Главный недостаток линейных стабилизаторов - их низкий КПД и большое выделение тепла. По этой причине, на больших токах линейные стабилизаторы применяются редко. Главные их достоинства - предельная простота конструкции и очень низкий уровень шума. Готовые интегральные стабилизаторы редко бывают на токи более 1,5..2А. Для большинства задач этого более, чем достаточно, но что, если надо больше? В таком случае, на помощь приходят классические схемы на дискретных элементах. Существует множество схем стабилизаторов, и из всех схем самая простая, и в то же время, обладающая высокой точностью поддержания выходного напряжения - схема на npn транзисторе и регулируемом стабилитроне TL431. Так как ток достаточно большой, а коэффициент усиления мощных транзисторов обычно мал, нам однозначно потребуется составной транзистор.
Главная особенность схемы - достаточно большой dropout (минимальное падение напряжение на транзисторе). Связано это, прежде всего, с необходимостью где-то брать напряжение для управления транзистором, и в данной схеме берется напряжение "коллектор-база". Считается, что надо около 3 Вольт для управления базой транзистора. Существуют схемы на pnp транзисторах, у них dropout равен напряжению "эмиттер-коллектор" открытого транзистора. Для питания схемы, был взят трансформатор из разряда "накальных", дающий на холостом ходу 7,4В. После выпрямителя вышло порядка 9В, а на выходе 5,2В. Пока вроде все в порядке. Теперь нагрузим стабилизатор номинальным током. Для моих задач нужно 2,5А, это и примем за номинал. Выходное напряжение просело до 4,7В, а на выпрямителе - чуть больше 7В. Однако, осциллограф показал, что напряжение не просто просело, а появились глубокие его провалы с частотой 100Гц. Проблему удалось исправить увеличением емкости фильтрующего конденсатора до 47000 мкФ. Тем не менее, запас по напряжению был меньше, чем хотелось бы. Случись небольшая просадка сетевого напряжения - и стабилизатор снова не справится с задачей. А искать трансформатор с большим напряжением не хотелось. И без того огромные потери и большой радиатор...
Напрашивается два решения для снижения dropout - надо где-то взять повышенное напряжение для управления базой, а также, найти обычный (не составной) транзистор с большим коэффициентом усиления. Было решено отказаться от биполярного транзистора в пользу n-MOSFET. К тому же, отказаться от диодного моста в пользу схемы со средней точкой. Это также облегчает получение повышенного напряжения для управления затвором. Dropout зависит лишь от сопротивления открытого канала и протекаемого через него тока. В результате, схема приобрела следующий вид:
В данном стабилизаторе, основное выпрямление и сглаживание напряжения производится диодами D1,D2 и конденсатором C2. Элементы C1, C7, D4, D5 образуют удвоитель напряжения для управления затвором транзистора Q1. Делитель R3, R4 задает выходное напряжение. К слову, не стоит ставить ограничительный резистор между затвором и катодом TL431. Либо, по крайней мере, не делать его слишком большим, так как это может привести к самовозбуждению стабилизатора. Собранная из исправных компонентов и без ошибок, схема начинает работать сразу. Теперь проведем измерения.
Стоит отметить, измерения производились с емкостью фильтра 47000 мкФ. С данной емкостью, колебания выпрямленного напряжения практически незаметны на осциллографе.
Без нагрузки:
На трансформаторе: 7,4+7,4В
После выпрямителя: 9,8В
На удвоителе: 18,5В
На затворе: 7,8В
На выходе: 5,2В
Нагрузка 2 Ома:
На трансформаторе 7,2+7,16В
Выпрямитель: 7,5В
Удвоитель: 16,5В
Затвор: 7,64В
Выход: 5,2В
Теперь самое интересное. Выясним, насколько он dropout. Для этого подключим трансформатор к ЛАТРу, и начнем понижать напряжение до тех пор, пока на осциллографе не появятся провалы, а затем немного повысим его до тех пор, пока провалы не исчезнут, и проведем измерения.
Пониженное напряжение сети, нагрузка 2 Ома:
Сеть: 189В
На трансформаторе: 5,66+5,63В
Умножитель: 13В
Затвор: 9,1В
Выпрямитель: 5,51В
Выход: 5,21В
Итого, dropout получился 0,3В. К тому же, мы получили хороший запас по напряжению, позволяющий либо уменьшить емкость конденсатора-фильтра, либо эксплуатировать стабилизатор при пониженном напряжении сети.
