

По принципу действия стабилизатор аналогичен СН №3 и отличается тем, что каскад УК, осуществляющий сравнение U_{ВЫХ СН} с внутренним опорным напряжением U_ОП, выполнен на основе регулируемого ИОН, управляющий вход которого подключен к U_ВЫХ СН через выходной управляющий делитель ВУД R7-R9, а выход – к входу УПТ на транзисторе VT1, выполняющему функцию усилителя сигнала ошибки и являющемуся согласующим каскадом между ИОН и регулирующим транзистором VT2.

ИОН, будучи управляемым контроллером образцового напряжения, выполняет функцию высокостабильного опорного стабилитрона с регулируемым U_ОП. При этом регулировка U_ОП обеспечивает возможность регулирования и стабилизации потенциала U_ВЫХ СН.

Как известно, в состав регулируемого ИОН входят внутренний высокостабильный источник U_ОП, операционный усилитель (ОУ) и выходной транзисторный каскад с открытым коллектором. При этом инверсный вход ОУ соединен с U_ОП, а выход ОУ – с базой выходного транзистора ИОН.

В случае изменения U_ВЫХ СН, вызванного какими-либо дестабилизирующими факторами, соответственно изменяется потенциал на управляющем входе ИОН (прямой вход ОУ) и затем, – на базах VT1 и VT2, восстанавливая первоначальный уровень U_ВЫХ СН. При этом, наличие в составе ИОН операционного усилителя и высокостабильного U_ОП обеспечивает стабилизатору весьма высокие технические характеристики (Таблица 1).

К выходу ИОН через согласующий делитель R3, R4 подключен УПТ на транзисторе VT1.

Минимальное U_ВЫХ СН составляет 3.5 В. В случае необходимости получения меньшего U_ВЫХ можно использовать ИОН с меньшим U_{СТ_МИН}, например, TLV431, TLVH431, LMV431 с U_{СТ_МИН} = 1.2 В, скорректировав соответственно R3. 

СН №5

На Рисунке 5 представлен особо стабильный СН (Таблица 1) с использованием ИОН и интегрального УПТ на компараторе с защитой от КЗ на выходе.

Рисунок 5.	Электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения на ИОН и компараторе.

Запуск СН, расчет резистора R4 и определение максимальных значений U_ВХ и U_ВЫХ аналогичны СН №3.

I_{Н_МАКС} СН определяется значением h_21Э транзистора VT1, номиналами R3, R4 и максимальным выходным током компаратора DA1.

По принципу действия стабилизатор аналогичен СН №4, отличаясь только тем, что между каскадом УК (ИОН VD3) и регулирующим транзистором VT1 установлен интегральный УПТ DA1 на компараторе К1401СА1, работающий в линейном режиме (в качестве ОУ).

Использование компаратора вызвано тем что, диапазон выходных напряжений ОУ, в отличие от компараторов, имеет ограничения. Минимальное выходное напряжение ОУ составляет обычно 1…1.5 В, а максимальное, как правило, не превышает значения U_ПИТ – 1…1.5 В, что вызывает необходимость дополнительного согласования уровней U_ВЫХ ОУ и U_ВХ выходного регулирующего транзистора. Соответственно, это требует добавления согласующего транзисторного каскада, что отрицательно сказывается на устойчивости СН и в ряде случаев требует установки конденсатора ООС во входном каскаде УК, что ухудшает быстродействие СН.

Компараторы же, имеющие на выходе, как правило, транзисторный каскад с общим эмиттером без нагрузочного резистора (открытый коллекторный выход), не имеют ограничений по выходным напряжениям. В линейном режиме работы их диапазон U_ВЫХ составляет практически от 0 до +U_ПИТ и хорошо согласуется с выходным (регулирующим) каскадом СН.

Как и в СН №4, в целях расширения диапазона U_ВЫХ СН в качестве VD3 может быть использован ИОН с меньшим U_СТ.

Делитель R5-R6 обеспечивает необходимый режим работы DA1 и рассчитывается следующим образом.

1. Общее сопротивление R5 + R6 должно составлять величину в несколько раз меньшую входного сопротивления DA1, т. е. находиться на уровне нескольких десятков кОм.
2. Соотношение сопротивлений R5/R6.

а) Минимальное U_ПИТ для компаратора К1401СА1 составляет, как известно, 3 В. На выходе СН при этом будет 3.5 В (с учетом падения напряжения на диоде VD4).
При этом потенциал на входах DA1 не должен превышать U_ПИТ. Соответственно, потенциал на выходе делителя (U_{ВЫХ_Д}), соединенного с входом DA1, не должен превышать 3 В.

б) При этом U_{ВЫХ_Д} не должно быть меньше 2.5 В, так как минимальное значение напряжения на выходе управляемого ИОН TL431 составляет 2.5 В. Поскольку в линейном режиме работы потенциал на обоих входах компаратора практически одинаков, потенциал на прямом входе DA1 и, соответственно, на выходе делителя R5-R6 также не должен быть меньше 2.5 В.

Таким образом, соотношение R5/R6 должно быть таким, чтобы при U_ВЫХ СН = 3.5 В U_{ВЫХ_Д} находилось в пределах 2.5…3 В.

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы отношение R5/R6 находилось в пределах от 1:2.5 до 1:6 (оптимальное значение ≈ 1:4).

При U_ВЫХ СН, отличающихся от величины 3.5 В, U_{ВЫХ_Д} подстраивается автоматически.

Стабилизация U_ВЫХ описываемого СН осуществляется по двум петлям ООС (по обоим входам DA1): по прямому – через делитель R5-R6, и по инверсному – через ВУД R7-R9 и ИОН VD3.

В сочетании с использующимся в данном СН способом повышения К_СТ посредством переключающегося диода запуска стабилизация СН становится настолько высокой, что при изменении U_ВХ от 6 до 24 В в диапазоне токов нагрузки от 0 до 0.15 А ∆U_ВЫХ СН не поддается обнаружению, составляя величину менее 0.0001 В, совершенно неразличимую на фоне собственных шумов СН, находящихся на уровне 0.0003…0.0005 В.

И лишь при I_Н ≥ 0.16 А (как известно, К_СТ в значительной мере зависит от I_Н стабилизатора) и U_ВХ = 6…24 В становится возможным обнаружить ∆U_ВЫХ СН. Так, при I_Н = 0.2 А и U_ВХ = 6…24 В ∆U_ВЫХ составляет 0.001 В, что соответствует К_СТ = 14,150.

В случае необходимости повышения термостабильности любого из описанных выше СН в схему выходного делителя ВУД может быть введен термозависимый элемент (диод, терморезистор, транзистор), как показано на Рисунке 6а, б.

Рисунок 6.	Способы температурной компенсации стабилизатора напряжения.

Наилучшие результаты получаются при использовании полевого транзистора (Рисунок 6б). Подбором его истокового резистора (R_ИСТ) можно добиться весьма высокой термостабильности СН.

Можно также использовать терморезистор (Рисунок 6а) с обратной функцией зависимости сопротивления от температуры. Преимущество терморезистора по сравнению с диодом заключается в том, что он имеет линейную зависимость сопротивления от приложенного напряжения и не ухудшает К_СТ СН.

По причине емкостного запуска в описываемых стабилизаторах U_ВХ при включении должно подаваться резко. Если резкое нарастание U_ВХ обеспечить невозможно, потребуется соответственно увеличить емкость запускающего конденсатора С1 (Рисунки 1-5). Можно также кратковременно замыкать выводы С1 при включении СН при помощи трехпозиционного тумблера.

Высокий К_СТ в СН № 3…5 позволяет изготавливать стабилизаторы также и в экономичном варианте. Для этого достаточно увеличить в несколько раз сопротивления всех резисторов в схеме СН. К_СТ при этом несколько понизится.

Можно также в СН № 4 и 5 использовать экономичные типы ИОН, например ATL431, NCP431 и др.

В случае выполнения СН на большие токи нагрузки (на уровне нескольких ампер) может потребоваться соответственно увеличить емкость запускающего конденсатора С1 (СН № 1…5).

Таблица 1.

Основные технические характеристики стабилизаторов напряжения

Параметр СН №1 СН №2 СН №3 СН №4 СН №5 КСТ (коэффициент стабилизации) при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01 (А) и регулирующем транзисторе КТ816В (h21Э = 160) 230 420 11,790 70,750 >140,000 КНI (коэффициент нестабильности по току) при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01…0.1 (А) 0.028 0.016 4×10–4 1.5×10–4 1.4×10–5 ТКН (температурный коэффициент, В/°С) при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01 (А) 0.0027 –0.0017 –0.011 –5×10–4 2.4×10–4 IС.П. (ток собственного потребления) при UВХ = 9 В, IН = 0 (А) 0.0024 0.0037 0.0049 0.002 0.0026 КПД при UВЫХ = 5 В, IН = 0.01 (А) 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 UВЫХ_МИН (минимальное выходное напряжение) при UВХ ≥ 3.6 В, IН = 0.01 А (В) 2 3.5 3 3.5 3.5 U(ВХ–ВЫХ)_МИН (минимальная разница между UВХ и UВЫХ) при IН = 0.01 А (В) 0.08 0.08 0.06 0.06 0.06

Детали

Постоянные резисторы любого типа, например МЛТ, MF, CF и т. п., на 0.125 Вт (мощность токоограничительных резисторов в СН № 3, 4, 5 определяется U_ВХ и I_Н конкретной схемы СН).

Переменные резисторы – СП3-4х либо аналогичные импортные, например, WL. Желательно группы «Б».

Конденсаторы емкостью до 47 нФ – керамические, например, К10-17х; от 0.22 до 1.5 мкФ – пленочные, например, К73-17х; 10 мкФ и более – любые электролитические.

Транзисторы выходных (регулирующих) и предварительных каскадов выбираются в зависимости от I_Н и U_ВХ. Например, при токе нагрузки не превышающем 0.5 А, и U_ВХ до 12 В можно использовать транзисторы (p-n-p): КТ816х, КТ851х и т. п. с h_21Э ≥ 30; n-p-n: КТ3102х; 2SC945L, BC123 и т. п. с h_21Э = 100…500.

При бо́льших значениях I_Н и U_ВХ можно использовать транзисторы (p-n-p): КТ818БМ, ВМ; КТ896А, В; КТ865А; TIP32B, C; либо составные: КТ825Г, Д; КТ896А, Б; КТ853х; (n-p-n): КТ3102А, Б, И; BC547A, BC452 и т. п.

В каскадах ДК (СН №2, 3) можно использовать подобранные по равенству h_21Э маломощные кремниевые транзисторы, например, КТ3102А, либо дифференциальные пары транзисторных сборок, например, КР159НТ1А…Е; КР198НТ1(2); КТС398А9, Б9 и т. п.

Диоды – любые маломощные кремниевые, например, КД521х, КД522х и т. п.

ИОН (СН № 4, 5) – вместо TL431х можно использовать: КР142Н19х, TL432, IR943N, LM431 либо аналогичные.

В экономичном варианте СН можно использовать: ATL431x и NCP431x, потребляющие ток от 0.02 мА и от 0.04 мА, соответственно.

Компаратор (СН №5) – любого типа, с минимальным U_ПИТ = 3…5 В.

Светодиоды (СН №1, 3) – любые, с рабочим напряжением на аноде 1.5…1.7 В.

Терморезисторы (Рисунок 6) – ММТх, КМТ, СТ3х либо аналогичные с обратной зависимостью R/t°.

Литература

1. Пронин В. Стабилизатор напряжения. – Радио, 1983, № 10, с. 51.
2. Соломеин В. П. Простой, универсальный, с высоким коэффициентом стабилизации…
3. Солнцев Ю. Блок питания для усилителя НЧ. – Радио, 1984, № 12, с. 45, рис. 2.
4. Андреев В. Экономичные стабилизаторы. – Радио, 1998, № 7, с. 50.
5. Гапличук Л. С. ГИС-помощник телемастера. – Справочное пособие, изд. МП СЭА, 1993 г., с. 29.