Компенсационные стабилизаторы напряжения на переключающихся диодах запуска

По мере совершенствования компенсационных стабилизаторов напряжения (СН) и с началом применения в СН запускающих узлов на переключающихся диодах (ПД) [1, 2] появляется возможность подачи напряжения питания на схему управления СН, состоящую из управляющего каскада (УК) и формирователя образцового (управляющего) напряжения UОБР, с высокостабильной выходной части СН вместо нестабильной входной. Это многократно улучшает характеристики СН, превосходя при этом большинство из существующих на рынке интегральных СН и, помимо этого, обеспечивает защиту стабилизатора от коротких замыканий (КЗ) в нагрузке.
Существенно при этом, что даже в простых двухтранзисторных схемах СН на переключающихся диодах важнейшие характеристики стабилизатора улучшаются настолько (например коэффициент стабилизации КСТ повышается до величины 170…300 вместо 40…70, как в традиционных двухтранзисторных СН [3…5]), что даже простые стабилизаторы с ПД-запуском становятся пригодны для питания подавляющего большинства радиолюбительских конструкций, так как в случае КСТ = 250 и изменения входного питающего потенциала UВХ вдвое напряжение на выходе СН (UВЫХ) изменяется лишь на 0.4%.

Помимо этого, с увеличением КСТ улучшается подавление сетевых пульсаций 50 Гц, что позволяет значительно уменьшить емкость фильтрующих конденсаторов на выходе СН. Например, при КСТ ≥ 5000 и токе в нагрузке (IН) на уровне нескольких ампер в выходном фильтре СН во многих случаях достаточно устанавливать емкость порядка 100…220 мкФ.

Ниже представлено описание пяти различных вариантов СН с ПД-запуском (в зависимости от степени сложности и области применения СН) со сравнительными характеристиками СН, приведенными в размещенной в конце статьи Таблице 1.СН №1
Простой двухтранзисторный СН с защитой от КЗ (Рисунок 1, Таблица 1).

В данном СН максимальные значения тока нагрузки, а также значения входных и выходных напряжений определяются параметрами VT1 и VT2 (IК_МАКС – максимальный ток коллектора, UК-Э_МАКС – максимальное напряжение коллектор – эмиттер и h21Э), а также сопротивлением и мощностью R4. При токе нагрузки более 2 А может потребоваться установка в качестве VT2 мощного составного транзистора (КТ853, КТ8159 и т. п.). Можно также составить данный транзистор из двух обычных мощных транзисторов по схеме Дарлингтона.

Максимальный ток нагрузки СН (IН_МАКС) определяется формулой

– это ток коллектора VT1 (IК_VT1), а отношение 0.6/R3 определяет ток через резистор R3, который необходимо вычесть из величины IК_VT1 для определения IБ_VT2.

Работает стабилизатор следующим образом.

Элементы R1, C1, VD1, VD2 образуют запускающий узел СН. В момент включения через запускающую цепочку С1-VD2 начинает протекать ток, вызывая соответствующее нарастание потенциала на базе VT1, затем – на выходе СН и, соответственно, на катоде VD2, уменьшая напряжение между анодом и катодом VD2. Как только оно становится меньше порогового напряжения открывания (примерно 0.5 В для кремниевых диодов), VD2 закрывается и далее не оказывает влияния на работу СН и на стабильность UВЫХ.

Далее с выхода формирователя образцового напряжения (параметрический стабилизатор HL1, R2), питание на который поступает с выхода СН через развязывающий диод VD3, потенциал UОБР подается на базу УК VT1, в котором осуществляется сравнение UОБР и UВЫХ, поступающего на эмиттерный вход VT1 через регулятор выходного напряжения R5.

В случае изменения по каким либо причинам UВЫХ в каскаде УК формируется сигнал рассогласования и соответствующее изменение сопротивления канала змиттер-коллектор VT1, соединенного с базой регулирующего транзистора VT2, в результате чего на выходе СН восстанавливается первоначальный уровень UВЫХ.

В случае КЗ на выходе СН потенциал UВЫХ становится равным нулю, вследствие чего ток в цепи VD3-R2 и VD2-R2 практически прекращается, так как конденсатор С1 находится в заряженном состоянии, а ток через высокоомный резистор R1 имеет величину в несколько раз меньшую, чем необходимо для открывания VT1. Далее транзисторы VT1 и VT2 запираются, предотвращая тем самым перегрузку СН.

Резистор R1 служит для быстрой разрядки С1 после выключения СН, обеспечивая возможность быстрого повторного включения СН.

Стабилитрон VD1 предназначен для надежного срабатывания защиты от КЗ в широком диапазоне UВХ и предотвращает протекание чрезмерно большого тока через цепочку R1-VD1-R2 при больших значениях UВХ. При этом, если СН подключен к источнику питания, выходное напряжение которого не может колебаться более чем в полтора раза (например, сетевой выпрямитель, а также многие батарейные устройства), надобность в VD1 отпадает, и вместо него можно установить шунтирующий резистор (RШ). При С1 = 0.22 мкФ, его оптимальная величина определяется соотношением

Описываемый стабилизатор довольно термостабилен, так как температурный коэффициент сопротивления (ТКС) каналов эмиттер-коллектор биполярных транзисторов VT1, VT2 отрицательный, и ТКС светодиода HL1, установленного между базой VT1 и общим проводом, также отрицательный, благодаря чему температурные изменения транзисторов и светодиода в значительной мере компенсируют друг друга.

В случаях, когда UВЫХ составляет более 8 В, светодиод HL1 можно заменить стабилитроном с напряжением стабилизации (UСТ) 5.6 В либо 6.2 В (стабилитроны с UСТ около 6 В весьма термостабильны и имеют ТКН близкий к нулю).

Как известно, у стабилитронов с UСТ менее 6 В ТКН отрицательный, с UСТ более 6 В – положительный, а область UСТ на уровне около 6 В является термостабильной с практически нулевым ТКН, что позволяет, подобрав соответствующим образом стабилитрон, обеспечить практически полную независимость UВЫХ СН от температуры.
https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=679401
(Статья полностью)