Проектирование линейного стабилизатора напряжения

Пусть требуется спроектировать линейный стабилизатор напряжения с параметрами 5±0.25 В, 1±0.1 А. Для питания выпрямителя будем использовать понижающий трансформатор с выпрямителем и емкостным фильтром. Обычно КПД линейных стабилизаторов не выше 50..60 %. Это означает, что пять вольт падает на нагрузке, а еще 3...5 В на стабилизаторе. Выберем напряжение для вторичной обмотки трансформатора 8 В. Как известно емкостный фильтр выделяет амплитудное значение напряжения на выходе выпрямительного устройства. Вычислим требуемую емкость фильтра из расчета предельных пульсаций на конденсаторе амплитудой 1 В. Пульсации следуют с удвоенной частотой сети, т.е. конденсатор заряжается импульсом тока каждые 10 мс, и разряжается током нагрузки между импульсами. Емкость вычисляется из баланса энергий. Для этого надо уровнять энергию, потребляемую нагрузкой фильтра 8 В × 1 А × 0.01 сек, с той, что теряет конденсатор, разряжаясь с 8 до 7 вольт за те же 10 мс (CU2/2; (C82—C72)/2). Грубый расчет дает величину 5000..10000 мкФ.

Чертеж 1

Для функционирования стабилизатора в схеме должен присутствовать источник опорного напряжения (эталон). В дешевых источниках используют стабилитроны. На чертеже 2 показаны две альтернативные схемы включения стабилитрона. Первая, предполагает подключение стабилитрона к конденсатору фильтра через ограничивающий ток резистор. Она существенно проигрывает второй. На резисторе 100 Ом падает напряжение равное (8 - 5) = 3 В. При этом из этих трех вольт один приходится на пульсацию напряжения, а, следовательно, и ток по стабилитрону пульсирует в том же процентном диапазоне. По осциллограмме видно – от 10 до 20 мА. Неприемлемо большая динамика. Вторая схема предполагает использование схемы на двух транзисторах, которая называется токовым зеркалом. В соответствии с названием, ток резистора величиной 300 Ом, достаточно точно отражается в цепь стабилитрона. И при этом не важно, на какое напряжение он выбран. Эта схема даст существенно меньшую пульсацию тока по той причине, что к резистору 300 Ом приложены все 8 В. От которых, один вольт пульсации, в процентном отношении, составляет существенно меньшую величину. Осциллограмма подтверждает сказанное. Выбирая номинал сопротивления 300 Ом, руководствуемся тем, чтобы по стабилитрону протекал предельно возможный ток 20 мА. Дальнейшее развитие схемы предполагает ответвление части тока стабилитрона в силовой усилительный каскад.

Чертеж 2

Функцию силового усилительного каскада выполняет транзистор установленный последовательно с нагрузкой см. чертеж 3. Сопротивление нагрузки уменьшено с восьми до пяти Ом, т.к. теперь к нагрузке приложена лишь часть от тех 8 В, что имеются на конденсаторе фильтра выпрямителя. Одновременно в схему введен усилитель ошибки – транзистор, включенный последовательно со стабилитроном. Если напряжение на выходе стабилизатора увеличивается (пользователь отключил нагрузку), то транзистор усилителя ошибки открывается и шунтирует ток базы силового транзистора, вызывая его запирание и снижение напряжения. Наш стабилизатор должен обеспечивать ток нагрузки 1 А. Коэффициент усиления силового транзистора равен 70. Следовательно, от тех 20 мА что протекали по стабилитрону в базу силового ключа, должно ответвиться 1 А / 70 = 14 мА. Остается около 6 мА – это больше чем минимальный ток стабилитрона, так что оставляем все как есть. Для того чтобы выходное напряжение было равно 5В, мы выбрали стабилитрон на 3.3 В, и обеспечили выходное напряжение делителя 3.3 + Uбэ = 3.9 В (3к9 и 1к1*). В ходе экспериментов обнаружилось, что 8 В на выходе трансформатора было недостаточно. Транзисторы стабилизатора выходили из линейного режима в моменты просадки напряжения. Выходное напряжение трансформатора было увеличено до 9 В (см. блок sinWave). Если увеличить мышью масштаб осциллограммы выходного напряжения, то можно замерить двойную амплитуду пульсаций – менее 100 мВ (при придельном токе нагрузки) – вполне достаточно для большинства приложений.

Чертеж 3

Требование к наличию защиты в стабилизаторе от коротких замыканий в нагрузке – почти стандарт. Доработаем проектируемый стабилизатор. В разрыв силового транзистора и нагрузки установим шунт номиналом 1 Ом. К шунту подключен переход база-эмиттер транзистора, который, открываясь сам, запирает силовой транзистор, что вызывает уменьшение напряжения на нагрузке при коротком замыкании. Переход база-эмиттер, транзистора, в описываемом каскаде датчика тока, подключен к шунту через сопротивление 150 Ом. Оно защищает этот, маломощный транзистор, в режимах, когда короткое замыкание развивается с большой скоростью нарастания тока. Кроме того, при наличии этого резистора мы можем менять потенциал базы транзистора (что потребуется в дальнейшем). Для проведения экспериментов, доработана нагрузка стабилизатора, см. чертеж 4. Теперь нагрузка динамическая. Ее сопротивление периодически линейно снижается с 50 Ом до 0.1 Ома. При этом стабилизатор работает как в режиме стабилизации напряжения, так и в режиме ограничения тока короткого замыкания. Нижний осциллограф переведен в режим XY-развертки. На соответствующие каналы поданы ток и напряжения нагрузки. В результате демонстрируется внешняя характеристика стабилизатора. Можно видеть, что стабилизируемое напряжение на всем протяжении ВХ чуть больше заданного в техническом задании, а ограничение тока наступает не при 1 А. Выполните требуемые подстройки самостоятельно.

Чертеж 4

К большому сожалению если нагрузка стабилизатора сгорит, то, как правило, по худшему сценарию. Это означает, что ее сопротивление уменьшится, но не до нуля. Таким образом стабилизатор будет ограничивать ток при каком-то ненулевом напряжении на нагрузке. Раз напряжение не будет равно нулю, то и мощность на сгоревшей нагрузке тоже не будет равна нулю. Процесс сгорания будет поддерживаться, возможно развиваться. Заметим, что для схемы представленной на чертеже 4 внешняя характеристика имела прямой угол и была похожа на фрагмент буквы "П" (точнее на отражённую по горизонтали букву "Г"). Существует схемотехническое решение, позволяющее изменить наклон той части внешней характеристики, где ограничивается ток, и приблизить точку короткого замыкания к началу координат. Подобные внешние характеристики называются характеристиками "Z"-типа (похожи на фрагмент буквы "Z"). Внешние характеристики "Z"-типа благоприятней и для аварийных нагрузок и для силового каскада стабилизатора. Схема на чертеже 5 доработана включением стабилитрона параллельно силовому каскаду. В режиме стабилизации напряжения, установившегося падения напряжения на силовом ключе не достаточно для отпирания стабилитрона и он не оказывает влияния на работу схемы. Если в нагрузке происходит короткое замыкание, то это приводит к увеличению падения напряжения на силовом каскаде. Отпирается стабилитрон и открывает транзистор датчика тока. Последний запирает силовой каскад. Таким образом формируется внешняя характеристика "Z"-типа. Чтобы стабилизатор удовлетворял техническому заданию, подстройки схемы выполните самостоятельно.

Чертеж 5

Завершая проектирование отметим, что инженер должен учесть, что стабилизатор должен работать много лет. Данная схема имеет проблемный момент связанный с тем, что электролитические конденсаторы нагреваются большими импульсными токами и, с годами, высыхают (поэтому в справочниках оговариваются допустимый процент пульсаций напряжения и амплитуда тока). Для повышения надежности схемы можно удвоить емкость фильтра.

5.08.2007