Рис. Принципиальная схема транзисторного стабилизатора тока






На рис. приведена схема простейшего стабилизатора тока, состоящая из регулирующего транзистора Т1 и измерительного резистора R1, включенных последовательно с нагрузкой, стабилитрона Д с балластным резистором R2, включенных параллельно источнику входного напряжения.
При изменении сопротивления нагрузки (или изменении тока, вызванного изменением входного напряжения) изменяется падение напряжения на резисторе R1. В результате этого изменяется напряжение Uэб транзистора Т1, а следовательно, и его сопротивление, что приводит к компенсации полного сопротивления схемы и к стабилизации тока.
Транзисторные стабилизаторы напряжения и тока применяются на ток и нескольких сотен миллиампер до десятков ампер и на напряжения от нескольких вольт до сотен вольт.



В транзисторном стабилизаторе постоянного тока последовательно с нагрузкой включается эталонный резистор Rэт, напряжение на котором стабилизуется с помощью обычного стабилизатора напряжения VD1.
При изменении тока в нагрузке стабилизатора сигнал рассогласования Uэт-Uоп усиливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе T2, и воздействует на регулирующий элемент - транзистор Т1. В результате ток, протекающий через нагрузку, остается неизменным.
Подобные схемы позволяют получить коэффициент стабилизации Кст i=100-200.

Ключевые стабилизаторы напряжения

В транзисторных стабилизаторах напряжения выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения на регулирующем транзисторе, который работает в линейном усилительном режиме и под действием схемы обратной связи непрерывно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимости от изменения входного напряжения или тока нагрузки. КПД линейных стабилизаторов мал, так как на регулирующем транзисторе рассеивается значительная мощность. Для уменьшения температуры коллекторного перехода регулирующих транзисторов применяются радиаторы, значительно увеличивающие вес и габариты устройств электропитания.
Эти недостатки в меньшей степени проявляются в полупроводниковых ключевых (или импульсных) стабилизаторах напряжения, у которых регулирующий элемент (транзистор или тиристор) работает в режиме переключений, находясь поочередно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии. Источник питания стабилизатора(выпрямитель) при помощи регулирующего элемента периодически подключается к нагрузке. При открытом состоянии регулирующий элемент проводит ток, а при закрытом - не проводит. Величина выходного напряжения зависит от соотношения длительности открытого и закрытого состояний регулирующего элемента, т.е. от скважности его управляющих импульсов. Управление скважностью импульсов осуществляется схемой отрицательной обратной связи таким образом, что при увеличении входного напряжения питания время открытого состояния регулирующего элемента уменьшается, а при уменьшении входного напряжения питания увеличивается настолько, что выходное напряжение стабилизатора остается почти неизменным (с заданной степенью точности).
Частота переключений регулирующего элемента выбирается достаточно высокой 1 - 5 КГц и выше, и поэтому сглаживание пульсации выходного напряжения достигается малогабаритным фильтром, включаемым после регулирующего элемента. Так как потеря мощности в регулирующем элементе, работающем в режиме переключений, незначительны, то КПД ключевых стабилизаторов достигает 0,85-0,92.
Обычно в ключевых стабилизаторах, питающихся от сети постоянного тока, в качестве регулирующего элемента используются мощные транзисторы, а в стабилизаторах с регулированием на стороне переменного тока применяются тиристоры.


Регулирующий транзистор Т работает в режиме переключений и соединен последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. Дроссель ДР и конденсатор С образуют фильтр, сглаживающий пульсации выходного напряжения. Диод Д включен в обратном направлении и предназначается для разряда дросселя фильтра во время закрытого состояния транзистора Т.
Схема управления стабилизатором содержит измерительный элемент ИЭ с источником эталонного (опорного) напряжения ОЭ, выделяющий сигнал ошибки, который поступает на вход усилителя У. Усиленный сигнал подается на схему преобразования СП, которая преобразует постоянное напряжение в сигналы управления и подает их на регулирующий транзистор Т, включая и выключая его с определенной частотой.
При подаче на вход стабилизатора постоянного напряжения Uвх регулирующий транзистор Т открыт и ток через ДР поступает в нагрузку. Конденсатор С при этом заряжается.



Когда выходное напряжение на нагрузке достигает заданного верхнего уровня Uв, схема отрицательной обратной связи вырабатывает такой управляющий сигнал, который мгновенно запирает регулирующий транзистор Т и протекание тока через транзистор прекращается (Рис. а). В этот момент энергия, запасенная в элементах фильтра ДР и С через диод Д разряжается на нагрузку (Рис б).
Поскольку энергия, запасенная в фильтре, ограничена, то ток при разряде уменьшается, вызывая при этом уменьшение выходного напряжения. Когда величина выходного напряжения достигает заданного нижнего предела Uн (Рис в) ), схема управления вырабатывает отпирающий сигнал и регулирующий транзистор Т открывается вновь, пропуская ток Iк от источника питания в нагрузку. Выходное напряжение при этом повышается, сохраняя заданный средний уровень.
При изменении величины напряжения на входе стабилизатора или изменении сопротивления нагрузки в зависимости от вида схемы управления изменяется частота переключений регулирующего транзистора или его скважность так, что его выходное напряжение остается неизменным с заданной степенью точности.



При включении входного напряжения питания открываются транзисторы Т2 и Т3 и конденсатор С1 заряжается базовым током транзистора Т2. Регулирующий транзистор Т1 при этом закрыт. Повышение напряжения на конденсаторе С1 при его заряде приводит к запиранию транзисторов Т2 и Т3 и открыванию регулирующего транзистора Т1. Поскольку положительный потенциал от конденсатора С1 подается на базу транзистора Т2, то база и следовательно Т1 остается закрытой до тех пор, пока С1 не разрядится. Далее цикл переключений повторяется. При увеличении входного напряжения время заряда конденсатора С1 уменьшается и частота переключений возрастает, а при уменьшении входного напряжения - уменьшается.
В ключевых стабилизаторах с последовательным включением регулирующего транзистора выходное напряжение всегда ниже минимальной величины входного напряжения. Если же регулирующий транзистор включить параллельно нагрузке, то выходное напряжение стабилизатора становится выше максимального значения входного напряжения. В этом случае ключевой параллельный стабилизатор работает аналогично схеме с вольто-добавочным устройством.
Недостатки: повышенное значение пульсации выходного напряжения и большое динамическое внутреннее сопротивление. Это определяет область применения ключевых стабилизаторов. Они применяются в устройствах с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуется малый вес и габариты, но допускаются значительные пульсации выходного напряжения.

Преобразователи постоянного напряжения

Часто необходимо преобразовать постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой. Эта необходимость возникает в том случае, когда в качестве источников питания служат аккумуляторы, сухие и солнечные батареи, т.е. источники, чаше всего используемые для питания переносной и передвижной радиоаппаратуры. Устройства, позволяющие изменять постоянное напряжение по величине, получили название преобразователей постоянного напряжения. Наиболее широкое применение получили транзисторные преобразователи на небольшую мощность с малыми габаритами и массой, высокими КПД и эксплуатационной надежностью.



Основным элементом схемы любого транзисторного преобразователя является автогенератор, который, получая энергию от источника постоянного напряжения, вырабатывает переменное напряжение, и с помощью трансформатора получается требуемое его значение. Далее переменное напряжение выпрямляется и после фильтрации поступает в нагрузку в виде постоянного напряжения необходимого значения.
Широко применяются транзисторные схемы двухтактных преобразователей постоянного напряжения.



Схема содержит автогенератор, собранный на двух транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, и трансформатор с коллекторной Wк, базовой Wб и выходной Wн обмотками. Трансформатор Тр имеет отвод от середины коллекторной обмотки для подключения отрицательного полюса источника питания. К источнику Е подключен делитель напряжения R1, R2, создающий отрицательное смещение порядка 0,5 - 1 В на базах транзисторов для запуска преобразователя.
В результате разброса параметров Т1 и Т2 коллекторные токи в момент подключения источника питания оказываются различными, и в сердечнике Тр возникает результирующий магнитный поток, определяемый разностным током транзисторов.
При правильном подключении базовых обмоток, обеспечивающем положительную обратную связь в схеме, направление этого потока такова, что наводимая ЭДС на обмотках Тр способствует отпиранию транзистора с большим током и запирания транзистора с меньшим током. Этот процесс развивается лавинообразно и завершается насыщением одного транзистора (например Т1) и запиранием другого (Т2). Т1 будет открыт до тех пор, пока в обмотке наводится ЭДС, т.е. пока изменяется магнитный поток. Это изменение осуществляет до тех пор, пока изменяется коллекторный ток Т1 до тока насыщения или пока магнитный поток в сердечнике не достигнет насыщения.
Когда коллекторный ток Т1 или магнитный поток в сердечнике достигнет насыщения, скорость изменения магнитного потока станет равной нулю, что приводит к уменьшению тока Т1, а это в свою очередь приводит к появлению в обмотках ЭДС, противоположной по знаку предыдущему состоянию. Следствием этого будет отпирание Т2 и запирание Т1. В дальнейшем эти процессы повторяются аналогично вышеуказанному.
Таким образом, Т1 и Т2 работают в ключевом режиме, а изменяющийся магнитный поток в сердечнике Тр индуктирует во вторичной обмотке переменную ЭДС, форма которой близка к прямоугольной. Далее после выпрямления и фильтрации на нагрузке создается выходное постоянное напряжение требуемого значения.