Как найти схему стабилизатора напряжения

Практически каждый электронный прибор требует для своей работы питания. Одни схемы некритичны к величине и стабильности питающего напряжения, но большинство все же требует для своей работы напряжений строго заданной величины. Сегодня мы поговорим о простых стабилизаторах  и разберемся, какими они бывают и как работают.

Простейший параметрический

В основу параметрических стабилизаторов положено свойство сильной нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) некоторых полупроводниковых приборов. Рассмотрим принцип работы простейшего параметрического стабилизатора, собранного на стабилитроне.

Как известно, стабилитрон имеет участок ВАХ, на котором напряжение на полупроводнике почти не зависит от тока через него. Нижний порог этого участка называют Iст. min, верхний – Iст.max. При подаче на схему напряжения питания Uвх, через стабилитрон начинает течь ток, который задается токоограничивающим (балластным) резистором R1. Если он находится в пределах Iст. min – Iст. max, то на выводах стабилитрона установится определенное напряжение Uст, которое зависит от типа полупроводникового прибора.

При подключении нагрузки (на схеме для наглядности ее роль исполняет резистор R2) ситуация несколько меняется. Ток, протекающий через балластный резистор, делится. Часть его продолжает течь через стабилитрон, часть питает нагрузку. В результате ток через стабилитрон уменьшается и при достаточно мощной нагрузке может упасть ниже пределах Iст. min.

В этом случае полупроводник выйдет из режима стабилизации и перестанет исполнять свои функции. Таким образом, подобные схемы годятся лишь для питания маломощных устройств, потребляющих единицы, максимум несколько десятков миллиампер. Их используют, к примеру, для получения опорных напряжений.

Вполне очевидно, что напряжение Uвх должно быть выше Uст. В противном случае стабилитрон не сможет выйти на рабочий режим. Обычно величину Uвх выбирают не менее чем на 3-5 В выше Uст.

А теперь попробуем собрать практическую схему стабилизатора на 12 В, используя стабилитрон КС512А. Смотрим на его характеристики:

• Uст – 12 В (при токе Iст. 5 мА);
• Iст.min – 1 мА;
• Iст.max – 67 мА.

Входное напряжение выберем равным 15 В. Ток через стабилитрон с отключенной нагрузкой выберем как можно ближе к максимальному, но с некоторым запасом – 50 мА. Запас этот нужен на случай, если входное напряжение повысится – оно ведь нестабилизированное. Исходя из этого, рассчитываем номинал балластного резистора по формуле:

R=(Uвх- Uвых)/Iстаб

где:

• R – сопротивление балластного резистора R1, Ом;
• Uвх – входное напряжение, В;
• Uвых – выходное напряжение, В;
• Iстаб – ток через стабилитрон, А.

Включаем калькулятор и считаем: R1=(15-12)/0.05=60 Ом. Какой ток в нагрузку сможет отдать такая схема? Как мы выяснили, при подключении нагрузки ток через балластный резистор будет составлять Iбал=Iстаб+Iнагр, а значит, Iстаб=Iбал–Iнагр. Нижний передел режима стабилизации выбранного нами полупроводника – 1 мА. Значит, наш стабилизатор сможет отдать в нагрузку порядка 40-45 мА. При этом ток через стабилитрон упадет до 5-10 мА. Дальнейшее повышение Iнагр приведет к еще большему уменьшению Iстаб, что может вызвать неустойчивую работу стабилитрона, скажем, при уменьшении входного напряжения, которое, как мы помним, нестабилизировано.

Включаем калькулятор и считаем: R1=(15-12)/0.05=60 Ом.

Значит, наш стабилизатор сможет отдать в нагрузку порядка 40-45 мА. При этом ток через стабилитрон упадет до 5-10 мА. Дальнейшее повышение Iнагр приведет к еще большему уменьшению Iстаб, что может вызвать неустойчивую работу стабилитрона, скажем, при уменьшении входного напряжения, которое, как мы помним, нестабилизировано.

На самом деле все на так просто, поскольку напряжение стабилизации стабилитрона зависит от тока через него. Не особо сильно, но зависит. При динамичной и особенно большой нагрузке напряжение на выходе нашей схемы станет существенно изменяться и будет мало похоже на стабильное. Таким образом, более-менее нормальную работу такого стабилизатора можно получить при отдаче в нагрузку много меньших токов – 1-2 десятка мА.

Параметрический с транзисторным ключом

В предыдущем разделе мы выяснили, что простейший стабилизатор имеет существенный недостаток – он не может обеспечить питанием более-менее мощную нагрузку. Кроме того, коэффициент стабилизации (зависимость выходного напряжения от входного) у предыдущей схемы относительно небольшой. Выйти из положения можно при помощи дополнительного элемента – транзистора.

Как видно из схемы, стабилитрон теперь питается от «личного» токоограничивающего резистора R1, ток через который не зависит от тока, протекающего через нагрузку. Стабилизированное стабилитроном D1 напряжение прикладывается к базе транзистора Т1. В результате на нагрузке устанавливается стабильное напряжение, величина которого составит разницу напряжений стабилизации стабилитрона и падения  на n-p переходе транзистора. Uвых=Uст-Uбэ. 

То есть если мы хотим получить к, примеру, выходное напряжение 12 В, то необходимо взять стабилитрон с большим (порядка 0.6 – 1.3 В – зависит от типа применяемого транзистора) напряжением стабилизации. К примеру, Д814Д (Uст. – 13 В). Но, что важно, такое решение существенно улучшает коэффициент стабилизации схемы, которая складывается из произведения коэффициента стабилизации стабилитрона и коэффициента передачи транзистора.

Главное же достоинство подобной схемы – большой отдаваемый ток, величина которого зависит от мощности транзистора. Это позволяет строить относительно простые стабилизаторы с неплохими характеристиками, способными выдавать токи в единицы и даже десятки ампер.

На интегральном стабилизаторе

Но и это не предел. Существенно улучшить характеристики источника питания можно применением  специализированных микросхем – так называемые интегральных стабилизаторов. Схема, изображенная ниже, не только имеет хороший коэффициент стабилизации, но и оснащена защитой от перегрузки, перегрева и короткого замыкания (все в составе микросхемы). Это уже полноценный стабилизатор.

Ну и, конечно, при использовании микросхем конструкция БП существенно упрощается. Создание ее требует минимума дополнительных элементов и не нуждается в расчетах и регулировке. Достаточно выбрать тип микросхемы и можно получить нужное выходное напряжение.

Ток, отдаваемый такими микросхемами, может достигать нескольких ампер (зависит от типа). Но если его недостаточно, то можно использовать транзисторный ключ, как мы это делали в случае со стабилитроном.

Если подключить вывод 2 микросхемы к минусовому проводу не напрямую,  а через стабилитрон, то выходное напряжение схемы будет складываться из напряжений стабилизации микросхемы и стабилитрона.

Ну и в завершении хотелось бы отметить один существенный недостаток вышеприведенных схем. Все они являются линейными или непрерывными стабилизаторами, в которых регулирующий элемент работает в линейном режиме. Такое решение достаточно просто, но имеет низкий КПД – ведь вся «лишняя» мощность бесполезно рассеивается на этом элементе.

К примеру, если построить БП на интегральном стабилизаторе КР142ЕН5А (см. схему выше) и выбрать Uвх. 15 В, то при токе в нагрузке 2 А на самой микросхеме будет рассеиваться мощность 2 * 10 = 20 Вт. Это вдвое больше полезной мощности, питающей саму нагрузку. То есть КПД такой схемы составить чуть более 30%.

В заключение. Существенно повысить КПД блока питания можно заставив работать регулирующий элемент в ключевом режиме, применив широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Но поскольку у нас разговор о простых стабилизаторах, а схемы с широтно-импульсным управлением относительно сложны, то здесь мы их рассматривать не будем.

Виды и схемы стабилизаторов напряжения

Приборы для стабилизации напряжения сети применяются уже не одно десятилетие. Многие модели давно не используются, а другие пока не нашли широкого распространения, несмотря на высокие характеристики. Схема стабилизатора напряжения не является чем-то слишком сложным. Принцип работы и основные параметры различных стабилизаторов следует знать тем, кто ещё не определился с выбором.

Содержание:

1. Виды стабилизаторов напряжения
   • Электромеханический стабилизатор
   • Релейный стабилизатор
   • Электронный стабилизатор
   • Стабилизатор двойного преобразования

Виды стабилизаторов напряжения

В настоящее время применяются следующие виды стабилизаторов:

• Феррорезонансные;
• Сервоприводные;
• Релейные;
• Электронные;
• Двойного преобразования.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Феррорезонансные стабилизаторы конструктивно являются самыми простыми устройствами. Они состоят из двух дросселей и конденсатора и работают на принципе магнитного резонанса. Стабилизаторы такого типа отличаются высокой скоростью срабатывания, очень большим сроком эксплуатации и могут работать в широком диапазоне напряжения на входе. В настоящее время их можно встретить в медицинских учреждениях. В быту практически не применяются.

Принцип действия сервоприводного или электромеханического стабилизатора основан на изменении величины напряжения с помощью автотрансформатора. Устройство отличается исключительно высокой точностью установки напряжения. Вместе с тем скорость стабилизации самая низкая. Электромеханический стабилизатор может работать с очень большими нагрузками.

Релейный стабилизатор так же имеет в своей конструкции трансформатор с секционированной обмоткой. Выравнивание напряжения осуществляется с помощью группы реле, которые срабатывают по командам с платы контроля напряжения. Прибор имеет относительно высокую  скорость стабилизации, но точность установки заметно ниже за счёт дискретного переключения обмоток.

Электронный стабилизатор работает по такому же принципу, только секции обмотки регулирующего трансформатора переключаются не с помощью реле, а силовыми ключами на полупроводниковых приборах. Точность электронного и релейного стабилизатора приблизительно одинаковая, но скорость электронного устройства заметно выше.

Стабилизаторы двойного преобразования, в отличие  от других моделей, не имеют в своей конструкции силового трансформатора. Коррекция напряжения осуществляется на электронном уровне. Устройства этого типа отличаются высокой скоростью и точностью, но их стоимость намного выше, чем у других моделей. Стабилизатор напряжения 220 вольт своими руками, несмотря на кажущуюся сложность, может быть реализован именно на инверторном принципе.

Электромеханический стабилизатор

Сервоприводный стабилизатор состоит из следующих узлов:

• Входной фильтр;
• Плата измерения напряжения;
• Автотрансформатор;
• Серводвигатель;
• Графитовый скользящий контакт;
• Плата индикации.

В основе работы электромеханического стабилизатора лежит принцип регулировки напряжения путём изменения коэффициента трансформации. Это изменение осуществляется перемещением графитового контакта по свободной от изоляции обмотке трансформатора. Перемещение контакта осуществляется серводвигателем.

Напряжение сети поступает на фильтр, состоящий из конденсаторов и ферритовых дросселей. Его задача максимально очистить приходящее напряжение от высокочастотных и импульсных помех. В плате измерения напряжения заложен определённый допуск. Если напряжение сети в него укладывается, то оно сразу поступает на нагрузку.

При отклонении напряжения сверх допустимого, плата измерения напряжения подаёт команду на узел управления серводвигателем, который перемещает контакт в сторону увеличения или уменьшения напряжения. Как только величина напряжения придёт в норму, серводвигатель останавливается. Если напряжение сети нестабильно и часто изменяется, сервопривод может отрабатывать процесс регулирования практически постоянно.

Схема подключения стабилизатора напряжения малой мощности не представляет ничего сложного, поскольку на корпусе установлены розетки, а включение в сеть осуществляется шнуром с вилкой. На более мощных устройствах сеть и нагрузка подключаются с помощью винтовой колодки.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Релейный стабилизатор

В релейном стабилизаторе имеется почти такой же набор основных узлов:

• Сетевой фильтр;
• Плата контроля и управления;
• Трансформатор;
• Блок электромеханических реле;
• Устройство индикации.

В этой конструкции коррекция напряжения осуществляется ступенчато, с помощью  реле. Обмотка трансформатора разделена на несколько отдельных секций, каждая из которых  имеет отвод. Релейный стабилизатор напряжения имеет несколько ступеней регулирования, число которых определяется количеством установленных реле.

Подключение секций обмотки, а, следовательно, и изменение напряжения может осуществляться либо аналоговым, либо цифровым способом. Плата управления, в зависимости от изменения напряжения на входе, подключает необходимое количество реле для обеспечения напряжения на выходе, соответствующего допуску. Стабилизаторы релейного типа имеют самую низкую цену среди этих приборов.

Электронный стабилизатор

Принципиальная схема стабилизатора напряжения этого типа имеет лишь небольшие отличия от конструкции с электромагнитными реле:

• Фильтр сети;
• Плата измерения напряжения и управления;
• Трансформатор;
• Блок силовых электронных ключей;
• Плата индикации.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Принцип работы электронного стабилизатора не отличается от принципа работы релейного устройства. Единственное отличие заключается в применении электронных ключей вместо реле. Ключи представляют собой управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры и симисторы. Каждый из них имеет управляющий электрод, подачей напряжения на который вентиль можно открыть. В этот момент и происходит коммутация обмоток и изменение напряжения на выходе стабилизатора. Стабилизатор отличается хорошими параметрами и высокой надёжностью. Широкому распространению мешает высокая стоимость прибора.

Стабилизатор двойного преобразования

Это устройство, называемое так же инверторный стабилизатор, по своей конструкции и техническим решениям, полностью отличается от всех других моделей. В нем отсутствует  трансформатор и элементы коммутации. В основу его работы положен принцип двойного преобразования напряжения. Из переменного напряжения в постоянное, и обратно в переменное.

Схема инверторного стабилизатора напряжения 220в состоит из следующих узлов:

• Фильтр сетевых помех;
• Корректор мощности – выпрямитель;
• Блок конденсаторов;
• Инвертор;
• Узел микропроцессора.

Напряжение сети, пройдя через фильтр, поступает на корректор – выпрямитель, где осуществляется первое преобразование. В блоке конденсаторов запасается энергия, которая будет необходима при пониженном напряжении.

Обычно инвертор выполняется по схеме с использованием ШИМ контроллера. Дополнительное питание необходимо для питания микропроцессора, который управляет всей работой стабилизатора.

Большой выбор стабилизаторов напряжения отечественного производства от компании «Энергия», вы найдете на сайте официального представителя ВольтМаркет.ру.

Это устройство отличается уникальными параметрами, поскольку инверторный стабилизатор не изменяет величину напряжения сети, а заново его генерирует. Это позволяет получить напряжение высокого качества со стабильной частотой.

На базе инверторного принципа может быть реализована схема регулируемого стабилизатора напряжения. В этом случае можно на схемном уровне рассчитать величину напряжения на входе, которая может быть практически любой, а стабилизатор будет выдавать 220В.

Понравилась статья? Сохрани в соц сетях!

Напряжение в схеме постоянного тока может быть непостоянным из-за пульсаций, вызванных изменениями нагрузки (например падение напряжения после запуска двигателей). А стабилизатор напряжения – схема, поддерживающая постоянное напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения (в диапазоне, когда входное напряжение выше стабилизированного напряжения). В этой статье мы изучим различные типы стабилизаторов напряжения и прежде всего возьмём стабилитрон, который является простейшим стабилизирующим элементом.

Стабилитрон: а) графическое обозначение (А – анод, К – катод); b) образец детали

Принцип работы стабилитрона будет рассмотрен на примере радиоэлемента, у которого напряжение стабилизации Uz = 4,7 В, а допустимая мощность P = 1,3 Вт. По формуле легко рассчитать допустимый ток, который может протекать через него:

Imax = P / U

Imax = 1,3 Вт / 4,7 В

Imax = 276 мА

Теперь проследим, как ведет себя деталь в следующей схеме:

Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, резистора R1 и стабилитрона D1

Первоначально стандартным источником питания будет аккумуляторная сборка, обеспечивающая общее напряжение около 6 В. Начнем с расчета сопротивления резистора R1:

R1 = UB1 / Imax

R1 = 6 В / 276 мА

R1 = 21,7 Ом

Резистор R1 ограничит максимальный ток, который может протекать в цепи и достигнуть стабилитрона, что защитит его от повреждений.

Расчет резистора проводим с учетом: мощности стабилитрона, напряжения питания и тока, который должен протекать в цепи. Предположим что ток, протекающий в цепи, меньше максимального, например, I = 30 мА, то есть I = 0,03 А, напряжение стабилитрона Uz = 4,7 В, питание UB1 = 6 В.

R1 = UB1 – Uz / I

R1 = (6 В – 4,7 В) / 0,03 А = 43,3 Ом

Проследим как изменится напряжение в цепи при постепенном снижении напряжения питания UB1.

1. UB1 > Uz. Напряжение питания UB1 имеет значение 6 В и превышает номинальное напряжение стабилитрона 4,7 В. Тем не менее, вольтметр покажет напряжение, близкое к напряжению стабилитрона, то есть 4,7 В. Это связано с тем, что падение напряжения на элементе может достигать его напряжения стабилизации, которое в данном случае составляет 4,7 В. Обратите внимание, что диод на схеме подключен наоборот, то есть в обратном направлении. Как мы знаем о диодах, они не проводят ток, если они подключены таким образом, но стабилитрон является исключением, и он должен делать это, если подаваемое на него напряжение выше, чем напряжение стабилизации. UB1 > Uz значит через диод течет электричество.
2. UB1 = Uz. Напряжение питания UB1 равно номинальному напряжению стабилитрона с 4,7 В. Падение напряжения на нём равно напряжению питания UB1 = Uz = 4,7 В. Стабилитрон ведет себя как любой другой диод и не проводит электричество (точнее, проводит минимальный ток). На вольтметре получаем напряжение, близкое к напряжению питания UB1 = 4,7 В.
3. UB1 < Uz. Напряжение питания UB1 = 3 В и ниже номинального напряжения стабилитрона, которое составляет 4,7 В. Падение напряжения на диоде равно напряжению питания UB1 = Uz = 3 В. Стабилитрон ведет себя как любой другой диод и не проводит ток, потому что входное напряжение намного ниже стабилизированного. На вольтметре получаем напряжение, близкое к напряжению питания UB1 = 3 В.

Теперь перейдем к основной теме статьи – стабилизатору напряжения. У нас есть стабилизатор 7805. Первые две цифры говорят, что это стабилизатор для положительного напряжения, а следующие две определяют напряжение, которое получаем на выходе. Этот стабилизатор выглядит так:

Стабилизатор 7805 в корпусе ТО-220

На фото стабилизатор напряжения в корпусе ТО-220. А на схеме далее изображена внутренняя часть стабилизатора из документации:

Принципиальная схема стабилизатора напряжения 7805

Схема выглядит довольно сложной. Стабилизатор 7805 – это не какой-то один электронный элемент (например, транзистор или конденсатор), а целая радиосхема, состоящая из резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов. Но нет необходимости вникать в его структуру, для нас важнее как это работает, сосредоточимся на этом.

Стабилизатор 7805 в корпусе ТО-220 имеет 3 ножки:

• INPUT – вход для подключения к плюсу питания
• GND – земля, которая подключается к минусу блока питания
• OUTPUT – выход, также соединенный с плюсом питания

Схематический рисунок из даташита скажет что куда:

Стабилизатор 7805: а) фрагмент документации о размерах и выводах стабилизатора; b) схема стабилизатора с разметкой выводов

Из теории знаем, что в созданной схеме, например, в радиоуправляемой машинке, могут возникать колебания напряжения, вызванные включением и выключением двигателей.

График, показывающий колебания напряжения во времени

Стабилизатор предназначен для компенсации этих падений, так что компоненты, расположенные за ним, получают напряжение без изменений.

У стабилизатора есть свои ограничения. Чтобы он начал работать, необходимо минимальное падение напряжения между выходом (напряжение на выводе OUTPUT) и входом (напряжение, приложенное к выводу INPUT). Этот параметр (падение напряжения) обычно обозначается символом Udo, и можем проверить его в примечании к документации.

Фрагмент документации на стабилизатор 7805, показывающий его характеристики

Из таблицы видно, что падение напряжения (обозначенного здесь как Vd) требуется разница минимум в 2 В между выходом и входом стабилизатора.

Еще один важный параметр стабилизатора – максимальное входное напряжение.

Фрагмент документации на стабилизатор 7805 с указанием предельно допустимых параметров

Максимальное напряжение, которое можем подать на стабилизатор 7805, составляет Vin = 35 В, а наименьшее 7 В, что является результатом параметра падения напряжения, то есть требуемой разницы в 2 В между напряжением подаваемым на вход стабилизатора и получаемым на его выходе.

Теперь перейдем к тому, как подключить стабилизатор к какой-нибудь схеме. Надо поставить его в непосредственной близости от конденсаторов:

Схема цепи, состоящей из источника напряжения (B1), стабилизатора напряжения (7805) и конденсаторов (C1, C2, C3, C4)

На схеме к источнику питания B1 подключены стабилизатор 7805 и 4 конденсатора: два из них (C1 и C4) – керамические конденсаторы емкостью 100 нФ, два других (C2 и C3) – электролитические конденсаторы емкостью 100 мкФ.

Электролитические конденсаторы имеют полярность, и подключение их к схеме наоборот может закончиться взрывом, поэтому помечаем их на схеме двумя прямоугольниками: пустой внутри – положительный полюс и закрашенный – отрицательный.

Керамический конденсатор, как и резистор, не является полярным элементом, поэтому его можно подключать к схеме любым способом. Это отражено в его символе на схеме – двух параллельных линиях.

Спросите почему стабилизатор окружен конденсаторами? Роль стабилизатора заключается в поддержании постоянного напряжения на выходе независимо от нагрузки, подключенной к схеме, а также колебаний напряжения на входе, так называемых пульсаций. Кроме того, внутренняя структура стабилизатора очень сложна, и это причина, по которой могут быть самовозбуждения.

Это звучит странно – элемент, на который подается напряжение и чья роль заключается в стабилизации этого напряжения, возбуждает сам себя, вызывая его изменение. Но факт остаётся фактом.

Шумы иногда (не всегда) возникающие за стабилизатором напряжения, могут иметь разную частоту. Высокочастотный шум подавляется керамическими конденсаторами, а низкочастотный – электролитическими.

Подключим компоненты на макетной плате по схеме, состоящей из источника напряжения (B1), стабилизатора напряжения (7805) и конденсаторов (C1, C2, C3, C4).

Стандартный источник питания – блок на 4 аккумулятора. Для этого лучше всего подойдут новые, полностью заряженные батареи, потому что стабилизатору требуется как можно большая разность потенциалов между стабилизированным напряжением выхода и напряжением питания.

Конденсаторы C1 и C4 – керамические емкостью 100 нФ (обозначение на корпусе: 104), а конденсаторы C2 и C3 – электролитические конденсаторы емкостью 100 мкФ.

Фотография сборки на макетной плате, согласно схеме выше

Если измеряем напряжение между IN стабилизатора и землей (GND), то получим значение, близкое к напряжению питания:

Измерение напряжения между ножками стабилизатора: IN и GND

Если измерим напряжение между ножкой стабилизатора OUT и землей (GND), то получим напряжение равное напряжению стабилизации:

Измерение напряжения между стойками стабилизатора: OUT и GND

Подключим сюда красный светодиод (между OUT и GND).

Принципиальная схема, состоящая из источника питания (B1), стабилизатора (7805), конденсаторов (C1, C2, C3, C4), резистора (R1) и светодиода (D1)

Рассчитаем сопротивление резистора на напряжение 5 В:

UR1 = Uout – UD1

UR1 = 5 В – 2,1 В

UR1 = 2,9 В

R1 = UR1 / I

R1 = 2,9 В / 20 мА

R1 = 145 Ом

Резистор R1 должен иметь сопротивление 145 Ом, поэтому будем использовать резисторы стандартные на 100 Ом и 47 Ом.

Сборка на монтажной плате, по схеме выше

Если бы красный светодиод был подключен непосредственно к источнику питания, ему потребовался бы резистор не менее 195 Ом. Между тем, он подключен за стабилизатором с резисторами с общим сопротивлением 147 Ом, что является лучшим доказательством того, как работает стабилизатор.

Стабилизатор напряжения – это схема, которая поддерживает постоянное напряжение на выходе независимо от изменений напряжения на входе.

Теперь попробуем сделать схему с транзисторами, которая будет поддерживать постоянную выходную силу тока независимо от подключенной нагрузки (конечно в допустимых пределах).

Схема из источника напряжения B1, резисторов R1, R2, потенциометра P1, транзисторов T1 и T2 и светодиода D1

Принцип работы следующий: Ток течет от источника питания B1, который проходит через LED D1 (вместо него можем подключить любую другую нагрузку). Затем ток протекает через переход коллектор-эмиттер T1. Резистор R2 подбирается таким образом, чтобы через транзистор Т1 протекал максимальный (ожидаемый) ток, когда транзистор Т2 выключен. Ток, протекающий от транзистора T1, проходит через резистор R1 и потенциометр P1. Их значения выбраны таким образом, чтобы ток, протекающий через них, открывал транзистор Т2 в зависимости от настройки регулятора Р1.

Вернемся к току протекающему с резистора R2 – он разделяется и часть идет на базу транзистора T1, но большая часть проходит через транзистор T2 (когда он включен). Ток, протекающий через T1, вызывает падение напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1, который питает базу транзистора T2. Ток протекает через транзистор T2 – через переход коллектор-эмиттер, который также ограничивает ток, протекающий к базе транзистора T1, и это вызывает уменьшенное протекание тока через переход коллектор-эмиттер транзистора T1, и в то же время уменьшение тока протекающего на базу Т2.

В какой-то момент между двумя транзисторами установится состояние равновесия, следствием чего будет постоянный ток, протекающий к элементам, нагружающим схему (в данном случае светодиод D1). Изменение (увеличение или уменьшение) нагрузки приведет к установлению нового состояния равновесия, следствием чего будет ток, протекающий через нагрузку с той же интенсивностью, что и раньше.

Далее перейдем к выбору соответствующих параметров, используемых в схеме компонентов.

Источником питания B1, как обычно, является холдер с 4 батареями, общее напряжение которых составляет около 6 В.

Чтобы произвести какие-либо расчеты, сначала сделаем некоторые исходные предположения: допустим минимальный ток подаваемый на нагрузку должен быть Imin ~ 3 мА (приближение является результатом сложности выполнения точных расчетов).

Оба транзистора BC548B (типа NPN). Согласно их описанию, при напряжении Ube = 0,77 В, транзистор переходит в насыщение, и дальнейшее повышение напряжения не влияет на ток коллектора.

Принимая во внимание сделанное предположение относительно минимального тока и предполагая Ube для T2 = 0,7 В, выберем резистор R1:

R1 = Ube T2 / Imin

R1 = 0,7 В / 0,003 А

R1 = 233 Ом

Сопротивление резистора R1 предполагается равным 233 Ом, но помните, что это приблизительный результат (не учитывали падение напряжения на транзисторе, параллельно включенном потенциометре и так далее). И у нас нет такого резистора в комплекте, поэтому будем использовать стандартный 220 Ом.

Рассмотрим 2 крайних случая положения ручки потенциометра P1:

1. Ползунок замкнут накоротко на плюсовую ножку, как показано на схеме ниже:

Принципиальная схема стабилизатора тока; красная стрелка указывает падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т2, равное 0,7 В

В этом положении ручки напряжение между базой и эмиттером T2 Ube составляет 0,7 В, и вся схема работает по описанному выше принципу – ток, протекающий через один из транзисторов, влияет на протекающий ток через другой, пока не установится состояние равновесия.

2. Ползунок замкнут накоротко на массу, как показано на схеме:

Схема стабилизатора; красная стрелка отмечает падение напряжения 0 В между базой и эмиттером транзистора Т2; б) схема цепи стабилизации тока без транзистора Т2, который в этом положении ручки потенциометра отключен

В этом положении ручки потенциометра разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора T2 составляет 0 В. Как известно, для работы транзистора это напряжение должно быть не менее 0,58 В. В этой ситуации транзистор выключен, и цепь следует рассматривать так, как будто ее там нет. Из-за того что Т2 не включен, ничто не запускает работу транзистора Т1, поэтому схема не работает как стабилизатор тока.

Вернемся к расчетам: полное сопротивление (R P1R1 ) потенциометра P1 и резистора R1, которые рассматриваем как обычные резисторы включенные параллельно, составляет:

R P1R1  = (R1 x P1) / (R1 + P1)

R P1R1  = (220 Ом x 10000 Ом) / (220 Ом + 10000 Ом)

R P1R1  = 2200000 / 10220

R P1R1  = 215 Ом

Предположили, что минимальный ток должен быть 3 мА. Теперь также нужно определить его максимум.

Если к схеме не подключена нагрузка и если не принимать во внимание сопротивление резистора R2 и падение напряжения на транзисторе T1, максимальный ток который может протекать в схеме, составляет:

Imax = U B1 / R P1R1

Imax = 6 В / 215 Ом

Imax = 28 мА

Но мы не получим такой ток из-за пропущенного в расчетах сопротивления R2 и падения напряжения на транзисторе T1. Поэтому для дальнейших расчетов будем считать что Imax будет немного меньше, а именно 20 мА.

Максимальное падение напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1 составляет:

U P1R1 = Imax x R P1R1

U P1R1 = 20 мА x 215 Ом

U P1R1 = 4,3 В

Давайте посмотрим на транзистор T1. Разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора T1, то есть Ube T1, будет суммой падения напряжения Uf T1, необходимого для включения (проводимости), и падения напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1, подключенном после транзистора:

Ube T1 = Uf T1 + U P1R1

Ube T1 = 0,7 В + 4,3 В

Ube T1 = 5 В

Его коэффициент усиления (также известный как hfe ) может составлять от 200 до 450:

Фрагмент даташита транзистора BC548B, определяющий его параметры: коэффициент усиления (h FE), напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (V CE(sat)) и напряжение база-эмиттер (V BE)

Для дальнейших расчетов будем использовать средний коэффициент усиления b = 325.

Давайте выберем сопротивление резистора R2, предполагая, что схема не подключена к нагрузке, а величина тока протекающего к базе транзистора T1, должна обеспечивать максимальный ток, протекающий через переход коллектор-эмиттер для нашей схемы, то есть ранее рассчитанный Imax = 20 мА.

I BT1 = I CT1 / b

I BT1 = 20 мА / 325

I BT1 = 61,5 мкА

Падение напряжения на резисторе R2 определяется путем вычитания разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора T1 (Ube T1) из напряжения источника питания (U B1).

U R2 = U B1 – Ube T1

U R2 = 6 В – 5 В

U R2 = 1 В

Нужно только рассчитать сопротивление резистора R2:

R2 = U R2 / I BT1

R2 = 1 В / 61,5 мкА

R2 = 16,260 кОм

Теперь перейдем к сборке на макетке схемы, где:

• T1 = T2 – транзистор BC548B NPN;
• Резисторы R1 = 220 Ом;
• R2 = резисторы 10 кОм, 3,9 кОм, 2,2 кОм;
• P1 – потенциометр 10k;
• D1 – красный светодиод.

Схема стабилизации тока на транзисторах

Сборка схемы на монтажной плате без подключенной нагрузки

Рассмотрим ток протекающий через амперметр, когда поднесем его щупы ближе к месту подключения нагрузки – коллектору транзистора T1 и плюсу питания, когда ручка потенциометра повернута максимально:

Измерение тока с максимальным поворотом ручки потенциометра на массу

Но помните, что на данном этапе он не действует как стабилизатор!

Измерение минимального тока с максимальным поворотом ручки потенциометра на плюс питания

Измеренный минимальный ток немного ниже предполагаемого (3 мА), но помните, что это результат исключения параметров некоторых компонентов из-за сложности точных расчетов.

Теперь подключим к схеме один красный светодиод – ручка потенциометра закручена в плюс, чтобы не повредить LED:

Стабилизатор тока с нагрузкой – один красный светодиод

Какой будет ток, если замерить его, закоротив ножки светодиода с помощью амперметра и между диодом и коллектором транзистора Т1?

Измерение тока, щупы амперметра прикладываются: а) к обеим ножкам светодиода; b) между отрицательной ногой светодиода и коллектором транзистора

Почему измеренный ток не равен? Измерение, показанное на фотографии, было выполнено путем прикладывания щупов амперметра к контактам светодиода, подключенного к схеме. В этой ситуации большая часть тока будет проходить через амперметр, но небольшая часть – через светодиод. На рисунке более короткая ножка диода не имеет связи с коллектором транзистора Т1, оба этих элемента соединены щупами амперметра, через которые протекает весь ток.

Подключим еще один светодиод:

Схема стабилизации тока нагрузки – два красных светодиода; b) измерение силы тока, протекающего между ножкой второго светодиода и коллектором транзистора

Попробуем далее с тремя красными светодиодами:

Схема стабилизации тока – три красных светодиода; b) измерение силы тока, протекающего между ножкой третьего светодиода и коллектором транзистора

Ток, измеренный амперметром, остался прежним, хотя свет от светодиодов становится слабее.

Можем ли тогда подключить четвертый и последующий светодиод? Конечно, можете попробовать сделать это как часть опыта. Но помните, что батарея имеет напряжение только 6 В. Падение напряжения на каждом из диодов составляет 2,1 В. Чтобы подключить еще один светоизлучающий диод или просто другую бОльшую нагрузку, увеличьте напряжение подаваемое в схему. К сожалению, это также потребует замены резисторов или транзисторов, поэтому схему необходимо будет пересчитать.

Вот примеры практического применения такого стабилизатора:

• регулируемый ограничитель тока для блоков питания (даже короткое замыкание не повредит компоненты);
• зарядка или разрядка аккумуляторов постоянным током;
• драйвер питания светодиодов.

В общем со стабилизаторами всё гораздо проще, чем кажется на первый взгляд. И хорошо запомнив эту информацию вы станете ещё на один шаг ближе к электронике и радиолюбительству!

   Форум по БП