Всем привет. В этой статье рассмотрим регулятор или стабилизатор напряжения, с усилением по току, где вспомогательный транзистор используется как промежуточный каскад.
Это позволяет значительно упростить работу проходного транзистора при высоких токах и низком уровне усиления (hFE). Для достижения точного результата часто требуется использовать несколько транзисторов, обычно 2 или 3, чтобы обеспечить достаточный уровень усиления на выходе.
Пример базовой схемы с двумя транзисторами, использующей пару в конфигурации эмиттерного повторителя Дарлингтона, показан на схеме выше. В схеме ниже используются три биполярных транзистора в конфигурации Дарлингтона в режиме эмиттерного повторителя.
В случае мощного транзисторного регулятора с применением транзисторов Дарлингтона следует учитывать, что подключение пары транзисторов вызывает увеличение падения напряжения на выходе, которое составляет около 1,3 вольта. Это происходит из-за того, что на каждом транзисторе теряется примерно по 0,65 вольта.
Стабилизатор напряжения с регулируемым током
В этой статье рассмотрим схему регулятора напряжения, где вспомогательный транзистор используется как промежуточный каскад. Это позволяет значительно упростить работу проходного транзистора при высоких токах и низком уровне усиления (hFE).
Промежуточный транзистор в данной схеме выполняется в виде пары Дарлингтона, что позволяет существенно увеличить коэффициент усиления по току и улучшить способность устройства передавать ток. Важно отметить, что при отсутствии нагрузки схема будет потреблять ток только от стабилитрона.
Вы можете также добавить переменный резистор или конденсатор к стабилитрону. Если переменный резистор подключить к базе транзистора, то можно добиться изменения выходного напряжения, как показано на схеме ниже.
С помощью подключения потенциометра к стабилитрону, можно регулировать выходное напряжение, меняя положение ползунка потенциометра. Однако стоит отметить, что такая схема не является особенно эффективной в качестве регулятора: на самом деле, она будет несколько хуже, чем использование простого стабилитрона, так как отсутствует система, обеспечивающая стабильное выходное напряжение для нагрузки.
Таким образом, несмотря на интересные возможности, предложенные схемой, её эффективность как регулятора остаётся ограниченной. Кроме того, падение напряжения между базой и эмиттером в проходном транзисторе приводит к небольшому снижению выходного напряжения, которое обычно составляет от 0,6 до 0,7 вольт на каждый транзистор.
Если вы используете потенциометр для изменения выходного напряжения, могут возникнуть дополнительные потери из-за сопротивления, влияющего на сеть. Это сопротивление уменьшает эффективность регулировки, в результате чего регулятор не может обнаружить, произошло ли снижение выходного напряжения.
Для решения данной проблемы необходимо устройство, способное определять выходное напряжение, сравнивать его с установленным значением-эталоном и автоматически корректировать выход на нужную величину. Это достигается путем использования механизма обратной связи для регулирования выходного напряжения. Представим простой метод для реализации этой идеи с использованием нескольких дополнительных компонентов.
Общий эмиттерный регулятор напряжения с отрицательной обратной связью
В некоторых проектах линейных регуляторов, использующих пару общих эмиттерных усилителей, можно обнаружить эффективные схемы с полной отрицательной обратной связью. Эта схема представлена ниже. Хотя обычные эмиттерные каскады, как правило, обеспечивают значительное усиление по напряжению, в данном случае эта характеристика может быть иной.
Это происходит из-за полной отрицательной обратной связи, которая применяется между коллектором выходного транзистора и эмиттером драйверного транзистора. Такой подход позволяет усилителю достигать коэффициента усиления, равного точно единице.
Практический проект регулятора напряжения с обратной связью
На этой схеме стабилизатор напряжения повышает точность выходного сигнала. В простой схеме регулятора, изображенной ниже, выходное напряжение контролируется и поддерживается на определенном уровне. Резисторы R3 и R4 формируют делитель напряжения, который измеряет фактическое выходное напряжение и передает его на базу транзистора VT2.
Стабилитрон D создает постоянное падение напряжения, которое удерживает эмиттер VT2 на предварительно заданном уровне. Это падение напряжения обусловлено током, проходящим через резистор R2, а также током эмиттера VT2.
Если наблюдается снижение выходного напряжения, транзистор VT2 отключается, что уменьшает ток, протекающий через резистор смещения R1. В результате, напряжение на коллекторе увеличивается, что приводит к повышению напряжения на базе транзистора VT1 и, соответственно, на его эмиттере, который является выходом регулятора питания. Таким образом, увеличение напряжения будет возвращаться на базу VT2, что компенсирует первоначальное падение.
В итоге, такая схема способствует повышению стабильности выходного напряжения. Однако следует отметить, что 100% совершенство в этом процессе невозможно. Хотя эта настройка является весьма полезной, она не идеально подходит для всех условий. Схема регулятора функционирует как усилитель с обратной связью, при этом её коэффициент усиления ограничен.
Коэффициент усиления по напряжению в основном определяется транзистором VT2, и в открытом контуре его значение может колебаться от 20 до 100, что зависит от характеристик VT2, нагрузки источника питания, импеданса стабилитрона и ряда других параметров. Коэффициент усиления системы можно вычислить как произведение общего коэффициента усиления и коэффициента обратной связи. В данном случае последний равен отношению R4 / (R3 + R4). При прочих равных условиях, увеличение коэффициента усиления в контуре ведет к улучшению регулирования.
Ограничения в схеме
На практике данная схема может обеспечить улучшение регулирования в 10 раз или даже больше по сравнению с предыдущими вариантами. Тем не менее, у этой схемы есть свои ограничения:
1. Выходное напряжение на VT2 не может быть ниже, чем напряжение стабилитрона плюс потери на переходе база-эмиттер.
2. Отсутствует защита от короткого замыкания и ограничение тока. Поскольку на резисторе R1 всегда наблюдается падение напряжения, максимальное регулируемое выходное напряжение будет иметь предел.
3. Коэффициент обратной связи R4 / (R3 + R4) будет уменьшаться с увеличением выходного напряжения, что приведет к постепенному ухудшению регулирования.
Эти ограничения важно учитывать при проектировании и применении схемы регулятора.
Так как часть токов смещения (через R1 и R2) приходит с нерегулируемой стороны, колебания на входе негативно сказываются на выходном сигнале, что ухудшает качество регулирования. Эти трудности можно преодолеть с помощью настройки схемы и добавления нескольких дополнительных элементов.
Первую проблему можно решить, используя стабилитрон низкого напряжения. Хотя наиболее надежные стабилитроны имеют напряжение в диапазоне 5-8 Вольт, они все же могут быть эффективными. Также имеется возможность применения вторичной схемы плавающего источника питания, которая будет подавать напряжение ниже (отрицательного) уровня заземления, передавая R4 на отрицательное напряжение вместо заземления.
При подключении резистора к входу, падение напряжения на нем будет зависеть от тока нагрузки, что, в свою очередь, может повлиять на выход регулятора. Дополнительное усиление с разомкнутым контуром можно получить, применяя дополнительные транзисторы или операционный усилитель.
Преимущества обычного эмиттерного регулятора с обратной связью заключаются в том, что такая конфигурация показывает лучшие результаты по сравнению с регуляторами, основанными на паре Дарлингтона. Это связано с меньшим падением напряжения на входных и выходных клеммах.
В таких схемах падение напряжения составляет всего около 0,65 Вольта, что способствует повышению общей эффективности и позволяет регулятору успешно работать даже в тех случаях, когда нестабилизированное входное напряжение всего лишь на несколько сотен милливольт превышает ожидаемое выходное напряжение.
Я рассмотрел регулятор или стабилизатор напряжения, с усилением по току, где вспомогательный транзистор используется как промежуточный каскад. Так же прочитайте и другие статьи на моем сайте по этой теме.
