Стабилизатор на биполярном транзисторе: Стабилизатор тока на транзисторе — RadioRadar

Содержание

Параметрические стабилизаторы с повышенной нагрузочной способностью

 

Типовые схемы параметрических стабилизаторов обеспечивают приемлемые параметры только при достаточно малых тока нагрузки (не более \({0,5…1} \cdot I_{ст max}\)). Для питания более мощных цепей требуются дополнительные меры.

Может показаться, что проблема разрешима при параллельном включении нескольких однотипных стабилитронов на выходе стабилизатора. Однако делать это недопустимо, поскольку из-за разброса параметров стабилитроны будут работать в существенно различающихся режимах. В крайнем случае можно применить стабилитрон с большей мощностью. Если же таким образом повысить ток нагрузки до требуемого уровня не удается, то можно применить дополнительный транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя (рис. 3.5-6).

 

Рис. 3.5-6. Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

 

В такой схеме максимально допустимый ток нагрузки повышается в \(h_{21э}\) раз (\(h_{21э}\) — статический коэффициент усиления тока базы транзистора).

Значение резистора \(R1\) (балластный резистор) должно подбираться в зависимости от конкретного тока нагрузки (\(I_{н max} = I_{VT1} \cdot h_{21э} – I_{ст min} \cdot h_{21э}\)). Резистор \(R2\) обеспечивает нормальный режим работы транзистора при малых токах. Выходное напряжение стабилизатора равно: \(U_{вых} = U_{ст} – U_{б-э}\), где \(U_{ст}\) — напряжение стабилизации применяемого стабилитрона, \(U_{б-э}\) — напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора при включении эмиттерного повторителя не увеличивается.

Чтобы увеличить коэффициент стабилизации (в 5…10 раз) необходимо обеспечить постоянство тока стабилитрона при изменениях входного напряжения стабилизатора. Для этого балластный резистор заменяют источником тока. На рис. 3.5‑7 приведена схема стабилизатора с источником тока на биполярном транзисторе, а на рис. 3.5‑8 схемы стабилизаторов с эмиттерным повторителем и источником тока на полевом транзисторе.

 

Рис. 3.5-7. Параметрический стабилизатор с источником тока

 

Рис. 3.5-8. Параметрические стабилизаторы с эмиттерным повторителем и источником тока

 

Если в стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 3.5-8а выбрать \(R1 = 0\), то допустимый ток нагрузки достигнет максимального значения. Однако при этом несколько снижается коэффициент стабилизации. Его можно улучшить, если включить цепь обратной связи, обозначенную пунктиром. Эта цепь вместе с резистором \(R1\) образует для переменной составляющей напряжения на транзисторе \(VT2\) делитель, с выхода которого напряжение поступает в цепь управления этим транзистором таким образом, что ток базы транзистора изменяется в противофазе с напряжением пульсаций.

Применение источника тока для питания стабилитрона позволяет ограничить ток базы транзистора эмиттерного повторителя и, следовательно, ток коллектора этого транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки. Однако в стабилизаторах с большим значением выходного напряжения (особенно при применении германиевых транзисторов) возможен перегрев транзистора вследствие повышения рассеиваемой мощности и эффекта саморазогрева. В стабилизаторе по схеме рис. 3.5-8б действует ООС по току, поскольку ток нагрузки протекает через резистор \(R1\). Поэтому ток короткого замыкания очень слабо зависит от температуры корпуса транзистора \(VT2\) и лавинный саморазогрев не проявляется до температур порядка 50…60 °C. Ток короткого замыкания устанавливается подбором резистора \(R1\).

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Стабилизатор тока на транзисторе, описание зарядного устройства


Стабилизатор тока на транзисторе очень напоминает стабилизатор напряжения. Эта простая схема может быть использована как стабилизатор выходного тока независимо от входного напряжения.

На его основе можно изготовить зарядное устройство — тот же самый стабилизатор тока. Параметры элементов вычисляются по закону Ома.

Описание зарядного устройства

Описание зарядного устройства начнём с условий. Допустим у нас есть 9-ти вольтовый аккумулятор и мы должны зарядить его током в 40 мА.

Мы соединяем транзистор и стабилитрон как показано на схеме. Если стабилитрон будет рассчитан на напряжение стабилизации 5.6 Вольт, то из схемы хорошо понятно, что напряжение на резисторе R2 будет 5 вольт. (Это подробно рассматривалось в статье Самодельный стабилизатор). Чтобы ток через резистор составил 40 мА его сопротивление должно быть … сколько? 🙂

Закон Ома — I = U/R
R = 5 вольт / 0.04 А
R = 125 Ом.

Если ток в 40 мА течёт через резистор R2, то большая часть этого тока течёт через переход коллектор-эмиттер, и значит через аккумулятор B. На самом деле, небольшая часть эмиттерного тока течёт через резистор R1 и через переход база-эмиттер. Мы можем компенсировать это небольшим уменьшением резистора R2. К тому же, ближайшее стандартное значение сопротивления к 125 является 120 Ом. Теперь ток через резистор R2 будет около 41 мА, а ток через аккумулятор будет около 40 мА.

Напряжение источника питания зарядного устройства

Напряжение источника питания

должно состоять из суммы: напряжение аккумулятора — 9 вольт, напряжение на резисторе R2 — 5 вольт и напряжение на переходе коллектор-эмиттер, обычно чуть меньше одного вольта. Т.е. минимальное напряжение источника питания зарядного устройства должно быть 9 + 5 + 1 = 15 вольт.

Можно использовать этот простой метод для разработки простого зарядного устройства для любого NiCd или NiMh аккумулятора. Только необходимо убедиться, что значение максимального тока коллектора транзистора больше необходимого зарядного тока.


Каталог радиолюбительских схем. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ.

Каталог радиолюбительских схем. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ.

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ

В. КОЗЛОВ, г. Муром Владимирской обл.

Автор анализирует наиболее характерные особенности и недостатки стабилизаторов напряжения, знакомых радиолюбителям по публикациям в нашем журнале, дает практические советы, подчас нетрадиционные, по улучшению их основных параметров, В качестве примера он рассказывает о разработанном им стабилизаторе, предназначаемым для мощных блоков питания аппаратуры, которая работает круглосуточно. В статье описывается технология изготовления теплоотвода мощного транзистора- Редакция ждет откликов читателей на эту публикацию.

Сетевые блоки питания в которых для стабилизации выпрямленного напряжения радиолюбители используют микросхемные стабилизаторы, не всегда радуют их создателей. Причина тому — характерные присущие этим конструкциям недостатки.

У традиционных транзисторных стабилизаторов нередко ненадежна защита от перегрузки. Безынерционные системы защиты ложно срабатывают даже от кратковременных перегрузок при подключении емкостной нагрузки. Инерционные же средства защиты не успевают сработать при сильном импульсе тока, например, при коротком замыкании приводящем к пробою транзисторов [1], Устройства с ограничителем выходного тока — безынерционны в них отсутствует триггерный эффект, но при коротком замыкании на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощности что требует применения соответствующего теплоотвода [2].

Единственный выход при такой ситуации — одновременное применение средств ограничения выходного тока и инерционной защиты регулирующего транзистора от перегрузку что обеспечит ему в два-три раза меньшую мощность и габариты теплоотвода. Но это приводит к увеличению числа элементов, габаритов конструкции и усложняет повторяемость устройства в любительских условиях.

Принципиальная схема стабилизатора, число элементов в котором минимально, приведена на рис. 1. Источником образцового напряжения служит термостабилизированный стабилитрон VD1.

Для исключения влияния входного напряжения стабилизатора на режим стабилитрона его ток задается генератором стабильного тока (ГСТ), построенным на полевом транзисторе VT1. Термостабилизация и стабилизация тока стабилитрона повышают коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Образцовое напряжение поступает на левый (по схеме) вход дифференциального усилителя на транзисторах VT2.2 и VT2.3 микросборки К125НТ1 и резисторе R7, где сравнивается с напряжением обратной связи, снимаемым с делителя выходного напряжения R8R9. Разность напряжений на входах дифференциального усилителя изменяет баланс коллекторных токов его транзисторов.

Регулирующий транзистор VT4, управляемый коллекторным током транзистора VT2.2, обладает большим коэффициентом передачи тока базы. Это увеличивает глубину ООС и повышает коэффициент стабилизации устройства, а также уменьшает мощность, рассеиваемую транзисторами дифференциального усилителя.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

Допустим, что в установившемся режиме при увеличении тока нагрузки выходное напряжение несколько уменьшится, что вызовет и уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3.2. При этом ток коллектора также уменьшится. Это приведет к увеличению тока транзистора VT2.2, поскольку сумма выходных токов транзисторов дифференциального усилителя равна току, текущему через резистор R7, и практически не зависит от режима работы его транзисторов.

В свою очередь, растущий ток транзистора VT2.2 вызывает увеличение тока коллектора регулирующего транзистора VT4, пропорциональное его коэффициенту передачи тока базы, повышая выходное напряжение до первоначального уровня и позволяет поддерживать его неизменным независимо от тока нагрузки.

Для кратковременной защиты устройства с возвратом его в исходное состояние введен ограничитель тока коллектора регулирующего транзистора, выполненный на транзисторе VT3 и резисторах R1, R2.

РезисторП1 выполняет функцию датчика тока, протекающего через регулирующий транзистор VT4. В случае превышения тока этого транзистора максимального значения (около 0,5 А) падение напряжения на резисторе R1 достигнет 0,6 В, т е. порогового напряжения открывания транзистора VT3, Открываясь, он шунтирует эмиттерный переход регулирующего транзистора, тем самым ограничивая его ток примерно до 0,5 А.

Таким образом, при кратковременных превышениях током нагрузки максимального значения транзисторы VT3 и VT4 работают в режиме ГСТ, что вызывает падение выходного напряжения без срабатывания защиты от перегрузки по току. Через некоторое время, пропорциональное постоянной времени цепи R5C1, это приводит к открыванию транзистора VT2.1 и дальнейшему открыванию транзистора VT3, закрывающего транзистор VT4. Такое состояние транзисторов устойчивое, поэтому после устранения короткого замыкания или обесточивания нагрузки необходимо Отключить устройство от сети и вновь включить после разрядки конденсатора С1.

Ток короткого замыкания устройства равен нулю, а значит, исключает перегрев регулирующего транзистора при срабатывании защиты. Резистор R3 необходим для надежной работы транзистора VT4 при малых токах и повышенной температуре. Конденсатор С2, шунтирующий выход стабилизатора, предотвращает самовозбуждение устройства, причиной которого может стать глубокая ООС по напряжению.

Резистор R6 в коллекторной цепи транзистора VT2,1 ограничивает ток во время переходных процессов при включении защиты, а светодиод HL1 выполняет функцию индикатора перегрузки.

Основные параметры стабилизатора

Входное напряжение, В ……..14…20

Выходное напряжение, В………..12

Ток нагрузки, А …………….0…0,5

Изменение выходного

напряжения при токе

нагрузки от 0 до 0,5 А, В…….<0,1

Ток покоя, мА…………………15

Ток короткого замыкания, мА……<0,1

Стабилизатор некритичен к разводке печатной платы и размещению деталей на ней. Поэтому монтаж его зависит главным образом от опыта самого конструктора и габаритов предварительно подобранных деталей. Полевой транзистор VT1 следует подобрать таким, чтобы ток стабилизации, измеренный по схеме рис. 2,а или 2,б, был в пределах 5..,15 мА, Статический коэффициент передачи тока базы транзистора VT3 должен быть не менее 20, а транзистора VT4 — не менее 400. На регулирующем транзисторе VT4, допустимый ток коллектора которого должен быть не менее 1 А, выделяется значительная мощность, поэтому его следует установить на теплоотвод мощностью около 5 Вт.

Резисторы и конденсаторы — любых типов на номиналы, указанные на схеме.

Приступая к испытанию и налаживанию стабилизатора, резистор R5 временно удаляют, чтобы система защиты не срабатывала, и подбором резистора R8 устанавливают выходное напряжение, равное 12 В. После этого включают резистор R5 и подбором резистора R1 добиваются необходимого значения тока срабатывания защиты устройства по току.

Какие изменения или дополнения можно внести в рекомендуемый стабилизатор? Если у радиолюбителя не окажется подходящего полевого транзистора, генератор постоянного тока можно собрать на биполярном транзисторе КТ3108А(рис, 3,а) или аналогичном ему из серии КТ361 с коэффициентом передачи тока базы не менее 20. Диоды VD3 и VD4 могут быть любые кремниевые.

Термостабилизированный стабилитрон Д818В(\/D1) заменим на любой другой аналогичный на напряжение стабилизации от 3 до 12 В. Но наиболее желателен двуханодный стабилитрон, например КС162А, с малым температурным коэффициентом напряжения стабилизации. В крайнем случае его заменит цепочка из последовательно соединенных обычного стабилитрона и любого кремниевого диода, как показано на рис, 3,6.

Регулирующий транзистор КТ825А (VT4) можно заменить на два, включив их по схеме составного транзистора, как показано на рис, 4,а или 4,б.

Транзистор VT4′ должен быть с коэффициентом усиления по току не менее 20, максимальным током коллектора не менее 1 А и максимальной рассеиваемой мощностью с теплоотводом не менее 5 Вт Транзистор VT4» — любой структуры р-n-р с коэффициентом усиления по току не менее 20, максимальным током коллектора не меннее 30 мА и максимальной рассеиваемой мощностью не менее 150 мВт, например, серий КТ361, КТ203, КТ208, КТ209, КТ501, КТ502.

Для уменьшения напряжения насыщения транзистора VT4» и, как следствие некоторого уменьшения рассеиваемой мощности составной транзистор целесообразно выполнить по схеме рис. 4,в. При этом мощность, рассеиваемая транзистором VT4″, увеличится до 0,6 Вт, Подойдут транзисторы серий КТ814, КТ816, ГТ402 или другие с аналогичными параметрами.

Транзисторы VT2.2 и VT2.3 микросборки К125НТ1, работающие в дифференциальном каскаде, можно заменить на сборку из двух n-p-n транзисторов с коэффициентом усиления по току не менее 20, максимальным напряжением коллектор—эмиттер не менее 20 В и током коллектора не менее 15 мА, например, серии КР198. При этом важно лишь помнить: одинаковые вольтамперные характеристики обоих транзисторов дифференциального каскада необходимы для обеспечения равенства напряжения h снимаемого с делителя R8R9, — образцовому что гарантирует независимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки. Если такое равенство не требуется, тогда эти элементы микросборки можно заменить любыми маломощными n-p-n транзисторами с аналогичными параметрами. В этом случае, а также если микросборка состоит всего из двух элементов, функцию транзистора VT2.1 может выполнять аналогичный n-p-n транзистор малой мощности.

Описанный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением несложно преобразовать в двуполярный с регулируемым выходным напряжением от ±6В до ±12В. Схема такого устройства приведена на рис. 5.

Пределы напряжения стабилизации возможно расширить заменой стабилитрона КС162А (VD1) на КС147А и уменьшением сопротивления резистора R9 до 330 Ом. Допустимо также дифференциальный усилитель и делитель напряжения R8R9 смонтировать по схеме рис. 6. Тогда выходное напряжение стабилизатора можно будет изменять от 0 до ±12 В. Однако система защиты, в которую входят элементы VT2.1, R5, C1, HL1 (рис 1) в этом случае потеряет смысл и стабилизатор станет довольно традиционным.

Транзисторы VT1 , VT2 и VT4, номиналы резисторов и конденсаторов такие же, как в стабилизаторе по схеме рис. 1, но мощность рассеяния транзистора VT4 (или транзисторов VT4′ VT4″ по схемам рис. 4) возрастет пропорционально падению напряжения на нем.

Теплоотводы мощных транзисторов серий КТ825 или КТ827, выполняющих функцию регулирующих1 могут быть самодельными. Возможная конструкция одного из таких теплоотводов показана на рис.7,а. Заготовку для него (рис. 7.б) вырезают ножницами по металлу или выпиливают лобзиком из листового люминия толщиной 2 мм. Затем узкие лепестки противоположных сторон заготовки поворачивают пассатижами на 90° вокруг собственной оси каждый, а широкие загибают (по штриховым линиям) вверх.

Радио №5, 1998 г., с. 52-53.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мансуров М. Лабораторный блок питания с триггерной защитой. — Радио, 1990, Ns 4, с, 66-70,

2. Нечаев И. Комбинированный лабораторный блок, — Радио, 1991, № 6, с. 61— 63.

РАДИО №5, 1998, с. 54.





Простой регулируемый блок питания 0,8-34 В, до 10 А на LM317 с транзистором, схема, пояснение работы.

В этой статье предлагаю разобрать весьма неплохой регулируемый трансформаторный  блок питания, линейный стабилизатор которого собран на базе микросхемы LM317. Данный блок питания, при использовании именно таких электронных компонентов, что нарисованы на схеме, способен обеспечить максимальное выходное напряжение до 34.5 вольт. Это напряжение ограничено самой микросхемой линейного стабилизатора напряжения, а именно максимальное выходное напряжение на LM137 это 36 вольт, ну и минус около 0,6-1.5 вольта, которые осядут на база-эмиттерном переходе транзистора. Максимальный ток у блока питания может быть до 10 ампер, но при определенных условиях, о которых будет сказано ниже в этой статье. Коэффициент пульсаций у этого БП равен где-то 0,1%.

Перечень электронных компонентов, что используются в этой схеме:

Tr1 — трансформатор на 26 вольт и выходной ток до 10 ампер (280 Вт и более)
VD1 — диоды или мост на ток более 10 А и обратное напряжение более 40 В
D1 — микросхема линейного стабилизатора типа LM317, LM338, LM350
VT1 — биполярный транзистор типа КТ819, КТ829 и аналогичные
R1 — 5 кОм
R2, R3 — 240 Ом
R4 — 3-10 кОм
R * — от 1 кОм до 5 кОм подбирается под нужное выходное напряжение
C1 — 5000-10000 мкф и напряжение больше рабочего напряжения
C2 — 10 мкф
C3 — 470 мкф

Сразу стоит заметить для новичков, что это блок питания с линейным стабилизатором напряжения. То есть, при регулировке выходного напряжения все лишнее напряжение просто преобразуется в тепло. Оно оседает на регулируемых силовых компонентах, а именно на микросхеме стабилизатора D1 и силовом биполярном транзисторе VT1. И именно транзистор берет на себя всю лишнюю электрическую энергию и преобразует его просто в тепло, через собственный нагрев корпуса. А это значит, что чем больше тока будет потреблять нагрузка и чем меньше напряжения мы установим на выходе данного блока питания, тем меньше КПД будет этого блока питания. При минимальном напряжении на выходе и максимальном токе этот блок питания становится больше похож на электрический обогреватель. Причем в этом режиме он менее всего экономичен. К сожалению это проблема абсолютно всех линейных стабилизаторов.

Но эту проблему в значительной степени можно исправить если использовать трансформатор с несколькими выходными обмотками. То есть, мы от вторичной обмотки делаем выводы с шагом допустим 5 вольт. Находим подходящий переключатель, который нам будет подключать нужный вывод вторичной обмотки с наиболее подходящим напряжением, что мы будем использовать в конкретном случае, для конкретной нагрузки. Такой вариант переключения напряжений, что далее подается на схему стабилизатора напряжения, делает схему блока питания гораздо экономичнее, значительно повышая ее общий коэффициент полезного действия.

Теперь что касается самих рабочих компонентов этой схемы. Чтобы на выходе получить максимальное напряжение до 34.5 вольт и силу тока до 10 ампер понадобится силовой трансформатор мощностью не менее 280 Вт. Почему именно такая минимальная мощность должна быть у трансформатора. Дело в том, что максимальное входное напряжение для микросхемы D1 (LM317) 37 вольт. Но стоит учесть, что это амплитудное значение напряжения, которое будет у нас на выходе диодного моста при наличии сглаживающего конденсатора C1. Как известно, напряжение на выходе трансформатора имеет действующее значение, которое в 1,41 раза меньше амплитудного. То есть, мы 37 вольт делим на 1,41 и получаем около 26 вольт действующего напряжение, которое должна обеспечить нам вторичная обмотка имеющегося трансформатора. Следовательно, 26 вольт умножаем на 10 ампер и получаем мощность 260 Вт, ну и добавим небольшой запас по мощности с учетом различных потерь. И в итоге нам и нужен трансформатор с мощностью не менее 280 Вт. Ну, и как я ранее заметил, хорошо, чтобы он имел отводы от вторичной обмотки с шагом примерно 3-5 вольт, для повышения КПД этой схемы блока питания. Трансформатор лучше использовать тороидальный, он более эффективный, чем другие типы.

Поскольку мы будем работать с током до 10 ампер, то диодный пост также нужен с прямым током не менее 10 А, а лучше брать с запасом где-то 15-20 А. В схеме сглаживающий конденсатор C1 имеет емкость 5000 мкф, хотя лучше все же поставить микрофарад так на 10 000, сглаживание импульсов будет только лучше. Его напряжение должно быть более 35 вольт.

В схеме использована микросхема типа LM317, максимальный ток которой равен 1,5 ампер (если это оригинал, а не Китайская копия). Если у вас есть аналогичные микросхемы стабилизаторов напряжения типа LM338, LM350, рассчитанные на больший ток, то можно в схему поставить и их. Поскольку LM317 может выдержать ток всего лишь до 1,5 А, а мы планируем работать с током до 10 А, то в схему добавлен усилитель тока в виде биполярного транзистора КТ819 или КТ829 (составной). Чтобы убрать дополнительные пульсации напряжения, возникающие на выходе транзистора, в схеме предусмотрена отрицательная обратная связь в виде резистора R3. Именно этот резистор дает сигнал микросхеме, которая делает работу транзистора более стабильной. Резисторы R1 и R2 нужны для нормальной работы самой микросхемы линейного стабилизатора LM317. Напряжение на выходе задается сопротивлением R1. Резистор R4 служит небольшой нагрузкой на выходе блока питания, и также он способствует разряду выходного конденсатора после выключения схемы.

На схеме параллельно резистору R1 можно увидеть еще один резистор, отмеченный звездочкой. Он нужен, чтобы убрать с регулирующего напряжения резистора R1 так называемую мертвую зону. То есть, при работе с более низкими напряжениями (если вы сделаете блок питания на другое, более низкое напряжение) сопротивления резистора в 5 кОм будет много, и на нем появляется участок, при котором напряжение никак не меняется на выходе блока питания. Следовательно, поставив параллельно регулируемому резистору еще одни резистор с подходящим сопротивлением мы уменьшаем его величину и убираем эту самую мертвую зону.

В целом схема полностью рабочая и вполне способна выдавать ток до 10 ампер при условии, что вы будете использовать трансформатор, у которого будут дополнительные отводы на вторичной обмотке. Это нужно, чтобы уменьшить выделение тепла на биполярном транзисторе до минимума. Если же вы попытаетесь делать регулировку выходного напряжения только за счет транзистора, то даже его максимального рабочего тока не хватит, чтобы нормально рассеять все тепло, что на нем оседает. В этом случае он просто у вас сгорит. Чтобы облегчить нормальную работу биполярного транзистора параллельно ему можно поставить еще несколько штук таких же транзисторов, что распределит выделяемое тепло уже по нескольким элементам. Ну, и обязательно, как микросхема стабилизатора LM317, так и транзистор КТ819 должны быть установлены на радиатор с подходящими размерами. Включать схему без охлаждающего радиатора не рекомендуется, поскольку силовые элементы очень быстро выйдут из строя из-за перегрева.

Видео по этой теме: