Как можно изменить выходной ток стабилизатора

84

6.2. Увеличение выходного тока стабилизатора.

Для увеличения выходного тока стабилизатора могут использоваться мощные внешние проходные транзисторы [4], как показано на рис.6.3. Внутренний выходной транзистор стабилизатора с внешним проходным транзистором образуют комплементарный составной транзистор (внешний транзисторp-n-pтипа). На рис.6.3. показан пример схемы, в которой выходной ток микросхемы стабилизатора ограничивается максимальной величиной в 100 мА. При токе нагрузки меньше 100 мА внешний транзисторVTзакрыт (U_эб< 0,6 В) и не оказывает влияния на работу схемы. При больших токах нагрузки напряжение на резистореR1 (R1= 6 Ом) повышается до 0,6 В, транзисторVTоткрывается и обеспечивает необходимый ток нагрузки. При этом входной ток микросхемы стабилизатора ограничивается величиной 100 мА. Микросхема стабилизатора поддерживает напряжение на выходе на неизменном уровне, повышая или понижая входной ток, т.е. ток через резисторR1 и тем самым, управляя током транзистораVT. Минимальная разность между входным и выходным напряжением должна быть равна допустимой разности входного и выходного напряжения микросхемы стабилизатора плюс напряжение эмиттер-база транзистораVT.

При коротком замыкании выхода стабилизатора сильно возрастает ток через внешний транзистор, что приводит к выходу его из строя. Поэтому необходимо ограничивать выходной ток. На рис.6.4 показана схема ограничения выходного тока на неизменном уровне. В этой схеме, когда ток транзистора VT1 превысит заданный уровень, напряжение на резистореR2 повышается до уровня отпирания транзистораVT2. Открывающийся транзисторVT2 понижает уровень управляющего напряженияU_эб VТ1, тем самым, ограничивая его ток. Эта схема ограничения тока имеет те же недостатки, что и раннее рассмотренные схемы для стабилизаторов с ОУ. Это большая рассеиваемая мощность внешним транзистором и транзистор должен выдерживать большой ток, равный максимальному току стабилизатора, при большом перепаде напряженияU_кэ.

Для ограничения тока целесообразно применять схему ограничения с изменяющимся уровнем тока ограничения. В этой схеме происходит уменьшение выходного тока при увеличении перепада напряжений на проходном транзисторе.

6.3. Некоторые схемы стабилизаторов на интегральных схемах

Для получения отрицательных напряжений могут использоваться стабилизаторы на положительное напряжение, если входное напряжение гальванически изолировано от земли. Такая схема показана на рис.6.5. Для получения отрицательных напряжений могут использоваться стабилизаторы отрицательных напряжений. Одна из возможных схем получения двух симметричных напряжений показана на рис.6.6 [6]. В этой схеме средняя точка трансформатора подключена к земле и поэтому отрицательное напряжение не может быть стабилизировано схемой, приведенной на рис.6.5. В схеме включены диоды, для предотвращения выхода из строя стабилизаторов при возможном изменении полярности напряжения на выходе стабилизатора через сопротивление нагрузки. Такая ситуация может возникнуть при выходе из строя одного из стабилизаторов или при появлении одного из питающих напряжений раньше другого вследствие различного сглаживания. На рис.6.7 показана практическая схема источника питания.

Рассмотренные схемы стабилизаторов напряжения далеко не исчерпывают всего многообразия микросхем стабилизаторов и их включений. Более подробную информацию можно получить в литературе и на сайтах производителей микросхем: NationalSemiconductors,Fairchild,Motorolaи др.

Схемы включения линейных стабилизаторов напряжения

На Рис. 5.18 приведены типовые схемы включения стабилизаторов напряжения с фиксированным (а) и регулируемым (б) выходным напряжением. Конденсаторы С и С₂ включают для повышения устойчивости стабилизаторов.

Рис. 5.18. Типовые схемы включения линейных стабилизаторов напряжения

Увеличение выходного напряжения

В стабилизаторах с фиксированным значением выходного напряжения имеется возможность изменения последнего в некоторых пределах. Для этого в цепь общего вывода включают стабилитрон, как показано на Рис. 5.19. Это повышает выходное напряжение на величину Vqt-

Рис. 5.19. Повышение выходного напряжения интегрального стабилизатора с фиксированным напряжением стабилизации

Рис. 5.20. Регулируемый стабилизатор на основе ИМС с фиксированным выходом

Включение ИМС по схеме, показанной на Рис. 5.18#, возможно, но нежелательно, т. к. через резистор R₂ будет течь ток /_s, потребляемый цепями управления стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле

Можно повысить выходное напряжение этого стабилизатора или сделать его регулируемым, если на общий вывод ИМС подать напряжение с делителя через неинвертирующий повторитель на ОУ (Рис. 5.20). Благодаря низкому выходному сопротивлению повторителя, влияние тока /_s будет несущественным.

Повышение максимального выходного тока

Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на Рис. 5.21.

Рис. 5.21. Схемы повышения максимального выходного тока с включением дополнительного мощного транзистора: a — по схеме ОЭ, б — по схеме ОК

Вместе с внутренним регулирующим транзистором интегрального стабилизатора он образует комплементарный (Рис. 5.21а) или обычный (Рис. 5.216) составной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что встроенные схемы ограничения тока и защиты выходного транзистора самого стабилизатора не зависят от тока нагрузки и фактически не используется по прямому назначению.

Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, только цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для подключения к мощному транзистору по схеме, сходной с приведенной на Рис. 5.21. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается />-я-/>-транзистор с малым напряжением насыщения коллектор—эмиттер. При фиксированном выходном напряжении 3.3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1 А минимальную разность входного и выходного напряжений 0.14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, которая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход—выход составляет в этом случае порядка 0.5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.

За счет небольшого усложнения можно обеспечить защитой от КЗ и схему со стандартным стабилизатором (Рис. 5.22).

Рис. 5.22. Стабилизатор с повышенным выходным током и защитой от КЗ

При чрезмерном токе через основной регулирующий транзистор VT открывается транзистор VT₂ и перехватывает часть тока базы VT_X. Сопротивления схемы рассчитываются по формулам

где /_кз — максимально допустимый ток короткого замыкания, (3 — коэффициент усиления тока в схеме ОЭ транзистора VT_X,I_C МАХ —максимальный выходной ток ИМС стабилизатора, /₀ит мах — максимальный выходной ток всей схемы, а У_ЪЕХ обычно принимается равным 0.7. 0.8.

Увеличение выходной мощности стабилизированных источников питания

Все трехвыводные интегральные стабилизаторы напряжения обеспечивают выходной ток не более 1,5 А. Но часто бывает необходимо получить большую выходную мощность, сохранив качество стабилизации выходного напряжения. Существуют различные пути решения этой задачи. Один из них состоит в параллельном соединении нескольких одинаковых интегральных стабилизаторов. Но вследствие неизбежного технологического разброса параметров отдельных стабилизаторов их выходные напряжения всегда несколько отличаются друг от друга. При параллельной работе стабилизаторов эти различия приводят к неравномерному распределению общего тока нагрузки между стабилизаторами: одни из них имеют максимальный выходной ток, в то время как другие ничтожно малый или вообще находятся в отключенном состоянии. Для обеспечения равномерного распределения токов здесь требуется применение достаточно сложных выравнивающих устройств. Более предпочтительно использование мощных внешних транзисторов, весьма просто объединяемых с интегральным стабилизатором и обеспечивающих существенное увеличение выходного тока источника питания.

Стабилизаторы напряжения и тока

Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока — коэффициент стабилизации тока

K_{ст U}=; K_{ст I}= при R_н=const,

где U_вх, U_вых, I_вых — номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

DU_вх, DU_вых, D I_вых — изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

Влияние нагрузки R_н оценивается по внешним характеристикам U_вых(I_вых) и I_вых(R_н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

R_вых= при U_вх=const.

Рекомендуемые материалы

Для стабилизатора напряжения R_вых << R_н, а для стабилизатора тока — R_вых>>R_н.

Применяют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы.

Вопрос 2. Компенсационные стабилизаторы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R_вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

На входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U₀ и U_вых. Если U_вых не равно U₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U_вых оставалось постоянным

U_вых=U_вх—DU=const.

В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

K_{cm U}=h₂₁/(h₁₁+R₁); R_вых=.

В настоящее время широко применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе.

Вопрос 3. Стабилизатор тока.

Схема стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=aI_э.

Ток эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀—R₂I_э

Благодаря этому устанавливается режим работы

У современных транзисторов a®1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_к » I_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀ и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вх>DU+I_выхR_н, где DU — напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R_{н max}=.

Коэффициент стабилизации тока

Выходное сопротивление стабилизатора

R_вых=.

1. Каково назначение электронных стабилизаторов?

2. Как устроен и как работает параметрический стабилизатор напряжения и тока?

3. Поясните назначение элементов схемы компенсационного стабилизатора напряжения?

4. От каких элементов зависит коэффициент стабилизации?

5. Как можно осуществить регулирование U_вых стабилизатора напряжения?

6. Поясните принцип действия стабилизатора тока.

7. Как можно изменить выходной ток стабилизатора?

8. Почему стабилизатор тока может работать только на нагрузку с R меньше R_нmax?

9. Почему стабилизатор тока и стабилизатор напряжения имеют разные выходные сопротивления?