Стабилизатор напряжения - неотъемлемая часть блока питания. Но бывают случаи, когда тот или иной блок питания не подходит для разрабатываемой конструкции лишь из-за того, что стабилизатор не обеспечивает нужного напряжения или низкого уровня пульсаций. И тогда приходится искать схему другого стабилизатора, который можно подключить к имеющемуся выпрямителю. Чтобы облегчить такие поиски, расскажем о некоторых конструкциях стабилизаторов.
Стабилизатор-приставка к автомобильному аккумулятору
Без него не обойтись, если в путешествие на автомобиле решили взять приемник или магнитофон, работающий от источника постоянного тока напряжением 9 В. Питать их в этом случае удобно от бортовой сети автомобиля, соединенной с аккумулятором напряжением около 12,6 В.
Но напряжение аккумулятора нестабильно — во время движения автомобиля оно больше, на стоянке — меньше. Вот здесь и пригодится предлагаемый стабилизатор-приставка (рис. С-8), собранный всего на двух транзисторах. При выходном напряжении 9 В приставка способна питать нагрузку током до 300 мА. Причем при изменении тока нагрузки от 20 до 300 мА выходное напряжение изменяется не более чем на 0,2 В. Если же ток превысит максимальный или в цепи нагрузки произойдет короткое замыкание, стабилизатор автоматически отключится.
Стабилизатор собран по так называемой компенсационной схеме. Транзистор VT1 регулирующий, VT2 усилительный. Нетрудно заметить, что стабилитрон VD1 с резисторами образует мост, на одну диагональ которого подано выходное напряжение стабилизатора, а с другой снимается напряжение в цепь база- эмиттер усилительного транзистора. Причем при изменении выходного напряжения, а это случается при изменении тока нагрузки, будет несколько изменяться и напряжение между базой и эмиттером усилительного транзистора, что приведет, в свою очередь, к изменению напряжения на базе регулирующего транзистора. В итоге выходное напряжение блока выровняется, скомпенсируется (отсюда и название стабилизатора).
А если ток нагрузки будет расти дальше? Тогда выходное напряжение упадет настолько, что стабилитрон закроется, а вслед за ним за кроются транзисторы. Остаточный ток через регулирующий транзистор составит несколько миллиампер. Такое состояние стабилизатора устойчиво и может сохраняться сколь угодно долго. Как только состояние нагрузки изменится, например будет устранено короткое замыкание, стабилизатор вновь включится в работу.
От сопротивления резистора R2 зависит ток защиты, при котором выключается стабилизатор. Подстроечным резистором R4 устанавливают точнее выходное напряжение. Резистор R1 способствует запуску стабилизатора после устранения короткого замыкания, а также при подключении к источнику питания.
Вместо КТ814Б подойдет транзистор серий КТ814, КТ816, а вместо КТ315Г — любой из серии КТ315. Постоянные резисторы — МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25, подстроечный — малогабаритный, например СПЗ-16, СПЗ-27. Стабилитрон Д814А можно заменить на Д808.
Детали стабилизатора можно разместить на плате из изоляционного материала (рис. С-9). Регулирующий транзистор нужно установить на радиатор размерами 15X20 мм из алюминия или дюралюминия толщиной 2...3 мм и вместе с ним прикрепить к плате. Плату следует укрепить внутри корпуса подходящих размеров, на одной из стенок которого установлены зажимы ХТ1, ХТ2 для подключения нагрузки, а через отверстие в другой выведен двухпроводный шнур достаточной длины с разъемом ХР1 на конце.
Если стабилизатор-приставку предполагается использовать в автомобиле, в салоне которого нет разъема с напряжением бортовой сети, разъемом ХР1 может быть обыкновенная сетевая вилка, а в салоне устанавливают розетку и соединяют ее с аккумулятором.
Подсоединив к зажимам приставки вольтметр на 10 В, подключают приставку к источнику питания. Резистором R4 устанавливают напряжение 9,1...9,3 В, затем подключают к зажимам эквивалент нагрузки — резистор сопротивлением 30 Ом мощностью не менее 3 Вт. Если напряжение на выходе упадет почти до нуля, придется уменьшить сопротивление резистора R2. Если же снизится незначительно — все в порядке.
Далее нужно подключить к выходным зажимам другой эквивалент нагрузки — сопротивлением около 25 Ом и мощностью не менее 4 Вт. Теперь выходное напряжение должно резко уменьшиться, а после отключения эквивалента нагрузки — восстановиться. Для обеспечения этих режимов можно подобрать резисторы R2 и R1.
Стабилизатор с низким уровнем пульсаций
Его схема приведена на рис. С-10. Стабилизатор не только обладает малыми пульсациями при токе потребления до 1 А, но еще и небольшим выходным сопротивлением, а также устойчивостью к токовым перегрузкам. При появлении перегрузок стабилизатор ограничивает ток на уровне в 2...2,5 раза больше номинального тока, и предохранитель FU1 успевает сгореть раньше, чем температура перехода транзистора VT1 превысит максимально допустимую.
Стабилизатор содержит регулирующий транзистор VT1, усилитель постоянного тока на транзисторе VT2 и устройство сравнения на транзисторе VT3. Стабилитрон VD3 и резистор R6 образуют источник опорного напряжения. Цепочка R7C1 и конденсатор С2 устраняют возможное самовозбуждение стабилизатора на высших частотах. Коллекторный ток транзистора VT3 задается резистором R5 и составляет 1...1,5 мА Резистор R3 служит для ограничения коллекторного тока транзистора VT2 при переходных процессах и перегрузках стабилизатора.
Поскольку источник опорного напряжения питается выходным напряжением, отсутствующим в момент включения стабилизатора, введена специальная цепочка запуска из резистора R1, стабилитрона VD1 с напряжением стабилизации, равным или несколько меньшим, чем у стабилитрона VD3, и развязывающего диода VD2. Когда на стабилизатор подают напряжение, через резистор R1, диод VD2 и транзистор VT3 протекает ток, достаточный для открывания транзисторов VT1 и VT2. После того как стабилизатор войдет в нормальный режим работы, диод VD2 отключает цепь запуска.
Транзистор VT1 (а при больших токах нагрузки и VT2) следует установить на радиатор. Если стабилизатор возбуждается на высших частотах, подбирают детали цепочки R7C1. В случае плохого запуска стабилизатора при подключенной нагрузке и минимальном напряжении на его входе подбирают резистор R1 (уменьшают его сопротивление). Подбором резистора R3 устанавливают уровень ограничения тока (2...2,5 А).
Стабилизатор монтируют на плате блока питания вместе с выпрямительными диодами и конденсатором фильтра. Выпрямитель блока питания должен быть рассчитан на ток нагрузки не менее 1,5 А.
Стабилизатор с двойной защитой от КЗ в нагрузке
Схема такого стабилизатора напряжения приведена на рис. С-11. Он рассчитан на значительно больший ток нагрузки (до 3...5 А) по сравнению с предыдущими конструкциями и содержит две цепи защиты от короткого замыкания в нагрузке — электронную и электромагнитную.
Собственно стабилизатор состоит из источника опорного напряжения (лампа HL1 и стабилитроны VD2, VD3), усилителя постоянного тока (транзисторы VT3, VT4) и регулирующего транзистора (VT5). В источнике опорного напряжения протекающий через стабилитроны ток стабилизируется лампой накаливания, что улучшает коэффициент стабилизации, а значит, снижает пульсации выпрямленного напряжения. Лампа одновременно служит индикатором перегрузки, вспыхивающим при срабатывании электронной защиты. Для увеличения выходного тока до 3...5 А применен мощный транзистор VT5.
Электронная защита выполнена на транзисторе VT1 и тринисторе VS1. При достижении максимально допустимого тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе R3, транзистор VT1 открывается, и положительный импульс напряжения через диод VD1 открывает тринистор. Он шунтирует источник опорного напряжения и закрывает транзисторы VT3—VT5. После устранения перегрузки и установки регулятора выходного напряжения (переменный резистор R4) в нижнее по схеме положение устройство возвращается в исходное состояние кратковременным нажатием кнопки SB1.
Применение дополнительной электромагнитной защиты необходимо по следующим соображениям. В определенной ситуации перегрузка или короткое замыкание в цепи нагрузки может наступить тогда, когда стабилизатор уже работал продолжительное время при токе, близком к максимальному. В этом случае транзистор VT5 разогрет и при срабатывании электронной защиты не закрывается полностью. Через транзистор продолжает протекать большой ток, способный перегреть транзистор и вывести его из строя.
Вот здесь и пригодится электромагнитная защита, выполненная на транзисторе VT2 и реле К1. При открывании тринистора VS1 база транзистора VT2 подключается через резистор R5 к плюсовому проводу стабилизатора. Транзистор открывается, срабатывает реле К1 и подключает контактами К1.1 базу транзистора VT5 к плюсовому проводу.
Выходное напряжение стабилизатора устанавливают переменным резистором R4 от 0,2 до 15 В, а максимальный ток нагрузки, при котором срабатывает защита,— подстроечным резистором R2. Использование для транзистора VT5 радиатора 1201-Б из наборов «Старт» позволяет при выходном напряжении 15 В пропускать через транзистор ток 1 А в длительном режиме или 2...3 А в течение 30...40 мин (в зависимости от условий конвекции воздуха у радиатора и температуры транзистора). Для увеличения тока нагрузки до 5 А потребуется радиатор с большей площадью поверхности или принудительное охлаждение транзистора (небольшим вентилятором).
Указанный на схеме транзистор КТ315В можно заменить транзисторами КТ3157, КТ342А, КТ373А, КТ375А; КТ361Е — транзисторами КТ361Г, КТ361К, КТ203Б, КТ104Г; П215 — П213—П217 с любым буквенным индексом, КТ814Б, КТ816Б; П210Б—П210В, ГТ701А. Вместо тринистора КУ101Б подойдут КУ101Г, КУ101Е, КУ101И, КУ201В, КУ201Г (мощность двух последних тринисторов намного выше требуемой для данной конструкции). Вместо диодов Д223 подойдут Д219А, Д220, КД509А, КД522Б, а вместо стабилитронов Д814А—Д808. Подстроечный резистор R2 — проволочный, типа ППЗ; постоянный резистор R3 — тоже проволочный, изготовленный из отрезка провода ПЭВ-1 0,59 длиной 156 см, намотанного на фарфоровом каркасе диаметром 17 и высотой 40 мм (подойдет корпус резистора ПЭВ-10); переменный резистор R4 — любого типа с линейной функциональной характеристикой (А); остальные резисторы — МЯТ указанной на схеме или большей мощности. Лампа HL1—КМ 24-35 (на напряжение 24 В и ток 35 мА), реле — РЭС9, паспорт РС4.524.200 (обе группы контактов соединены параллельно).
Большая часть указанных деталей смонтирована на печатной плате (рис. С-12) из фольгированного стеклотекстолита. Вместе с остальными деталями и выпрямителем плату размещают в корпусе, на передней стенке которого устанавливают ручки управления и выходные зажимы для подключения нагрузки.
Налаживание устройства начинают с электронной защиты. Левый по схеме вывод резистора R5 отключают от деталей, а движок резистора R2 устанавливают в верхнее положение. Подключают к выходу стабилизатора нагрузку, потребляющую ток 3,5...4 А при напряжении 6...10 В. Если электронная защита сразу же срабатывает, перемещают движок резистора R2 вниз по схеме. Более точным подбором сопротивления резистора R3 (отматыванием или доматыванием провода) добиваются, чтобы электронная защита срабатывала примерно при среднем положении движка резистора R2.
Далее впаивают резистор R5 и подбором резистора R6 добиваются четкого срабатывания реле при замыкании выходных зажимов стабилизатора (при выходном напряжении не менее 2,5 В).
Вы наверняка обратили внимание на одно неудобство при эксплуатации стабилизатора — после устранения КЗ или перегрузки приходится устанавливать движок регулятора выходного напряжения R4 в нулевое положение, после чего нажимать кнопку SB1 и вновь ставить выходное напряжение переменным резистором R4.
Избавиться от этого неудобства нетрудно, если применить вместо одинарной кнопки SB1 сдвоенную, но с контактами на размыкание. Одну группу контактов следует включить в разрыв цепи коллектора транзистора VT1, а другую — в разрыв верхнего по схеме вывода лампы HL1. Причем при нажатии кнопки первая группа должна срабатывать несколько позже второй. Если используется кнопочный выключатель типа КМ2-1, в нем для указанных целей изгибают пинцетом пружинящую пластину вверх примерно на 20° над выключателем первой группы контактов.