В связи с этим часть напряжения, поступающая на выход стабилизатора, «остается» на транзисторе, а остальная поступает на выход стабилизатора. Если увеличить напряжение па базе составного транзистора, то он откроется и падение напряжения на нем уменьшится, а напряжение на выходе стабилизатора соответственно увеличится. И наоборот. В обоих случаях величина напряжения на выходе стабилизатора будет близка к уровню напряжения на базе составного транзистора.
Поддержание величины напряжения на выходе стабилизатора на заданном уровне осуществляется за счет того, что часть выходного напряжения (напряжение отрицательной обратной связи) с делителя напряжения R10, R11, R12 поступает на операционный усилитель DA1 (усилитель напряжения отрицательной обратной связи). Выходное напряжение операционного усилителя в этой схеме будет стремиться к такому значению, при котором разница напряжений на его входах была бы равна нулю.
Происходит это следующим образом. Напряжение обратной связи с резистора R11 поступает на вход 4 операционного усилителя. На входе 5 стабилитроном VD6 поддерживается постоянная величина напряжения (опорное напряжение). Разница напряжении на входах усиливается операционным усилителем и поступает через резистор R3 на базу составного транзистора, падение напряжения на котором определяет величину выходного напряжения стабилизатора. Часть входного напряжения с резистора R11 снова поступает на операционный усилитель. Таким образом, сравнение напряжения обратной связи с образцовым и воздействие выходного напряжения операционного усилителя на выходное напряжение стабилизатора происходит непрерывно.
Если напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, то увеличивается и напряжение обратной связи, поступающее на вход 4 операционного усилителя, которое становится больше опорного.
Разность этих напряжений усиливается операционным усилителем, выходное напряжение которого при этом уменьшается и закрывает составной транзистор. В результате падение напряжения на нем увеличивается, что вызывает уменьшение выходного напряжения стабилизатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не станет почти равным опорному (их разница зависит от типа используемого операционного усилителя и может составлять 5...200мВ).
При уменьшении выходного напряжения стабилизатора происходит обратный процесс. Так как напряжение обратной связи уменьшается, становясь меньше опорного, то разница этих напряжений на выходе усилителя напряжения обратной связи увеличивается и открывает составной транзистор, обеспечивая тем самым увеличение выходного напряжения стабилизатора.
Величина выходного напряжения зависит от достаточно большого числа факторов (тока, потребляемого нагрузкой, колебания напряжения первичной сети, колебаний температуры внешней среды и т. п.). Поэтому описанные процессы в стабилизаторе происходят непрерывно, г. е. выходное напряжение постоянно колеблется с очень малыми отклонениями относительно заранее заданного значения.
Источником опорного напряжения, поступающего на вход 5 операционного усилителя DA1, служит стабилитрон VD6. Для увеличения стабильности опорного напряжения напряжение питания на него подается с параметрического стабилизатора на стабилитроне VD5.
Для защиты стабилизатора от перегрузок используется оптопара VU1, датчик тока (резистор R8) и транзистор VT3. Использование в узле защиты оптопары (светодиод и фототиристор, имеющие оптическую связь и смонтированные в одном корпусе) повышает надежность его работы.
При увеличении тока, потребляемого нагрузкой от стабилизатора, увеличивается падение напряжения на резисторе R8, а следовательно, и напряжение, поступающее на базу транзистора VT3. При определенной величине этого напряжения коллекторный ток транзистора VT3 достигает значения, необходимого для зажигания светодиода оптопары VU1.
Излучение светодиода включает тиристор оптопары, и напряжение на базе составного транзистора уменьшается до 1... 1,5В, так как она оказывается подключенной к общей шине через малое сопротивление включенного тиристора. Вследствие этого составной транзистор закрывается, а напряжение и ток на выходе стабилизатора уменьшаются почти до нуля. Падение напряжения на резисторе R8 уменьшается, транзистор VT3 закрывается и свечение оптрона прекращается, но тиристор остается включенным до того момента, пока напряжение на его аноде (относительно катода) не станет меньше 1 В. Это произойдет только в том случае, если будет отключено входное напряжение стабилизатора или замкнуты контакты кнопки SB1.
Коротко о назначении остальных элементов схемы. Резистор R1, конденсатор С2 и стабилитрон VD5 образуют параметрический стабилизатор, служащий для стабилизации напряжения питания операционного усилителя и предварительной стабилизации напряжения питания источника опорного напряжения R5, VD2. Резистор R2 обеспечивает начальное напряжение на базе составного транзистора, повышая надежность запуска стабилизатора Конденсатор СЗ предотвращает возбуждение стабилизатора на низкой частоте. Резистор R3 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае короткого замыкания на его выходе (например, при включении тиристора оптопары).
Цепь R4, С2 предотвращает возбуждение операционного усилителя и выбирается в соответствии с рекомендациями, приводимыми в справочной литературе для конкретного типа операционного усилителя.
Стабилитрон VD7 и резистор R7 образуют параметрический стабилизатор, служащий для поддержания напряжения питания узла защиты на неизменном уровне при изменении выходного напряжения стабилизатора.
Резистор R6 ограничивает коллекторный ток транзистора VT3 на уровне, необходимом для нормальной работы светодиода оптопары. В качестве резистора R6 используется резистор типа С5-5 или самодельный из провода высокого сопротивления (например, спирали от утюга или электроплитки).
Конденсатор С1 снижает уровень пульсаций входного, а С5 - выходного напряжений стабилизатора. Конденсатор С6 блокирует выходную цепь стабилизатора по высокочастотным гармоникам. Нормальный тепловой режим транзистора VT2 при больших токах нагрузки обеспечивается его установкой на радиаторе площадью не менее 100 см.
Стабилизатор обеспечивает плавную регулировку выходного напряжения в пределах 4,5...12 В при выходном токе до 1 А с уровнем пульсаций выходного напряжения не более 15 мВ. Защита от перегрузки срабатывает при выходном токе свыше 1,1 А.
Теперь о замене элементов. Операционный усилитель К553УД1 можно заменить на К140УД2, К140УД9, К553УД2. Транзистор VT1 может быть типа КТ603, КТ608, a VT2 - КТ805, КТ806, КТ908 и т. п. с любыми буквенными индексами. Оптопара - указанного типа с любым буквенным индексом.
Напряжение переменного тока подается на выпрямитель стабилизатора с любого понижающего трансформатора, обеспечивающего выходное напряжение не менее 12 В при токе 1 А. В качестве такого трансформатора можно использовать выходные трансформаторы ТВК-110 ЛМ и ТВК-110 Л1.
Стабилизатор на специализированной микросхеме
Указанные выше трансформаторы можно использовать совместно со стабилизатором напряжения, схема которого приведена на рисунке. Он собран на специализированной интегральной схеме К142ЕН1. Она представляет собой стабилизатор напряжения непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента.
Достаточно высокие эксплуатационные характеристики, встроенная схема защиты от перегрузки, работающая от внешнего датчика тока, и схема включения/выключения стабилизатора от внешнего источника сигнала позволяют изготовить на его основе стабилизированный источник питания, обеспечивающий выходные напряжения в диапазоне 3...12 В.
Схема самого интегрального стабилизатора напряжения не может обеспечить ток на нагрузке свыше 150 мА, что явно недостаточно для работы некоторых устройств. Поэтому для увеличения нагрузочной способности стабилизатора к ее выходу подключен усилитель мощности на составном транзисторе VT1, VT2. Благодаря этому выходной ток стабилизатора может достигать 1,5 А в указанном диапазоне выходных напряжений.
Напряжение обратной связи, подаваемое на выход интегральной схемы DA1, выполняющей в данной схеме роль усилителя отрицательной обратной связи с внутренним источником опорного напряжения, снимается с резистора R5. Резистор R3 служит датчиком тока узла защиты от перегрузок по току. Резисторы R1, R2 обеспечивают режим работы транзистора VT2 и внутреннего транзистора защиты интегральной схемы DA1. Конденсатор С2 устраняет самовозбуждение интегральной схемы на высокой частоте.
Резистор R3 проволочный, аналогичный описанному ранее. В качестве транзистора VT1 можно использовать транзисторы типа КТ603, КТ608, a VT2 - КТ805, КТ809 и т. п. с любыми буквенными индексами.
Рассматриваемый компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия снижает максимальное значение мощности, рассеиваемое регулирующим транзистором в режиме короткого замыкания. Принципиальная электрическая схема стабилизатора приведена на рис. 5.
Режим ограничение тока
Резистор R 1 является датчиком тока. При перегрузке по току на R 1 возникает напряжение, которое через резистор R 2 подается на базо-эмиттерный переход транзистора VT 3 , которыйприоткрывается. В результате появляются базовый и коллекторный токи VT 3 , которые уменьшают базовый ток транзистора VT 2 , соответственно уменьшаются коллекторные токи транзисторов VT 2 иVT 1 , что приводит к ограничению выходного тока стабилизатора напряжения.
Защита от короткого замыкания
Для защиты используется 2 резистора – R 2 и R 3 и при нормальном режиме работы
напряжение на эмиттере транзистора VT 1 равно выходному. При коротком замыкании выходное напряжение равно нулю, соответственно напряжение на эмиттере транзистора VT 1
тоже равно нулю и все входное напряжение приложено к резисторам R 2 и R 3 . Напряжение на
R 2 возрастает и к нему прибавляется падение напряжения на R 1 , что приводит к открытию
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения
на ОУ с изменяющимся уровнем ограничения тока
и с защитой от короткого замыкания
транзистора VT 3 . Резисторы R 2 и R 3 рассчитаны таким образом, чтобы коллекторный ток VT 3 в режиме короткого замыкания составлял примерно 80% от базового тока VT 2 . Соответственно, базовый ток VT 2 снижается примерно в 5 раз, что приводит к снижению коллекторного тока VT 1 тоже в 5 раз. Тем самым транзистор VT 1 защищается от перегрузки при коротком замыкании.
Стабилизация выходного напряжения
Если в нормальном режиме работы по каким-то причинам выходное напряжение стабилизатора изменяется, то изменяется и напряжение, создаваемое делителем R 6 , R 7 , R 8 в точке А. Операционный усилитель DA 1 усиливает разницу между опорным напряжением () и напряжением в точкеA (), которое можно посчитать по формуле
Если напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось, то разница будетположительной иувеличивается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитронVD 3 , который является частью тока, проходящего через R 4 .Другая часть уходит на базу транзистораVT 2 и на выход операционного усилителяDA 1 . Соответственно, если уменьшается, то увеличиваются токи,и,и, соответственно, увеличивается. При увеличениисхема стабилизации работает по аналогичной цепочке (уменьшая отклонение.
Стабилитрон VD 3 включается для того, чтобы операционный усилитель DA 1 работал в активном режиме, при котором должно составлять примерно половину напряжения питания операционного усилителя(+U). Выходное напряжение самого стабилизатора () может быть значительно выше. На базе транзистораVT 2 напряжение выше, чем на 2. Соответственно, разница междуи напряжением на базеVT 2 составляет определенную величину, которая компенсируется с помощью стабилитрона VD 3
В. Крылов
ПОСТРОЕНИЕ ДВУПОЛЯРНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОУ
Операционные усилители (ОУ) находят все более применение в самых различных узлах радио-любительской аппаратуры, в том числе и в стабилизи-рованных блоках питания. ОУ позволяют резко повы-сить качественные показатели стабилизаторов и их эк-сплуатационную надежность. использовании ОУ в стабилизаторах можно прочитать в журнале «Радио» (1975, № 12, с. 51, 52 и 1980, № 3, с. 33 - 35), В поме-щенной ниже статье описано построение двуполярных стабилизаторов на ОУ.
Проще всего двуполярный, стабилизатор напряжения может быть получен из двух одинаковых однополярных, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема стабилизатора, построенного из двух одинаковых однополярных
Этот двуполярный стабилизатор может обеспечить по каждому из плеч током до 0,5 А. Коэффициент стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% равен 4000. При изменении сопротивления нагрузки от нуля максимума выходное напряжение стабилизатора изменяется не более чем на 0,001%, т. е. его выходное сопротивление не превышает 0,3 МОм. Пульсации вы-ходного напряжения частотой 100 Гц при максимальном токе на-грузки - не более 1 мВ (двойное амплитудное ).
Достоинство такого способа построения двуполярно-го стабилизатора очевидно - возможность применения однотипных элементов для обоих плеч. Недостаток заключается в том, что источники входного переменного напряжения в этом случае не должны иметь общей точ-ки, иными словами необходимы две изолированные одна от другой вторичные обмотки на сетевом трансформа-торе, два отдельных выпрямителя и четырехпроводное стабилизатора с выпрямителями.
Для того чтобы сократить соединительных про-водов до трех, необходимо регулирующий элемент (тран-зисторы V 4, V 5) нижнего по Схеме плеча стабилизатора перенести из его плюсового в минусовой провод (верх-ний остается без изменения). Сделать это можно, применив транзисторы другой структуры: n - р - n для транзистора V 4 и р - n - р для V 5 (рис. 2, а). Выходное напряжение операционного усилителя А2 при этом будет иметь отрицательную относительно общего провода. По параметрам этот . практически не отличается от описанного выше.
Заметим, что при указанном перенесении регулирую-щего элемента можно ограничиться заменой только -ного из транзисторов, а именно V 5, если включить ре-гулирующий по схеме составного транзистора (рис. 2, б) - при этом мощные регулирующие транзи-сторы в обоих плечах стабилизатора (VI и V 4 по рис. 2, а) остаются одинаковыми. Коэффициент стабилизации при таком видоизменении регулирующего элемента практически остается прежним (около 4000), но выход-ное сопротивление нижнего плеча может увеличиться, так как при переходе к составному регулирующему транзистору теряется преимущество, свойственное соче-танию в регулирующем элементе двух транзисторов Разной структуры (подробнее об этом см. в «Радио», 1975, № 12, с. 51). При экспериментальной проверке рассматриваемых стабилизаторов было зафиксировано, на-пример, увеличение выходного сопротивления в три раза.
Мощные регулирующие транзисторы одного, типа в обоих плечах двуполярного стабилизатора могут быть применены и в том случае, если по схеме составного транзистора включить регулирующий элемент верхнего схеме плеча стабилизатора (рис. 2, в), оставив в другом стабилизаторе транзисторы разной структуры.
Рис. 2. Схема стабилизатора с питанием от одного выпрямителя
Рис. 3. Схема стабилизатора с питанием ОУ от выходного напря-жения
В рассмотренных стабилизаторах ОУ питаются не-посредственно входным однополярным напряжением, но это возможно толвко в тех случаях, когда входное на-пряжение примерно равно номинальному напряжению питания ОУ. Если первое из названых напряжений пре-вышает второе, то питать ОУ можно, например, от про-стейших параметрических стабилизаторов, ограничиваю-щих входное напряжение на необходимом уровне.1 В том. случае, когда напряжение питания каждого из плеч ста-билизатора оказывается значительно меньше необходи-мого для питания ОУ,. следует перейти к его питанию двуполярным напряжением. В двуполярных стабилиза-торах это реализуется сравнительно просто.
На рис. 3 показана схема стабилизатора, выходное двуполярное напряжение которого равно напряжению питания , что позволило питать их непосредственно с выхода стабилизатора. Транзисторы V 3 и V 8 обеспечи-вают усиление выходного напряжения ОУ до необходи-мого уровня, V 4 защищает эмиттерный транзистора V 3 от обратного напряжения, которое мо-жет появляться на выходе ОУ (при его двуполярном питании), например, при переходных процессах. В том случае, когда наибольшее допустимое обратное напря-жение между эмиттером и базой транзистора превышает напряжение питания ОУ, применение такого диода яв-ляется излишним. Именно поэтому в базовой тран-зистора V 8 диод отсутствует.
Место источников образцового напряже-ния (стабилитронов V 5 и V 9) по сравнению с рассмо-тренным ранее стабилизатором (см. рис. 2, а) здесь из-менено для , чтобы сохранить отрицательный харак-тер обратной связи при наличии дополнительных усили-телей на транзисторах V 3 и V 8. была бы отрицательной и в том случае, если каждый из стабили-тронов V 5 и V 9 включить между инвертирующим входом соответствующего ОУ и общим проводом стабилизатора, но в рассматриваемом случае такое включение недопу-стимо, так как при этом будет превышено предельное синфазное напряжение, которое для ОУ К1УТ401Б (но-вое наименование К.140УД1Б) равно ±6 В.
При питании ОУ выходным напряжением следует обращать особое на надежность запуска ста-билизатора. В рассматриваемом случае такой запуск обеспечивается , что сразу после подачи входного напряжения через нагрузочные резисторы R 2 и R 9 про-текают базовые транзисторов V 2 и V 7 соответствен-но. Регулирующие элементы плеч стабилизатора при этом открываются, выходные напряжения увеличивают- , вводя устройство в рабочий режим.
Экспериментальная проверка этого стабилизатора дала следующие результаты: стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% превышает 10 000, выходное сопротивление равно 3 МОм.
Все рассмотренные выше двуполярные стабилизато-ры напряжения представляют собой сочетание двух объ-единенных общим проводом однополярных стабилизатор ров, выходные напряжения которых устанавливают не-зависимо одно от другого. При таком построении дву-полярного стабилизатора трудно обеспечить равенство напряжений его плеч как при налаживании стабилиза- , так и в условиях его эксплуатации. В ряде слу-чаев, например в преобразователях « -напряжение», к двуполярному стабилизатору предъявляются ресьма высокие требования в отношении симметричности его выходного напряжения относительно общего провода. Выполнение таких требований сравнительно просто обе-спечивается в стабилизаторе, схема которого показана на рйс. 4.
Рис. 4. стабилизатора с симметричным выходным напряжением
Здесь, верхнее по схеме ничем не отличается от верхнего плеча предыдущего стабилизатора (см. рис. 3). же плечо построено иначе. В инверти-рующий вход ОУ соединен с общим проводом, и, следо-вательно, напряжение на этом входе равно нулю. Так как дифференциальное входное напряжение ОУ незна-чительно ( единицы милливольт), то и напря-жение на неинвертирующем входе будет равно нулю. Но этот вход ОУ подключен к средней точке делителя на-пряжения R 14 R 15, включенного между крайними выво-дами стабилизатора; Благодаря этому абсолютная ве-личина напряжения UВЫХ. н на выходе нижнего плеча ста-билизатора будет определяться следующим выражением:
где Uвых. н - напряжение верхнего плеча.
При равенстве сопротивлений резисторов R 14 и R 15 выходное нижнего плеча автоматически устанавливается равным напряжению верхнего, и устрой-ство постоянно «следит» за его значением. Например, если мы с помощью подстроечного резистора R 8 увели-чим напряжение UВых. в, это приведет к увеличению на-пряжения на неинвертирующем входе ОУ А2 и, следо-вательно, на его выходе. При этом V 8 начнет закрываться, напряжение на регулирующем транзис-торе V 6 уменьшится. Выходное напряжение нижнего плеча увеличится до такого уровня, при котором напря-жение на неинвертирующем входе ОУ А2 вновь станет равным нулю, т. е. до вновь установленного уровня UВЫX. B.
Таким образом, в рассматриваемом двуполярном стабилизаторе напряжение на выходе обоих плеч -навливается одним подстроечным резистором R 8, а ра-венство абсолютных величин положительного и отрица-тельного выходных напряжений при R 14 = R 15 опреде-ляется лишь классом точности этих резисторов.
По своим качественным показателям стабилизатор не отличается от предыдущего.
Проведем расчет для канала стабилизатора на 36В и 1А, изображенного на рисунке 4.
Рисунок 4- Схема стабилизатора второго канала
Определим требуемый коэффициент стабилизации стабилизатора:
Зададим точку покоя регулировочного транзистора VT1. При токе в нагрузке 1 А и выходном напряжение 51 В среднее значение напряжения перехода коллектор-эмиттер должно составлять 51-36=15 В. Тогда мощность рассеивания на коллекторе транзистора около 15 Вт. Подбираем транзистор, с выходной характеристикой, близкой к изображенной на рисунке 5, строим нагрузочную прямую и отмечаем точку покоя А для среднего входного напряжения.
Согласно графическим расчетам, выбираем регулирующий транзистор VT1 с большим значением максимального тока коллектора (т.к. номинальный ток велик и равен 1А), например MТ7667. Параметры: максимальный ток коллектора I kmax =3 А, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэmax =50 В, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Р кmax =25 Вт, коэффициент усиления по току h 21э =70..100, граничная частота коэффициента передачи тока f г =30 MГц .
Рисунок 5- Выходная характеристика регулировочного транзистора
Соответственно на входной характеристике
Рисунок 6- Входная характеристика регулировочного транзистора
Ток базы покоя регулировочного транзистора при среднем коэффициенте усиления по току:
Выбранный ток базы, согласно рисунку 5, 6 составляет
U выхОУ = U бэ + U нmax < U выхmaxОУ;
Uбэ = 1,51 В;
U нmax =36·0.01+36=36.36 В
U выхОУ = 1,51+36.36=37,9 В
I выхОУ = I бmax VT1 = ;
Выбираем операционный усилитель PM155C, c параметрами: напряжение источника питания U ИП =40..50 В, коэффициент усиления 450, входное сопротивление R вх =25 МОм, потребляемая мощность 200мВт, входной ток I вх =80 нА, значения выходных напряжения и тока ОУ: U выхmaxОУ =50 В, I выхmaxОУ =40 мА.
Опорное напряжение формируем с помощью стабилитрона 2N3623, для которого: номинальное напряжение стабилизации 5 В, ток стабилизации 20 мА.
U оп = U ст < U нmin ;
определим сопротивление балластного резистора R1. Из условия I ст ном >> I вхОУ
R1 = = =2300 Ом.
Принимаем стандартное значение 2.3 кОм.
Определим сопротивление резистора R4 из выражения:
U вх =I бVT1 R4+U бэ,
Принимаем стандартное значение 2.7кОм.
Обеспечить требуемые выходные параметры ОУ можно введением обратной связи. Рассчитаем цепь обратной связи: R2-R3, при коэффициенте усиления 10- при меньших значениях будет малая чувствительность, при больших - ОУ быстро будет переходить в насыщение.
Выражая Я, получим:
Так же. Чтобы резисторы не оказывали большого влияния на работу схемы, т.е. ток делителя составлял несколько миллиампер, возьмем значение R3=51кОм, тогда R2==525кОм (Ближайшее стандартное 510кOм).
Рассчитаем сопротивления делителя R5-R6. Задаваясь током делителя 1 мА, и формируя напряжение обратной связи близкой к 5В, но менее его (для получения положительного сигнала на выходе ОУ), получаем:
R5=(36-5)/0.001=31 кОм;
R6=5/0.001=5 кОм.
Принимаем стандартные значения R5=33кОм R6=5.1 кОм
Проверим правильность выбора сопротивлений:
Напряжение обратной связи, снимаемого с R6 менее опорного (5В), значит, выбор резисторов был проведен правильно.
Рассчитаем элементы схемы защиты от короткого замыкания. Транзистор VT2 при токе нагрузки в пределах 1 А находится в режиме отсечки. При достижение тока нагрузки выше 1 А, VT2 начинает открываться и закорачивает базу VT1, призакрывая его, что вызывает ограничение тока нагрузки. Напряжение, приложенное к переходу коллектор- эммитер VT2 в открытом состоянии за вычетом падения напряжения на R4 (36- 1,51=34.49 В) и напряжения на диоде в прямом направление составит примерно 34 В. Максимальный коллекторный ток в открытом состояние I к нас около 36 мА (рисунок 5).
Возьмем в качестве датчика тока резистор R7 сопротивлением 1 Ом. Тогда при номинальном токе в нагрузке не более 1 А, падение напряжения на нем не превысит 1В.
Выберем в качестве VT2 транзистор 2N2411, с параметрами: максимальный ток коллектора I kmax =160мА, коэффициент усиления по току h 21э =100, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэmax =100 В, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Р кmax =160 мВт. Диод VD4 - DN380: U ОБР max =100 В, I max vd =1 A
Согласно выбранному режиму работы (рисунок 7) можно найти по выходной характеристики (рисунок 8) коллекторный ток VT2.
Рисунок 7- Входная характеристика транзистора VT2
Рисунок 8- Выходная характеристика транзистора VT2
Для режима отсечки U бэ <1 В и насыщения U бэ >1,2В. Соответственное изменение тока базы обеспечивает резистор R8.
R8= U бэ / I б = 1/1·10 -3 =1 кОм
Конденсатор С1 предотвращает ложное срабатывание схемы защиты при включение ИБП и его емкость подбирается соответственно для пропускания импульсов малой длительности. Примем значение С1=3.3 нФ.
Рассчитаем номиналы элементов схемы защиты от перенапряжения. Выбираем стабилитрон 2С514А: напряжение стабилизации 40В, минимальное напряжение стабилизации 38В, ток стабилизации 15мА; минимальный ток стабилизации 10мА ; транзисторную оптопару АОТ120ЕС: входной ток 3мА, напряжение изоляции 500В, максимальное входное напряжение 1.6В.
В случае достижения напряжения на нагрузке превышающего 38В, равное сумме напряжения стабилизации стабилитрона и прямого падения напряжения на оптроне (от 0.1 до 0.5В), происходит открытие VD5 и начинает протекать ток (минимальный ток стабилизации). Для обеспечения входного напряжения открытия оптопары в 1.6В, необходимо чтобы сопротивление R9 было не более 1.6/0.005=320Ом. Примем стандартное значение R9=300Ом.
Рисунок 9 - Схема моделирования
Рисунок 10 - Выходной сигнал схемы моделирования
Рис. 8. Основная схема включения регулятора КР142ЕН1
Опорное напряжение на выводе 5 микросхемы составляет около 2 В, причем делитель напряжения, снимаемого с опорного стабилитрона, введен в состав микросхемы. Благодаря этому при построении стабилизаторов с выходными напряжениями от 3 до 30 В применяют одну и ту же схему включения с внешним делителем выходного напряжения. Дополнительно отметим, что у микросхемы КР142ЕН1.2 имеются свободные выводы не только инвертирующего (вывод 3), но и неинвертирующего (вывод 4) входов усилителя, что упрощает стабилизатор отрица тельного напряжения с этой ИМС. В этом заключается основное отличие микросхемы КРН2ЕШ,2 от микросхемы 142ЕН1.2 более раннего выпуска.
Внешний транзистор VT1 - это эмиттерный повторитель для увеличения тока нагрузки до 1…2 А. Если требуется ток не более 50 мА, то транзистор следует исключить, используя вывод 8 микросхемы вместо эмиттерного вывода транзистора VT1.
В составе микросхемы имеется транзистор, защищающий выходной каскад от перегрузки по току. Токо–ограничительное сопротивление резистора R4 выбирают из расчета падения напряжения на нем 0,66 В при протекании аварийного тока. Без змиттерного повторителя VT1 следует установить резистор R4 сопротивлением 10 Ом.
Чтобы создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки, подключают делитель R2R3 и производят расчет по следующим зависимостям:
Пример, I макс = 0,6 А (задано); I К3 - 0,2 А (выбираем не менее 1 /з I макс); U бЭ =0,66 В; U вых =12 В (задано); а = 0,11 (по расчету); R3 = 10 кОм (типичное значение); R2 = 1,24 кОи; R4 = 3,7 Ом.
В микросхеме дополнительно имеется вывод 14 для Управления стабилизатором. Если подать на этот вход единичный ТТЛ–уровень + (2,5…5) В, то выходное напряжение стабилизатора упадет до нуля. Чтобы обратный ток при наличии емкостной нагрузки не разрушил выходной транзистор, установлен диод VD1.
Конденсатор С1 емкостью 3,3…10 мк подавляет шум стабилитрона, однако установка его не является необходимой. Конденсатор С2 (емкостью до 0,1 мк) - элемент частотной коррекции; допустимо вместо него соединить вывод 13 с «земляным» проводом через последовательную RС–цепь 360 Ом (максимум) и 560 пФ (минимум).
На базе микросхем КР142ЕШ.2 (рис. 8) можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений (рис. 9).
Рис 9. Стабилизация отрицательного напряжения
При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилитрона, иначе следует применить составной транзистор.
Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения, пример которых дан на рис. 10.
Рис. 10. Релейный стабилизатор напряжения
В таком стабилизаторе опорное напряжение, как и в стабилизаторе по схеме рис. 8, установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задается вспомогательным делителем R2R3 и равна &U=U B x-R4IR3. Частота автоколебаний определяется из тех же соображений, что и для стабилизатора по схеме на рис. 7. Следует лишь иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.
Необходимо рассмотреть еще один класс стабилизаторов - стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения сопротивления нагрузки. Из таких стабилизаторов, позволяющих заземлять нагрузку, отметим стабилизатор по схеме на рис. 11.
Рис. 11. Стабилизатор тока на ОУ
Ток нагрузки стабилизатора I u =U B-x .lRl. Интересно, что если напряжение U BX подавать на инвертирующий вход, то изменится только направление тока без изменения его значения.
Более мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов. На рис. 12 дана схема источника тока, а на рис. 13 - схема приемника тока.
Рис. 12. Прецизионная схема источника тока; входное напряжение - отрицательное
Рис 13. Схема прецизионного отвода тока; входное напряжение - положительное
В обоих устройствах сила тока определяется расчетом так же, как и в предыдущем варианте стабилизатора. Этот ток тем точнее зависит лишь от напряжения U вх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и чем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.
Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14.
Рис. 14. Источник тока высокой мощности
Здесь R4 - токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки I н =ДU/R4 = 5 А устанавливается. примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение U вх >18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.
Литература
Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения - М: Энергия, 1978, 88 с.
Рутксвски Дж. Интегральные операционные усилители. - М.: Мир, 1978, 323 с.
Xоролац П, Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. - М.; Мир, - 1986, 598 с.
Спенсер Р Недорогой источник питания с нулевыми пульсациями. - Электроника, 1973, № 23, с 62.
Шило В. Л Линейные интегральные схемы. - М. Cов. Радио, 1979, 368 с.
