Узлы схем электропитания (выпрямители, стабилизаторы и прочее)

   Использование сетевых источников переменного тока (220В 50Гц) в бытовых устройствах — потребителях электри­ческой энергии — требует преобразования в необходимый по­требителю постоянный или переменный ток с определенными свойствами (напряжение, ток, стабильность и т.д.). Для преоб­разования сетевого напряжения используется ряд устройств, которые в отдельных применениях не являются обязательными: это может быть стабилизатор переменного напряжения, транс­форматор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор постоянного напряжения или тока.

   Для наиболее наглядного примера работы этих узлов в отдельности и в целом, рассмотрим отдельные примеры и схемы, которые в своем справочнике «Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы» опубликовал Шустов. М.А.

1.Полупроводниковый диод как выпрямитель.

   Для выпрямления переменного электрического тока чаще всего используют полупроводниковые диоды. Эти приборы обла­дают свойством вентиля: они способны практически без потерь пропускать электрический ток в одном направлении и совершен­но не проводить его в другом. Для того чтобы можно было графически представить свойства двухполюсника, например, полупроводникового диода, используют вольт-амперную характеристику (ВАХ). ВАХ уста­навливает связь между приложенным к исследуемому прибору напряжением и током через него. В идеале вольт-амперная характеристика полупроводнико­вого диода должна была бы выглядеть следующим образом (рис. 1.1).

VD_VAH1

   Для «прямого» направления тока идеальный полупроводни¬ковый диод должен был бы представлять короткое замыкание, для «обратного» — разрыв цепи. Промежуточное положение между идеальной и реальной вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода за¬нимает идеализированная ВАХ (показана на рис. 1.2).

VD_VAH_ideal

   В соответствии с этим рисунком для «прямого» направ­ления тока полупроводниковый диод представляет собой не­большое сопротивление Рпр, величина которого не зависит от величины приложенного напряжения.

   Для «обратного» направления тока полупроводниковый диод представляет собой большое по величине постоянное со­противление Rобр, которое также не зависит от напряжения.

   Обычно для полупроводниковых диодов, изготовленных из различных материалов, отношение этих сопротивлений (Rобр./Rпр.) находится в пределах 103… 105.

    ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в об­ратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспо­ненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдает­ся лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) за­висимость тока от напряжения практически линейна. На рис. 1.3 показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.

VD_VAH_all

    Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необ­ходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупровод­никовых приборов испытанных по стандартизованной методике измерений, в пределах использования которой эти данные доста­точно воспроизводимы.

    К наиболее важным параметрам, характеризующим из­бранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:
Прямой ток (Iпр) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.
Прямое падение напряжения (Uпр) — напряжение на диоде при прохождении прямого тока Iпр.
Обратный ток (Ioбр) — ток через диод при определенном об­ратном напряжении.
Максимальное обратное напряжения (Uо6р) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.

   Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно при­водят для области низких частот, а именно, 50 Гц. При повышен­ных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблю­дать, например, на характериографе. Более того, емкости перехо­дов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, а также существенно разнятся при прямом и обрат­ном включении. На практике с ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивно-емкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схе­мы необходимо учитывать его частотные характеристики.

   Как следует из рис. 1.3, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. В ча­стности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы, что позволяет применять селеновые выпрямите­ли при параллельном или последовательном их включении без ис­пользования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).

   Меднозакисные выпрямители в настоящее время практиче­ски не используют, однако их и сейчас можно встретить в некото­рых измерительных приборах.

   Наиболее широкое распространение в последнее время полу­чили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводни­ковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100…130°С. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800… 1200 В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, см., например, рис. 1.3, но работают до температур не выше 70°С

   Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут вы­полнять и другие полупроводниковые приборы, например на осно­ве арсенида галлия GаАs или антимонида индия InSb, но эта группа ориентирована на работу в области СВЧ.

   Статическую ВАХ полупроводникового диода (ВАХ при по­стоянном токе) в области прямых токов можно измерить по точ­кам в схеме, показанной на рис. 1.4. Величина резистора R2, ограничивающего ток через испытуемый диод, выбирается исхо­дя из значения максимального прямого тока.

VAH_VD_prim
Рис.1.4. Схема для измерения по точкам ветви ВАХ полупроводникового диода.

   Отметим, что результат измерений ВАХ на постоянном токе чаще всего может оказаться неточным: при больших токах будет происходить разогрев полупроводникового перехода, а с ростом температуры экспоненциально возрастает и ток. Поэтому факти­ческие данные измеренной ВАХ будут соответствовать более вы­сокой температуре. Поскольку изменение температуры перехода происходит постепенно и зависит от массы и теплофизических характеристик материалов диода, результат будет зависеть от продолжительности измерения, а также от того, при увеличении или понижении тока (напряжения) происходят измерения.

   Для исследования обратной ветви ВАХ по ее отдельным точкам можно воспользоваться схемой на рис. 1.5. Величина по­даваемого на полупроводниковый диод напряжения ограничена максимальным значением обратного напряжения для исследуе­мого прибора. Предельную величину обратного тока через диод ограничивает резистор R2.

VAH_VD-obr
Рис.1.5. Схема для измерения по точкам обратной ветви ВАХ полупроводникового диода.

   При исследовании обратной ветви ВАХ на постоянном токе разогрев перехода в процессе эксперимента также сказывается на результате измерений.

   Динамическую ВАХ диода или иного вентильного элемента на частоте 50 Гц можно получить при помощи простейшего характериографа, схема которого изображена на рис. 1.6.

    Перед началом измерений (до подключения испытуемого диода) контролируют работу устройства: при коротком замыка­нии клемм на экране осциллографа должна наблюдаться верти­кальная линия, при размыкании — горизонтальная. При нажатой кнопке БВ1 на экране должна наблюдаться наклонная линия (в зависимости от выбранной чувствительности осциллографа по осям).

рис1.6.

    Примеры наблюдаемых на экране ВАХ полупроводниковых диодов, включенных в прямом и обратном направлении, а также низковольтного стабилитрона, также приведены на рис. 1.6. При раз­ной чувствительности осциллографа по вертикали и горизонтали можно получить плавные кривые, соответствующие области малых напряжений на полупроводниковом диоде.

   Другой вариант схемы характериографа показан на рис. 1.7. На вход X осциллографа подается напряжение переменного тока (координата напряжения). По оси ОУ отображается величина, про­порциональная току через исследуемый диод VDх.

рис1.7.

   Для изучения частотных свойств полупроводниковых при­боров питать схему синусоидальным напряжением можно не че­рез трансформатор, как это показано на рис. 1.6 или 1.7, а от низкочастотного генератора, обеспечивающего достаточное вы­ходное напряжение. Более сложные устройства для исследова­ния динамических ВАХ полупроводниковых диодов содержат схемные узлы для масштабирования обратной ветви ВАХ.

   Поскольку ВАХ полупроводниковых диодов даже одного типа заметно отличаются друг от друга, для того, чтобы объеди­нить свойства нескольких диодов, например, соединить их так, чтобы увеличить максимальный прямой ток либо повысить макси­мальное обратное напряжение, используют специальные приемы (см. таблицу 1.1).

   Для увеличения рабочего тока совершенно неверно будет просто объединить группу диодов параллельно. Непременно окажется, что по одному из диодов потечет больший ток в силу различий ВАХ. Это вызовет разогрев его перехода, что, в свою очередь, сделает ВАХ диода еще более крутой, ток через диод возрастет еще больше. В итоге полупроводниковый переход разрушится, после чего процесс выхода из строя последова­тельно повторится на остальных диодах. Чтобы избежать этого, при параллельном включении диодов последовательно с каж­дым диодом включают сопротивление (для выравнивания токов через них) — в зависимости от тока от долей до десятков Ом.

сумма    Аналогичная ситуация складывается и при последователь­ном соединении полупроводниковых диодов (для увеличения об­ратного напряжения). К диодам последовательной цепочки будет приложена разная часть общего напряжения (из-за различий ВАХ). В итоге по крайней мере одно самое слабое звено этой цепочки будет повреждено, а схема перестанет работать. Для выравнивания падений напряжения на цепочке из диодов парал­лельно им включают резисторы равного сопротивления (обычно от 100 до 1000 кОм). Чем ниже величина сопротивления, тем равномернее будет распределение напряжений, однако, как и в предыдущем случае, включение дополнительных резисторов в определенной мере ухудшает выпрямительные свойства сборки диодов.

   В области повышенных частот на распределение напряже­ний в цепочке полупроводниковых приборов начинают влиять так­же и емкостные свойства диодов. В этой связи для выравнивания резистивно-емкостных характеристик цепочки диодов используют резистивно-емкостные цепи, подключаемые параллельно диодам (рис. 1.8 и 1.9).

рис18-19

   Для современной радиоэлектроники характерны низкие на­пряжения электропитания. Высокие потери в диодах выпрямителя даже при напряжениях в единицы вольт обуславливают заметное снижение коэффициента полезного действия вторичных источни­ков питания.

   Потери в низковольтных выпрямителях могут быть уменьше­ны за счет замены традиционных диодов диодами с барьером Шотки, имеющими уменьшенное прямое падение напряжения (0,1…0,4 В) и время восстановления менее 200 нc. Последнее позво­ляет эффективно использовать их в низковольтных выпрямителях на сравнительно высоких частотах. Основным недостатком диодов с барьером Шотки следует считать их большой обратный ток.

2.Трансформаторные источники питания.

   Общая структурная схема трансформаторного блока питания может быть представлена в виде набора отдельных узлов в определенной последовательности или комбинациями этих последовательностей. Некоторые структурные схемы, часто применяемых трансформаторных блоков питания представлены ниже на рисунке 2.1.

бп - структура1рис.2.1.а Классическая схема трансформаторного блока питания.

power

рис.2.1.б Схема трансформаторного блока питания, с блокировкой помех из осветительной сети.
bp2рис.2.1.в Схема трансформаторного блока питания, с блокировкой помех из осветительной сети и многоканальным выходом.

Наиболее эффективно информация воспри­нимается визуально. Для на­глядного сравнения выпрямителей различного типа и их работы в разных режимах в приводимой ниже таблице 2.1 показаны осцил­лограммы выходных сигналов, измеренных на сопротивлении нагрузки.

  Для моделирования электрических процессов выпрямле­ния использовалась программа схемотехнического моделирова­ния Electronics Workbench 5.12. Следует отметить, что результаты любых моделирующих программ не могут в полной мере учесть всех реальных свойств элементов устройства и являются в этой связи приближенными.

   Во всех схемах выпрямителей (табл. 2.1) выходное напря­жение трансформатора 10В. В качестве варьируемых элемен­тов были сопротивление нагрузки и емкость конденсатора фильтра. Как следует из результатов сравнения, идентичные осциллограммы получаются при равных произведениях сопро­тивления нагрузки на величину емкости конденсатора фильтра.

   Следовательно, для того чтобы максимально снизить уровень пульсаций напряжения на нагрузке, следует максимально, на­сколько позволяют габариты устройства и финансовые возмож­ности, наращивать емкости конденсаторов фильтра. Однако особенно увлекаться этим не стоит: в момент включения неза­ряженные конденсаторы фильтра представляют собой для вто­ричной обмотки трансформатора и диодов короткое замыкание; в результате может произойти повреждение диодов выпрямите­ля, обмотки трансформатора либо предохранителя. Обычно для ограничения зарядного тока конденсаторов фильтра при вклю­чении устройства используют токоограничивающие элементы (резисторы, позисторы), которые затем отключаются (вручную или автоматически).

    Конденсаторы фильтра большой емкости на выходе выпря­мителя (рис. 2.1, 2.2) можно разделить на две группы. Одна из них подключается непосредственно к выходу выпрямителя, а вторая, большей емкости, соединяется через современные полупровод­никовые элементы защиты с самовосстановлением (самовосста­навливающиеся предохранители для защиты электронных узлов от перегрузки по току и перегрева — MultiFuse, PolySwith). В ре­зультате импульса тока эти предохранители временно отсоединя­ют группу конденсаторов большой емкости и подключают ее через некоторое время.

zashita1-3

   Другой вариант защиты выпрямителя от перегрузок при включении (рис. 2.3) заключается в том, что между диодами вы­прямителя и конденсаторами фильтра добавлен токоограничивающий резистор R2, параллельно которому устанавливают полупроводниковый самовосстанавливающийся предохранитель R1, рассчитанный на максимальный ток через диоды выпрями­теля. При импульсе зарядного тока сопротивление этого предо­хранителя возрастает на несколько порядков, и осуществляется постепенный заряд конденсаторов через токоограничивающии резистор R2. Затем сопротивление предохранителя R1 снижает­ся до долей-единиц Ом (обычно 0,8… 12 Ом).

   Одновременно самовосстанавливающиеся предохранители R1 (рис. 2.2 и 2.3) защищают элементы выпрямителя от перегруз­ки по току в случае аварии в цепи потребителя (короткое замыка­ние, импульс тока). Защита диодов выпрямителя при включении может быть вы­полнена и с применением иной элементной базы. Но это будет рассматривается в конструкциях.

Таблица 2.1. Сопоставление характеристик различных типов выпрямителей при варьировании сопротивления нагрузки и емкости конденсатора фильтра

tab21-1    Для однополупериодного выпрямителя.Как видно из графиков – применение однополупериодного выпрямителя используется там, где уровень пульсаций напряжения не особенно важен – цепи питания электродвигателей, реле и тп.


 tab21-2    В середине прошлого века, когда начался массовый выпуск электропроигрывателей, радиол и первых катушечных магнитофонов, именно по такой схеме собирались первые двухполупериодные выпрямители. Это объяснялось тем, что намотать двойную обмотку на трансформаторе было дешевле и проще, чем поставить в схему целых 4-ре! полупроводниковых диодов. Такая ситуация существовала вплоть до середины 1975года, когда промышленность СССР освоила большие объемы и разновидности полупроводниковых диодов. Среднее значение выпрямленно­го тока и напряжения в нем в два раза выше, чем в простейшем выпрямителе. В трансформаторе этого устройства нет вынужден­ного намагничивания, поскольку в его вторичных полуобмотках постоянные составляющие тока протекают в различных (взаимо-компенсирующих) направлениях.


tab21-3

    Еще большие перспективы открываются при использовании мостовых выпрямителей (схема Герца). Вынужденного намагни­чивания сердечника трансформатора нет, ток в первичной обмот­ке трансформатора синусоидален. Заметным недостатком такого способа выпрямления является удвоение потерь на диодах в «прямом» направлении. Особенно это заметно при малых выход­ных напряжениях. Диодный выпрямитель по схеме Герца появился в конце 70-х, к тому времени даже внутри ламповых телевизоров в блоках питания кенотроны (ламповые диоды) были заменены первыми силовыми диодами Д7А-Г, затем Д226 и позже еще более мощными.


tab21-4    В схеме выпрямитель с уд­воением выходного напряжения (схема Латура) – графики четко диктуют размерности значений емкости и сопротивления нагрузки для нормальной работы. Работа удвоителя, утроителя и умножителя напряжения будет рассматриваться отдельно.

   Для получения на выходе не одного, а сразу двух напряже­ний может быть использована одна из схем выпрямителей, пока­занных на рис. 2.5 или 2.6. В первом варианте на выходе получаются два напряжения одной полярности, отличающихся по величине в 2 раза. Верхняя половина схемы представляет собой с первого взгляда обычный мостовой выпрямитель. Однако сред­ний вывод вторичной обмотки этого устройства не заземлен, на­пряжение на нем равно половине напряжения, снимаемого с выхода мостового выпрямителя. Это напряжение формируется в результате работы второго выпрямителя, образованного двумя левыми по схеме диодами мостовой схемы, и полуобмотками трансформатора Т1. Интересно, что при изменении тока нагрузки соотношение выходных напряжений двухканального источника питания (рис. 2.5) остается неизменным и равным 1:2.

r2-5

    Во втором случае (рис. 2.6) на выходе выпрямителя полу­чаются два одинаковых напряжения, но имеющие разные по­лярности.

r2-6

3.Фильтры в источниках питания.

    Как следует из анализа диаграмм, характеризующих рабо­ту выпрямителей различного типа, во многих случаях на их выхо­де получается вовсе не напряжение постоянного тока, а некая последовательность импульсов, непригодная для питания боль­шинства радиоэлектронных устройств. Для того чтобы макси­мально ослабить переменную составляющую и снизить уровень пульсаций на выходе выпрямителя, используются сглаживающие фильтры. Примеры схем таких фильтров и сравнительные харак­теристики при разных значениях сопротивления нагрузки и других элементов приведены ниже в таблице.

 Индуктивный фильтр  Фильтр — пробка
indF pasprb

   Помимо обычных RC и LС-фильтров для сглаживания пуль­саций используют также индуктивный фильтр; резо­нансные фильтры — фильтр-пробку (см. табл. выше), препятствующий проникновению токов резонансной частоты на выход фильтра; режекторный фильтр (см. таблицу ниже), подключаемый параллельно со­противлению нагрузки и ослабляющий пульсации на резонансной частоте. Фильтры-пробки обычно используют при высокоомной на­грузке, режекторные — при низкоомной.

    Далее в таблице показаны две схемы LС-фильтров с дополни­тельной компенсирующей обмоткой. В схеме первого из них компенсирующая обмотка L2 включена встречно-последователь­но с основной обмоткой L1. Создаваемый ею в магнитопроводе магнитный поток от переменной составляющей тока частично компенсирует переменную составляющую магнитного потока ос­новной обмотки.

    Фильтр с параллельным включением обмотки выгодно отличается от предыдущего тем, что через компенсирующую обмотку L1 не протекает постоянная составляющая тока.

Режекторный фильтр LC фильтр с доп. компесационной обмоткой LC фильтр с параллельным включением доп. обмотки
rezhektor lc_comp lc_comp2

    Многозвенные RС и LС-фильтры показаны на схемах в таблице ниже. Предполагается, что элементы, входящие в со­став фильтров, имеют одинаковые параметры. Но в некоторых случаях это условие может не выполняться. При равенстве па­раметров элементов, а также равенстве значений входных и выходных сопротивлений, подключенных к фильтрам, эти схемы полностью обратимы, т.е. для их работы не име­ет значения, на вход или выход подан сигнал.

Многозвенный RC фильтр Многозвенный LC фильтр
many_RC many_LC

Сравнительные характеристики фильтров выпрямителей при варьировании сопротивления нагрузки и емкостей фильтров

pass_1


pass-2


pass-3


pass-4


   Как уже отмечалось ранее, RC и LC-фильтры обычно ис­пользуют для снижения пульсаций в слаботочных цепях. Для ра­боты при повышенных токах чаще применяют сглаживающие фильтры на транзисторах или стабилизаторы напряжения.

pass_tr

Транзистор как фильтр напряжения.

    Использование транзистора для сглаживания выходного на­пряжения показано выше на схеме. Ос­новным элементом, определяющим эффективность фильтрации является конденсатор С1: чем больше его емкость, тем меньше амплитуда пульсаций на выходе устройства. В идеале этот кон­денсатор должен представлять собой короткое замыкание для пе­ременного тока, например, для токов промышленной частоты (50 Гц). На практике же более эффективно применение стабили­трона. При этом одновременно с фильтрацией осуществляется стабилизация выходного напряжения. Замена конденсатора С1 на стабилитрон придает фильтру функцию стабилизатора напря­жения. Таким образом, можно считать, что сглажива­ющий фильтр на транзисторе фактически является стабилизатором напряжения с запоминающим конденсатором. Преимуществом такого фильтра является то, что его можно использовать в источ­никах питания с регулируемым в широких пределах напряжени­ем. Часто такие фильтры используют для питания ламповых схем, работающих при повышенных напряжениях.

pass-5    При работе выпрямителей и других устройств, работающих от сети, актуальным является также вопрос об использовании фильтров во входных цепях устройств с сетевым питанием. Обу­словлено это не только тем, что помехи, проникающие из сети питания в результате коммутационных процессов (искрения, ра­боты электросварочного и другого оборудования, газоразрядных источников света, радиопередающих устройств, компьютеров и т.д.), вызывают сбои в работе потребителей энергии или искажа­ют результаты этой работы. Дополнительно входные фильтры ре­шают и другую задачу — снижают уровень помех, генерируемых потребителем электроэнергии. Таким устройством может быть, например, бытовой пылесос, искрение щеток которого вызывает интенсивные помехи в широком диапазоне, компьютер и другие устройства.

pass_net2

Схема фильтра для защиты от ВЧ помех.

    Для защиты от высокочастотных помех между потребите­лем энергии и сетью включают специальные электрические фильтры. Один из вариантов реализации такого фильтра пока­зан на рис. выше. Схема фильтра, в силу ее симметрии, обладает свойством обратимости: фильтр является преградой распростра­нению высокочастотных помех по сетевым проводам. Подобный фильтр может быть использован как на входе БП перед трансформатором, так и в цепях постоянного тока (как это показано на рисунке). Особенно полезным такой фильтр ока­зывается для «очистки» выходного напряжения импульсных пре­образователей напряжения и тиристорных регуляторов мощности.


   4.Стабилитрон и стабилизатор напряжения.

   Из представленного ранее, видно что существует еще один узел — пока не рассмотренный в схемах — стабилизатор (напряжения или тока) — зависит от целевого назначения схемы. В первую очередь рассматривается стабилизатор по напряжению. Этот узел применяется в тех случаях когда надо выдерживать стабильное напряжение при изменениях сопротивления нагрузки — в таких случаях ток протекающий через стабилизатор меняется в соответствии с законом Ома — если сопротивление Rн >> 0В, то ток БП соотвественно Iвых>>∞, пытаясь сохранить постоянным значение действующего напряжения. Это крайний случай — перегрузки или короткого замыкания (КЗ). Для этих случаев в трансформаторных блоках питания предусмотривается защита по перегрузке и КЗ. Она может выполняться на плавких предохранителях, расчитанных на определенный ток протекания, превышение которого приводит к перегоранию предохранителя с последующим отключением БП от нагрузки. Защита может выполняться на устройствах автоматики — датчик тока (напряжения) + реле, или на транзисторных ключах — ограничителях. В данном случае рассматривается не защита БП, а стабилизатор напряжения, самая простая схема которого может быть выполнена на полупроводниковом стабилитроне. Это разновидность полупроводникового диода, но в этом исполнении используется отрезок характеристики при обратном напряжении. Стабилитроны (диоды Зенера, Z-диоды) предназначены для стабилизации напряжения, режимов работы различных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Принцип работы стабилитрона основан на явлении зенеровского пробоя п-р перехода. Этот вид электрического пробоя происходит в обратносмещенных полупроводниковых переходах при увеличении напряжения выше некоторой критической отметки. Помимо зенеровского пробоя известен и используется для стабилизации напряжения лавинный пробой. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою.

   Прямые ветви ВАХ различных стабилитронов практически совпадают, а обратная ветвь имеет индивидуальные особенности для каждого типа стабилитронов. Эти параметры: напряжение стабилизации Uстаб; минимальный Iстаб.min и максимальный Iстаб.max ток стабилизации; угол наклона ВАХ, характеризующий величину динамического сопротивления стабилитрона (его «качество»); максимальная мощность рассеяния Pp; температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) — используют для расчетов схем.
Типовая схема включения стабилитрона показана на схеме. Значение гасящего сопротивления R1 (в кОм) вычисляют по формуле:

zenn1formula1

    Для стабилизации напряжения переменного тока, либо симметричного ограничения его амплитуды на уровне Uст используют симметричные стабилитроны, например типа КС175. Такие стабилитроны можно использовать для стабилизации напряжения постоянного тока, включая их без соблюдения полярности. Получить «симметричный» стабилитрон можно из двух «несимметричных», включив их встречно по схеме, приведенной ниже.

zenn_sim

    Выпускаемые промышленно полупроводниковые стабилитроны позволяют стабилизировать напряжение в широких пределах: от 3,3 до 180 В. Так, существуют стабилитроны, позволяющие стабилизировать низкие напряжения: 3,3; 3,9; 4,7; 5,6 В — это КС133, КС139, КС147, КС156 и т.д. При необходимости получить нестандартное напряжение стабилизации, например, 6,6 Б, можно включить последовательно два стабилитрона КС133. Для трех таких стабилитронов напряжение стабилизации составит 9,9 В. Для напряжения стабилизации 8,0 В можно использовать сочетание стабилитронов КС133 и КС147 (т.е. 3,3+4,7 В) либо стабилитрон КС175 и кремниевый диод (КД503) — в прямом направлении (т.е. 7,5+0,5 8).

     В ситуациях, когда требуется получить стабильное напряжение величиной менее 2…3 В, используют стабисторы — полупроводниковые диоды, работающие на прямой ветви ВАХ.


    Получение стабильного напряжения с помощью только стабилитрона не сможет дать большой ток в нагрузку. Необходимо решать задачу умощнения схемы. В разделе РАДИОДЕТАЛИ, в части описания полупроводниковых транзисторов, уже упоминалась схема с общим коллектором для биполярного транзистора. Достоинство схемы заключается в том, что хоть выходное напряжение на нагрузке меньше Uвх. на значение Uбэ (для биполярных транзисторов составляет 0,5-0,7В), зато эта схема способна поддерживать большую мощность на выходе за счет тока эмиттера. Эмиттерный повторитель, как было отмечено, схема — согласующая низкоомную нагрузку с высокоомной — то есть выпрямитель БП с фильтрующими конденсаторами и цепью стабилизации на стабилитроне с низкоомной нагрузкой блока питания Rн. Таким образом можно строить базовую принципиальную схему трансформаторного блока питания с стабилизатором напряжения. Схема приводится ниже.

power_shem1

   Разбор схемы ведется от входного напряжения (слева) до выхода на . Любой блок питания (трансформаторный или импульсный), несмотря на защиты и блокировки, всегда должен включать в себя выключатель питания S1 (желательно расположенный на фазе осветительной сети / для стационарных систем) и разрушаемую блокировку (защиту) по первичной цепи — в данном случае плавкому предохранителю FS1. Существует альтернатива, которая была весьма модной в радиолюбительских кругах в 1975-1990гг. => бестрансформаторные источники питания от сети. Вы можете наткнуться на нечто подобное, если перелистаете старые журналы «Радио». В связи с этим следует сказать только одно: Никогда не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора! Это опасно для жизни — ваша схема будет всегда находиться под высоким напряжением относительно заземленных элементов и конструкций, т.е. водопроводных труб, батарей отопления и т.п. Если схема предназначена для управления мощной сетевой нагрузкой, то это управление следует обязательно осуществлять через гальванические развязывающие элементы — реле, электронные реле, трансформаторы и т.п. Следующий узел блока питания — силовой трансформатор TR1. Силовой трансформатор — электротехническое устройство с двумя или более обмотками, который посредством электромагнитной индукции преобразует одну величину переменного напряжения и тока в другую величину переменного напряжения и тока, той же частоты без изменения её передаваемой мощности. Трансформаторы различают на понижающие, повышающие и комбинированные. Силовой трансформатор — также трансформатор, входящий в состав вторичных источников электропитания различных устройств и аппаратуры, обеспечивающий их питание от бытовой электросети. К основным параметрам трансформатора относятся: рабочее напряжение на первичной обмотке — Uвх. (в случае работы с осветительной сетью это 220В), номинальная мощность трансформатора — Рном., рабочая частота тока — Fраб. (в случае работы с осветительной сетью это 50Гц), количество вторичных обмоток — N, Uвых.1. — Uвых.n. —  выходные напряжения вторичных обмоток. Рном = 1,1(Uвых.1*Iвых.1 + Uвых.2*Iвых.2 + … +Uвых.n*Iвых.n)

  По исполнению, трансформаторы делятся на Ш-образном и торроидальном сердечнике, последние имеют приемущество — можно самостоятельно домотать обмотку или намотать дополнительную.

Картинки по запросу трансформатор тппКартинки по запросу трансформатор тороидальный

    Работа двуполупериодного выпрямителя рассматривалась в начале этого раздела и вряд ли нуждается в повторении. Стоит только добавить, что при токах до 1А в выпрямительном мосту можно применять диоды 1N4004 — 1N4007, при расчетном токе потребления до 10А, рекомендуется применять диоды A10A. Кроме того, существуют диодные сборки в монокорпусе — типа KBPC2510 — 25A 1000В. Здесь представлены некоторые ссылки на файлы-даташиты (справочные листы от производителя) со всеми необходимыми параметрами.

   Конденсатор С1 — фильтрующий конденсатор выпрямителя. В различных справочниках приводятся разные формулы расчета (и в составе дифференциальной цепи, и в процентах емкости на каждые 0,5А тока нагрузки). В действительности емкость данного конденсатора находится в пределах от 2200мкФ до 10000мкФ. В блоках питания цифровых схем емкость С1 2200мкФ — 4700мкФ, а для схем звуковоспризведения желательно 6800мкФ и более.

   Далее схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне VD5, работу которого разъясняет раздел №4. Резистор R1 — выполняет функцию ограничения по току (формула расчета см. выше). Значение токов и напряжений стабилизации зависит от целевого назначения блока питания. Схема имеет еще ряд узлов и элементов. Дополним описание функциями этих элементов. Конденсатор С2, установленный в точке подключения стабилитрона VD5 и нагрузки — R2 служит для подавления остаточных пульсаций, «просачивающихся» по цепям выпрямителя в стабилизатор. Его значение емкости составляет 25 — 50% емкости С1. Резистор R2 выбирается в таком диапазоне, чтобы выполнялось условие R2 > (2*R1). Резистор R2 включен по схеме потенциометра — то есть резистивного делителя. Функционально потенциометр представлен на схеме ниже — в виде Rд1 и Rд2, а расчет делителя представлен ниже.

резисторный делитель

   В данном случае применен переменный резистор для регулировки напряжения от 1В до Uст. стабилитрона. Существует одно условие для которого вся эта схема будет работать — нагрузка, подключаемая параллельно Rд2 — должна много раз быть больше по величине. Таковым и является транзисторный каскад с общим коллектором VT2 — умощнитель выходного тока, имеющий высокое входное сопротивление и малое выходное — для подключения Rн. Для увеличения коэффициента передачи по току (усиление по току) применена схема составного транзистора с использованием VT1. Коллекторы транзисторов объеденены на +Uпитания. Эмиттер первого соединен с базой второго — «суммируя» усиление по току обоих транзисторов, а эмиттер выходного подключен к . Остается сказать про пару элементов — С3 и возможно необходимом резисторе на выходе Rвых, включенном параллельно . Конденсатор С3 фильтрует броски по цепям нагрузки и возможные провалы при резких скачках питающего напряжения, а Rвых имеет сопротивление 5-10кОм и разряжает С3 в случае отключении нагрузки.


   Для действительной схемы маломощного блока питания — до 30Вт с выходным напряжением 1 — 9В и током до 1А, номинальные значения для элементов вышеуказанной схемы приведены в таблице. Так же во второй графе таблицы, кроме параметров и характеристик даны прямые ссылки на информационные справочные листы по этим радиокомпонентам или ссылки на магазин «Микротех» в Черкассах где можно эти радиокомпоненты приобрести. В графе наименование и примечание, указаны кроме нименований радиодеталей, код товара по базе магазина «Микротех». Для приобретения радиодеталей достаточно списка с кодами и количество деталей.

Позиция Характеристика элемента Наименование или примечание
S1 Тумблер MTS-202 ON-ON,DPDT 6pin 3A 250VAC  Выключатель / 06529
FS1 Предохранитель стеклянный 1A 250V  Плавкая вставка / 14077
TR1 Трансформатор ТПН 15/15  Трансформатор 220/12-1А / 04257
VD1-VD4  1N4007  Выпрямительный диод 1А / 06483
VD5  BZX55C9V1 (9V1 0,5W)  Стабилитрон 9,1В / 06757
R1  300 Ом  Резистор С2-33-0,5 Вт /09929
R2  10 кОм  Переменный резистор / 15174
С1  2200мкФ х 50В  Конденсатор электролитический /10567
С2  470мкФ х 50В  Конденсатор электролитический / 03377
С3  1000мкФ х 50Ф  Конденсатор электролитический / 20400
VT1  BC547C  Транзистор малосигнальный / 01040
VT2  BD139  Транзистор быстрый ключ / 01098

   Следует также помнить, что ряд зарубежных компаний выполняет ряд интегральных стабилизаторов на фиксированное напряжение. Все эти стабилизаторы выполнены в корпусе ТО-220 с тремя выводами — вход, выход и общий. Установленные на теплорассеивающие металлорадиаторы, такие стабилизаторы могут некоторое время выдерживать токи нагрузки до 2,5А, при том что номинальный ток составляет 1 А. Когда же требуется создать маломощный ВИП (Вторичный Источник Питания) для небольшого узла, существует исполнение таких же интегральных стабилизаторов с максимальным током нагрузки до 100мА. Выполнены такие стабилизаторы в пластиковом корпусе ТО-92.

Картинки по запросу то220


Картинки по запросу то92

Маркируются эти микросхемы для плюсового стабилизатора 78 (минус — 79) далее идет номинал напряжения стабилизации — от 3,3 до 36В. Таким образом, код 7915 — стабилизатор отрицательного напряжения на 15В стабилизации. Слаботочные микросхемы (до 100мА) имеют в соем составе букву L (Low) — 78L05, 79L12 и тд. Более точные данные необходимо смотреть в даташите (справочном листе от производителя), потому что каждый производитель может немного изменять параметры и маркировку!!!! Один из таких справочных листов на эти стабилизаторы находится  ЗДЕСЬ. Включается такой интегральный стабилизатор по очень простой схеме:

Картинки по запросу схема включения 7805


Не лишним будет отметить еще один вид стабилизатора — параллельный (в данной схеме по напряжению). Выполнен он на интегральной микросхеме TL431A, B. Схема имеет три вывода — анод и катод, как у стабилитрона,и вывод управления как у тиристора. На схеме обозначается значком стабилитрона с дополнительным выводом.

Картинки по запросу схема включения TL431

     Внутри микросхема имеет стабильный источник напряжения 2,5В, операционный усилитель и ключевой транзистор. Нижняя граница управления по наряжению определяется ИОН = 2,5В, а верхняя согласно описанию, 36В. Как видно из выше приведенной схемы, стабилизатор подключен к выпрямителю через резистор R4 1кОм. Рабочий режим стабилизатора обеспечивается током от 1 до 100мА. Конденсатор С1 необходим для устарнения наводок и пульсаций из цепи нагрузки в цепь стабилизации. Установка рабочего напряжения осуществляется через резисторный делитель — R2 и R3. Резистор R2 устанавливает нужный потенциал на управляющем входе стабилизатора, а R3 при полном закрытие стабилизатора исключает лишний ток в цепи катод — управляющий вывод. Умощнение стабилизатора выполнено на составном транзисторе Т1-Т2, выключенных по с хеме с общим коллектором. Резистор R1 «закрывает» мощный транзистор Т2 (его значение рассматривалось в разделе Радиодетали — Транзисторы-Ключевой режим работы). Резистор R5 ограничивает ток базы первого транзистора в составном каскаде. Справочный лист (даташит) можно посмотреть ЗДЕСЬ, а внутренняя схема TL431 приведена ниже…

Картинки по запросу схема включения TL431

   Данная микросхема часто называется управляемым стабилитроном. Как известно из выше приведенных сведений — стабилитрон — устройство, работающее на обратной части характеристики полупроводникового диода, в задачу которого входит обеспечивать стабильное напряжение. Возникает естественный вопрос — может ли данная микросхема стабилизировать ток. Поэтому далее в разделе следует заключительная часть — стабилизаторы тока. А на схеме ниже приведены варианты применения TL431 как стабилизатора напряжения и тока и ориентировочные формулы для расчета этого стабилитрона с управлением.

Картинки по запросу схема включения TL431


5. Стабилизаторы тока.

   Вольтамперная характеристика помогает понять работу диодного стабилизатора тока. Режим стабилизации начинается при превышении напряжения на выводах прибора около двух вольт. При напряжениях более 100 вольт происходит пробой. Реальный ток стабилизации может отклоняться от номинального тока на величину до десяти процентов. При изменении напряжения от 2 до 100 вольт ток стабилизации меняется на 5 процентов. Диодные стабилизаторы тока, выпускаемые некоторыми производителями, изменяют ток стабилизации при изменении напряжения до 20 процентов. Чем выше ток стабилизации, тем больше отклонение при увеличении напряжения. Параллельное включение пяти приборов, рассчитанных на ток 2 миллиампера, позволяет получить более высокие параметры, чем у одного на 10 миллиампер. Так как уменьшается минимальное напряжение стабилизации тока, то диапазон напряжения в котором работает стабилизатор увеличивается.

ВАХ диодного стабилизатора токаКартинки по запросу стабилизатор тока на транзисторе

    Основой схемы диодного стабилизатора тока является полевой транзистор с p-n переходом. Напряжение затвор-исток определяет ток стока. При напряжении затвор-исток равному нулю ток через транзистор равен начальному току стока, который течет при напряжении между стоком и истоком более напряжения насыщения. Поэтому для нормальной работы диодного стабилизатора тока напряжение, приложенное к выводам должно быть больше некоторого значения от 1 до 3 вольт.

    Полевой транзистор имеет большой разброс начального тока стока, точно эту величину предсказать нельзя. Дешевые диодные стабилизаторы тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком.

    При смене полярности напряжения диодный стабилизатор тока превращается в обычный диод. Это свойство обусловлено тем, что p-n переход полевого транзистора оказывается смещенным в прямом направлении и ток течет по цепи затвор-сток. Максимальный обратный ток некоторых диодных стабилизаторов тока может достигать 100 миллиампер.

Источник тока 0.5А и более

    Для стабилизации токов силой 0,5-10 ампер и более применима схема, главный элемент которой мощный транзистор. Диодный стабилизатор тока стабилизирует напряжение на резисторе 200 Ом и на базе транзистора мощного транзистора (выбирается по необходимому току стабилизации и мощности). Изменение резистора R1 от 0,2 до 10 Ом изменяется ток, поступающий в нагрузку. С помощью этой схемы можно получить ток, ограниченный максимальным током транзистора или максимальным током источника питания. Применение диодного стабилизатора тока с наиболее возможным номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы, но при этом нельзя забывать о минимально возможном напряжении работы диодного стабилизатора тока. Изменение резистора R1 на 1-2 Ом значительно меняет величину выходного тока схемы. Этот резистор должен иметь большую мощность рассеяния тепла, изменение сопротивления из-за нагрева приведет к отклонению выходного тока от заданного значения. Резистор R1 лучше собрать из нескольких параллельно включенных мощных резисторов. Резисторы, применённые в схеме должны иметь минимальный ТКС. При построении регулируемого источника стабильного тока или для точной настройки выходного тока резистор 180 Ом можно заменить переменным. Для улучшения стабильности тока можно также применять составной транзистор. При использовании составного транзистора минимальное напряжение стабилизации увеличивается.

Картинки по запросу стабилизатор тока на транзисторе

    Более расширенные сведения, расчеты и схемы приведены в справочниках Шустова М.А. — серии «Практическая схемотехника» собранных в таблице ниже.

Шустов М. А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы.
Шустов М. А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания.
Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.
Шустов М. А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям.

ВЕРНУТЬСЯ К ОГЛАВЛЕНИЮ…