Стабилизатор напряжения

      Схема транзисторного стабилизатора  напряжения изображена на рис. 3.2, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная

     нагрузка  Rн. 
 

     Эмиттерный  и коллекторный токи транзистора  в десятки раз превышают 

     нагрузка  Rн. Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ«Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

     Рассмотрим  работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 3.2, а видно, что напряжение на нагрузке (U_H) отличается от напряжения на стабилитроне (U_СТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе U_ЭБ транзистора VT2, т.е. U_H=U_CT-U_ЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку I_H, и напряжения U_H. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения U_ЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор—эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор—эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение U_ЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор—эмиттер и напряжения на этом переходе.

     Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе  напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки R_H образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода — регулирующим.

     Выходное  сопротивление этого стабилизатора  составляет несколько ом, а коэффициент  стабилизации примерно такой же, как  у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор — эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис. 3.2, б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

     При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

     Важной  особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является еще следующее. Напряжение на нагрузке U_H отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона U_CT на напряжение, падающее на переходе эмиттер—база U_ЭБ транзистора VT (рис. 3.2, а), т. е. U_H=U_CT-U_ЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение U_ЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 3.2, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор R_УСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке U_H вместе с напряжением на переходе эмиттер—база U_ЭБ транзистора VT равно напряжению U_УСТ, снимаемому с переменного резистора R_УСТ, т. е. U_H+U_ЭБ=U_УСT, откуда следует: U_H=U_УСТ-U_ЭБ.

     При перемещении движка переменного  резистора R_УСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке U_H. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения U_CT-U_ЭБ).

     Если  ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 3.3. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC). Из рисунка видно, что U_OC=U_CТ+ U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

     Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.

     Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

     Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения.

     Задача  конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно  упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

Примером   интегрального   стабилизатора   напряжения,   получившего широкое распространение в радиолюбительской практике, является микросхема  серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. У них всего три вывода—вход, выход и общий. Корпус микросхемы соединен  с  металлической  пластинкой, в которой имеется отверстие   для   крепления   на   терморассеивающем   радиаторе. Несмотря на наличие всего трех выводов, в миниатюрном кристалле этих микросхем выполнено более 17 биполярных транзисторов, 3 диода, два из которых являются стабилитронами, 19 резисторов и 1 конденсатор.