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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA stabilizzatori economici. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Protettori di sovratensione Senza entrare in un'analisi dettagliata dei vantaggi e degli svantaggi dei vari principi di conversione e stabilizzazione della tensione, l'autore dell'articolo condivide la sua esperienza nello sviluppo di semplici stabilizzatori di tensione economici con un transistor bipolare come elemento di regolazione. Molta attenzione è rivolta alla scelta della sorgente di tensione esemplare. L'articolo fornisce tabelle con i risultati dei test di vari stabilizzatori, facilitando la scelta dell'opzione giusta. Per ottenere un'elevata efficienza dei dispositivi radioelettronici alimentati da celle galvaniche o batterie e che richiedono una tensione stabilizzata, oltre alla corretta scelta della tensione di alimentazione e del tipo di celle, è importante scegliere un opportuno stabilizzatore economico che garantisca il funzionamento più lungo possibile del dispositivo senza sostituire le fonti di alimentazione. Uno stabilizzatore economico (ad alta efficienza) è uno stabilizzatore che soddisfa contemporaneamente due condizioni: primo, deve avere un basso consumo di corrente rispetto alla corrente di carico; in secondo luogo, per avere la caduta di tensione minima consentita attraverso l'elemento di regolazione. In letteratura sono spesso presenti descrizioni di stabilizzatori economici, in cui gli autori si concentrano sulla riduzione della corrente consumata dallo stabilizzatore stesso e non attribuiscono molta importanza al fatto che per il suo normale funzionamento la tensione di ingresso deve superare la tensione di uscita di almeno 1,5 ... 2 V. Quando alimentato da batterie, questa circostanza gioca un ruolo fondamentale. Semplici calcoli mostrano che la diminuzione dell'efficienza degli stabilizzatori avviene proprio a causa della dissipazione di energia sotto forma di calore sul transistor di regolazione, e queste perdite sono direttamente proporzionali alla caduta di tensione. In generale, lo stabilizzatore è un partitore di tensione regolabile, in cui viene utilizzato un transistor come elemento di regolazione, la cui conduttività modifica l'elemento di controllo. Negli stabilizzatori economici, l'elemento di controllo deve fornire una corrente di base sufficiente del transistor di regolazione con un consumo proprio minimo. Questa corrente viene generata confrontando la tensione di uscita con la tensione di riferimento. È importante la scelta corretta di una sorgente di tensione di riferimento (ION), i cui parametri determinano le caratteristiche dello stabilizzatore: coefficiente di stabilizzazione (Ket), coefficiente di temperatura della tensione (TKN), efficienza, ecc. Il transistor di regolazione deve mantenere una tensione di uscita stabile quando la tensione di alimentazione scende a un valore minimo leggermente superiore alla tensione di uscita nominale dello stabilizzatore. La differenza minima tra le tensioni di ingresso e di uscita, alla quale lo stabilizzatore può ancora mantenere la tensione di uscita nominale, dipende anche dallo schema di collegamento del transistor di regolazione [1]. FONTI DI MICROENERGIA DI RIFERIMENTO Il circuito ION più semplice si ottiene utilizzando diodi zener, la cui scelta è piuttosto ampia, ma in pratica sorgono spesso difficoltà a causa della diffusione della tensione di stabilizzazione dei diodi zener dello stesso tipo e della bassa efficienza durante l'alimentazione di dispositivi a micropotenza. È generalmente accettato che i diodi zener non siano adatti per il funzionamento con una corrente inferiore a 0,5 ... 1 mA. Questo è vero quando è necessario ottenere un risultato garantito senza perdere tempo a controllare e selezionare i diodi zener adatti. Tuttavia, la maggior parte di essi può funzionare a una corrente inferiore, fornendo parametri accettabili per una corrente di carico non superiore a diverse decine di microampere. Per verificarlo è sufficiente tracciare le dipendenze dei parametri dei diodi zener non su scala lineare, come si fa nella maggior parte dei libri di consultazione, ma su scala logaritmica. Sulla fig. 1 - 3 mostra la dipendenza della tensione di stabilizzazione (UCT) e della resistenza differenziale (Rd) dalla corrente di stabilizzazione (lCT) sulla scala indicata.
A causa del fatto che i parametri dei diodi zener sono caratterizzati da un'ampia diffusione, le dipendenze della tensione di stabilizzazione dalla corrente per i diodi zener KS133A, KS147A, KS156A, KS168A sono caratteristiche medie (Fig. 1). Per i diodi zener della serie D814, che hanno una diffusione particolarmente forte a una corrente inferiore a 200 ... 300 μA, i grafici sono aree ombreggiate (Fig. 2), costruite sulla base di una generalizzazione delle caratteristiche di diversi (fino a cinque) diodi zener di ogni tipo. L'esiguo numero di diodi zener testati non consente di trarre conclusioni che pretendono di essere più accurate, ma alcune tendenze generali sono ancora visibili. I test hanno dimostrato che per i diodi Zener serie D808 - D811, D813, D814 e D818, con una diminuzione della corrente, la tensione di stabilizzazione inizialmente diminuisce leggermente, ma a una corrente inferiore a 200 ... 300 μA, in alcuni casi diventa imprevedibilmente basso. Per i diodi zener a bassa tensione KS133A, KS147A, KS156A, con una diminuzione della corrente, la tensione di stabilizzazione diminuisce in modo monotono senza bruschi cali. Il grafico per i diodi zener KS133A e KS147A (Fig. 3) è una linea quasi retta che mostra la dipendenza inversamente proporzionale della resistenza differenziale dalla corrente. Una diminuzione della corrente di un fattore 1000, ad esempio da 32 mA a 32 μA, porta ad un aumento di Rd anche di un fattore 1000 - da 10 Ω a 10 kΩ. I diodi Zener con una tensione di stabilizzazione di 5,6 ... 7 V e una corrente superiore a 3 mA hanno una resistenza differenziale inferiore. Con una diminuzione della corrente a un certo livello, Rd di tali diodi zener aumenta bruscamente e, con un'ulteriore diminuzione, non differisce molto da Rd di diodi zener a bassa tensione. Anche i diodi Zener D814A - D814D hanno una bassa resistenza differenziale ad alta corrente, ma con una corrente inferiore a 200 ... 300 μA, Rd di alcuni esempi di diodi zener può essere molto maggiore di quello di quelli a bassa tensione. Esperimenti con diverse copie di diodi zener (KS510A, KS512A, KS515A, KS518A) hanno dimostrato che la maggior parte di essi ha buone caratteristiche di stabilizzazione nell'intero intervallo di variazioni di corrente fino a 3 ... 5 μA, ma sono progettati per la stabilizzazione della tensione di più di 10 V. La loro caratteristica è un aumento del livello di rumore a una corrente inferiore a 300 μA. Non bisogna sottovalutare un parametro ION come il coefficiente di temperatura della tensione, poiché può causare fenomeni spiacevoli come la deriva della frequenza dell'oscillatore locale o un aumento dell'errore del dispositivo di misurazione quando la temperatura ambiente cambia. TKN di diodi zener con UCT = 5...6,8 V (KS156A, KS168A, ecc.) con una diminuzione della corrente a 100 μA e al di sotto si sposta verso valori negativi e può aumentare fino a -2,5 mV/°C [2 ] . Diodi Zener compensati termicamente della serie D818, KS191, ecc. a una corrente inferiore a 1 mA, perdono le loro proprietà di precisione a causa di un aumento del TKN negativo. Tra i diodi zener della serie D814, ci sono casi inadatti al funzionamento in modalità a bassa corrente (meno di 0,3 ... 0,4 mA) a causa di una forte diminuzione della tensione di stabilizzazione quando la temperatura scende. Per la maggior parte degli altri tipi di diodi zener, al diminuire della corrente, il TKV non cambia in modo così evidente, ma la tendenza generale è lo spostamento del TKN verso valori negativi. Un'analisi delle caratteristiche dei diodi zener a bassa corrente ci consente di trarre le seguenti conclusioni. Quasi tutti i tipi di diodi zener sono del tutto applicabili nella modalità a bassa corrente, ma solo dopo un test preliminare. In questo caso vanno scelti quei casi in cui, al diminuire della corrente di alimentazione, la tensione di stabilizzazione varia meno. I diodi Zener con UCT < 7 V (KS133A, KS139A, KS147A, KS156A, KS168A) possono essere utilizzati in ION con una corrente di alimentazione ridotta fino a diverse decine di microampere. Il coefficiente di stabilizzazione dei diodi zener KS133A, KS139A e KS147A è quasi indipendente dalla corrente, ma ha un valore basso (6 ... 10) e la tensione di stabilizzazione diminuisce monotonicamente con la diminuzione della corrente e ad un valore di 50 μA può essere 1,5 ... 2 volte inferiore rispetto a 5...10 mA. Questa circostanza consente di regolare la tensione di stabilizzazione entro certi limiti modificando la corrente, ma è auspicabile stabilizzare la corrente per aumentare il KCT [3]. Il coefficiente di stabilizzazione dei diodi zener KS156A e KS168A diminuisce a 8 ... 15 con una diminuzione della corrente, che può anche richiedere l'uso della stabilizzazione della corrente. La tensione di stabilizzazione quando la corrente scende a 50 μA diminuisce di 1,2 ... 1,5 volte. I diodi Zener con UCT = 7,5 ... 14 V (D808, serie D814 e D818, ecc.) Sono applicabili in ION a una corrente fino a 0,4 ... 0,5 mA con un leggero deterioramento dei parametri; a un valore inferiore a 0,4 mA, le caratteristiche potrebbero deteriorarsi, ma più della metà dei diodi zener testati di questo tipo presentava parametri accettabili quando la corrente scendeva a 80 ... 100 μA. Una buona alternativa ai diodi zener, soprattutto in modalità a bassa corrente, sono i LED [4] di radiazione visibile (UCT = 1,5 ... 2 V in connessione diretta) e le giunzioni base-emettitore [5-7] di transistor al silicio a bassa potenza (UCT = 4. ..10 V alla riaccensione). Forniscono un CCT più elevato e possono funzionare anche se la corrente di stabilizzazione è inferiore a 20 µA e la tensione di stabilizzazione dei LED in modalità a bassa corrente è abbastanza prevedibile. In ION è possibile utilizzare non solo giunzioni p-n di diodi e transistor, ma anche transistor ad effetto di campo utilizzati come stabilizzatori di corrente (Fig. 4, a). La tensione di riferimento viene rimossa dal resistore nel circuito sorgente [8]. Ad una corrente di 10 µA, questa tensione è uguale alla tensione di interruzione (UOTC) del FET. Il valore della corrente che scorre attraverso il transistor ad effetto di campo viene selezionato modificando la resistenza del resistore nel circuito sorgente. Il principale svantaggio dei transistor ad effetto di campo è l'ampia diffusione della tensione di interruzione di dispositivi dello stesso tipo, anche all'interno dello stesso lotto (pacchetto), che nella maggior parte dei casi ne rende impossibile l'utilizzo senza prima misurare questo parametro e selezionare un transistor adatto.
Per misurare UOTC, è necessario collegare un microamperometro al drain del transistor e un voltmetro in parallelo con il resistore (Fig. 4, b). Impostare la corrente di drain a 10 µA con un resistore variabile e misurare la caduta di tensione attraverso il resistore (o tra gate e source) utilizzando una sorta di voltmetro ad alta resistenza. Questa tensione può essere considerata come la tensione di interruzione. È più conveniente selezionare i transistor se li si inserisce in un connettore adatto di piccole dimensioni, a cui sono saldati i fili di altri dispositivi. Sulla fig. 5 mostra la dipendenza della tensione di source dalla corrente di drain per diversi transistor ad effetto di campo. Si può vedere dai grafici che quando la corrente cambia da 1 a 150 ... 200 μA, la tensione alla sorgente della maggior parte dei transistor cambia di non più del 20 ... 25% della tensione di interruzione. Questa circostanza può essere utile per fare calcoli approssimativi. Il coefficiente di stabilizzazione a una corrente inferiore a 1...2 mA è compreso tra 20 e 40, leggermente crescente al diminuire della corrente. TKN ha un valore massimo positivo a bassa corrente e diminuisce con il suo aumento, diventando negativo a una corrente superiore a 0,1-3,0 mA [9].
Gli studi hanno dimostrato che i più adatti per l'uso come ION microcorrente sono i transistor con una giunzione p-n delle serie KP103, KP302 e KP303. Per la maggior parte di essi, il TKN in modalità a bassa corrente non supera +2,5 mV/°C o 0,25%/°C. Non è escluso anche l'uso di transistor con gate isolato (sono stati studiati solo i transistor delle serie KP305 e KP313), ma la loro diffusione TKN è maggiore. Poiché lo stabilizzatore di corrente su un transistor ad effetto di campo è a due terminali, la connessione in serie di un resistore aggiuntivo (Fig. 6, a) consente di aumentare la tensione esemplare. Sostituendo il resistore nel circuito sorgente con un potenziometro e regolando la tensione di retroazione al gate, è possibile aumentare la tensione alla sorgente del transistor da UOTC su un ampio intervallo, ma è meglio limitarsi a 2 ... Ciò consente di migliorare il TKN. Gli svantaggi di ION secondo un circuito così semplice sono un'impedenza di uscita relativamente elevata e un TKN positivo aumentato. Per migliorare questi parametri e allo stesso tempo aumentare Kst a 50 ... 80, una combinazione di uno stabilizzatore di corrente con diodi zener con un TKN negativo (KS133A, KS139A, KS147A, KS156A, KS168A) (Fig. 6,b ) consente. La tensione di alimentazione minima dovrebbe essere superiore alla tensione di riferimento del valore UOTC con un certo margine, quindi, se la tensione di ingresso non è molto superiore alla tensione di stabilizzazione, è meglio scegliere transistor ad effetto di campo con un piccolo UOTC. Con un resistore variabile nel circuito di gate, modificando la corrente di stabilizzazione entro certi limiti, è possibile regolare la tensione esemplare dello ION.
LED e diodi zener KS119A, KS133A, KS139A, KS147A per "risparmiare" la tensione di alimentazione sono collegati in parallelo con un resistore variabile nel circuito sorgente del transistor ad effetto di campo (Fig. 6, c). La resistenza del resistore può variare da diverse centinaia di kΩ a diversi MΩ. La tensione di interruzione del transistor ad effetto di campo dovrebbe essere leggermente inferiore alla tensione di riferimento dello ION, quindi è possibile utilizzare transistor ad effetto di campo più comuni con U0TC> 1 V. La tensione di riferimento può essere regolata entro un piccolo intervallo modificando la corrente di stabilizzazione . Un diodo zener collegato in parallelo al resistore stabilizza la tensione alla sorgente del transistor e peggiora la retroazione al gate. Pertanto, tale inclusione è efficace solo per diodi zener a bassa tensione con un coefficiente di stabilizzazione insignificante. È possibile migliorare i parametri di uno ION basato su uno stabilizzatore di corrente utilizzando un transistor bipolare aggiuntivo (Fig. 7a). A differenza degli analoghi a diodi zener che utilizzano solo transistor bipolari [10 - 12], questo dispositivo contiene meno parti, funziona bene in modalità a bassa corrente e ha un basso TKN. È preferibile utilizzare un transistor bipolare con un silicio a bassa potenza con un elevato coefficiente di trasferimento di corrente delle serie KT3102, KT3107, KT342, ecc., Poiché l'intervallo operativo della corrente di un tale analogo di un diodo zener è direttamente proporzionale al coefficiente di trasferimento di corrente (h21E) del transistor VT2. Il TKN negativo della giunzione base-emettitore del transistor bipolare compensa parzialmente il TKN positivo del transistor ad effetto di campo, quindi il TKN totale è compreso tra -0,02 ... + 0,04% / ° С nella posizione inferiore del cursore del resistore variabile (nel caso di utilizzo di transistor ad effetto di campo con transizione p -n).
Sulla fig. 7b mostra le caratteristiche corrente-tensione dell'analogo del diodo zener in diverse posizioni del cursore del resistore variabile. Come puoi vedere, l'intervallo di corrente operativa del dispositivo è limitato. La corrente di stabilizzazione minima è determinata dalla resistenza del resistore nel circuito sorgente (questa corrente deve essere sufficiente per creare una caduta di tensione uguale al riferimento) e la corrente massima con la resistenza selezionata del resistore R2 è determinata dalla corrente coefficiente di trasferimento del transistor VT2 (la corrente di base massima, e quindi il collettore, è limitata dal resistore , quindi, con un aumento della corrente di stabilizzazione, inizia ad aumentare anche la tensione esemplare). Con un aumento della tensione di riferimento di un fattore 2 (con un potenziometro nel circuito sorgente), anche le correnti di stabilizzazione minima e massima aumentano di circa 2 volte. Il TKN in questo caso può aumentare fino a +0,08%/°C. Un calcolo semplificato dell'analogo del diodo zener viene eseguito nella seguente sequenza: viene determinata la corrente di stabilizzazione minima, viene selezionato il transistor ad effetto di campo con una certa tensione di interruzione, viene calcolata la resistenza del resistore nel circuito sorgente e il viene determinata la massima corrente di stabilizzazione. Per il calcolo, puoi utilizzare i rapporti: Ist min >51H; Uobr min=U0TC + UBE o U0TC=U0br min-0,6 V; Ri=2U0TC/lCT min (se Uobr non è regolato); Ri2 (Uobr max-0,6B) / lst min (se Uobr è regolabile); Iст max=lK max/2=(lБ-h21э)/2=(U0TC/Rи)h21э/2=U0TC·h21э/2Rи. dove Ist min - corrente di stabilizzazione minima; IH - corrente di carico massima; Ist max - massima corrente di stabilizzazione; lK max - corrente massima del collettore del transistor VT2; IB - corrente di base del transistor VT2; R e - resistenza del resistore (o dei resistori) nel circuito sorgente; Uobp min - tensione di riferimento minima; UOTC - tensione di interruzione del transistor VT1; UBe - caduta di tensione alla giunzione base-emettitore del transistor VT2; h21e - coefficiente di trasferimento di corrente statico del transistor VT2; 2 è un coefficiente empirico che tiene conto del deterioramento dei parametri vicino alla corrente limite di stabilizzazione. È possibile espandere l'intervallo di corrente operativa dell'analogo del diodo zener aggiungendo un altro transistor (Fig. 8). Questo transistor, se è necessario stabilizzare una grande corrente, può essere potente, montato su un dissipatore di calore o direttamente su un contenitore metallico (se i transistor VT2 e VT3 sono della stessa struttura).
L'analogo del diodo zener (Fig. 8) supera la maggior parte dei diodi zener nei suoi parametri, specialmente quando si stabilizza una piccola corrente. Il vantaggio è la capacità di regolare la tensione esemplare su un'ampia gamma. Quando si calcola un analogo a tre transistor di un diodo zener, invece dei parametri del transistor VT2, i parametri del transistor composito vengono sostituiti nelle formule. Il resistore R4 serve per eliminare l'influenza della corrente inversa del collettore e può avere una resistenza da diverse decine a diverse centinaia di kOhm, a seconda dell'intervallo di variazione della corrente di stabilizzazione. Lo svantaggio del circuito è la scarsa prevedibilità del TKN, che peraltro varia durante la regolazione della tensione di riferimento. All'aumentare della tensione, il TKN si sposta verso valori positivi. Ad esempio, un analogo di un diodo zener assemblato su transistor complementari (tenendo conto di una struttura diversa): transistor VT1 - KP103E (UOTC \u1d 2 V), transistor VT3102 - serie KT21 (h320e \u3d 3107), transistor VT21 - serie KT190 (h2e \u3d 1), R40 =R3=5 MΩ, aveva un coefficiente di stabilizzazione di almeno 1,5 a una corrente da 2,5 μA a 0,06 mA. La tensione esemplare è stata regolata entro 0,07...XNUMX V. In questo caso, il coefficiente di temperatura della tensione variava da -XNUMX%/°C a +XNUMX%/°C. Lo stesso analogo di un diodo zener con un transistor VT1 KP302B (UOTC=3,4 V) aveva un coefficiente di stabilizzazione di almeno 100 a una corrente da 10 μA a 10 mA. La tensione esemplare è stata regolata entro 3,9...7 V. TKN variava da -0,01%/°С a +0,02%/°С. PROGETTAZIONE DEL CIRCUITO DI STABILIZZATORI ECONOMICI La base per lo sviluppo di stabilizzatori economici è un semplice stabilizzatore con protezione da cortocircuito (Fig. 9), popolare tra i radioamatori da più di due decenni [13].
Il principio del suo funzionamento si basa sul confronto della tensione di uscita con la tensione sul diodo zener VD1. Il livello di riferimento viene applicato alla base del transistor VT2 e la tensione di uscita all'emettitore. Il segnale di errore viene amplificato dal transistor VT2 e inviato alla base VT1. Gli elementi R1, R2, VD1, VT2 formano uno stabilizzatore di corrente, quindi la corrente di uscita massima dello stabilizzatore è limitata. Quando la resistenza di carico diminuisce, la corrente di uscita dello stabilizzatore aumenta fino al livello limite (Ilimit), quindi la tensione di uscita diminuisce. Quando in uscita scende al valore UVD1 - UVD2 o UVD1 - 0,6 V, il diodo VD2 aperto devia il diodo zener VD1. In caso di cortocircuito, il livello del segnale alla base del transistor VT2 sarà uguale alla caduta di tensione alla giunzione pn del diodo VD2 in connessione diretta. Ciò riduce la corrente di collettore del transistor VT2 e, pertanto, la corrente di uscita dello stabilizzatore in caso di cortocircuito (lK3) sarà inferiore alla corrente limite. La tensione di uscita dello stabilizzatore è determinata dal rapporto Uvyx = UVD1 - UBE VT2 + UVD3, dove UVD1 è la tensione di stabilizzazione del diodo zener; UBE VT2 - caduta di tensione alla giunzione base-emettitore del transistor VT2; Uvd3 - caduta di tensione attraverso il diodo VD3 in connessione diretta. Poiché UBE VT2 \u3d UVD0,6 \u1d XNUMX V, possiamo presumere che la tensione di uscita dello stabilizzatore sia uguale alla tensione di stabilizzazione del diodo zener VDXNUMX. Coefficiente di stabilizzazione (Kst) stabilizzatore Kst \uXNUMXd (ΔUin / ΔUout) (Uout / Uin), dove ΔUin e ΔUout sono rispettivamente gli incrementi di tensione all'ingresso e all'uscita dello stabilizzatore; quasi uguale al diodo zener Kst VD1. Il coefficiente di temperatura della tensione (TKV) dello stabilizzatore è approssimativamente uguale al TKN del diodo zener VD1, poiché le giunzioni TKN p-n dei transistor e dei diodi al silicio sono le stesse e hanno un valore di circa -2mV / ° С, e dal espressione per la tensione di uscita si può vedere che sono reciprocamente sottratti. L'impedenza di uscita dello stabilizzatore Rout = ΔUout / ΔIN dove ΔIN - incremento della corrente di carico; dipende principalmente dal guadagno del transistor VT1 e dal valore selezionato del limite di corrente di uscita (lorp). La corrente di limitazione dello stabilizzatore viene impostata selezionando un resistore R2, la cui resistenza determina il rapporto R2 = (UVD1-UBE VT2) / IE VT2, dove UBEVT2 = 0,6 V; IE VT2 - la corrente di emettitore del transistor VT2, che è approssimativamente uguale alla corrente di base del transistor VT1 (IB VT1). La corrente di base del transistor VT1 è correlata alla corrente di uscita dello stabilizzatore dall'espressione IBVT1 \u21d Ivyx / h1E VTXNUMX. così puoi scrivere R2 \u1d (UVD0,6-21 V) h1E VTXNUMX / lorp. Per garantire la minima caduta di tensione, la corrente Iorp viene scelta non inferiore a (2 ... 3) In. Le principali caratteristiche dello stabilizzatore, testato con diversi diodi zener, sono riportate in tabella. 1.
Per tutte le opzioni: transistor VT1 - serie KT3107 (h21E = 230); transistor VT2 - serie KT3102 (h21E = 200); diodi VD2, VD3 - KD103A; il consumo di corrente dello stabilizzatore (senza carico) è di 8...10 mA con Uin = 2Uout; Rout = 2,0 Ohm a In = 20 mA; Iorp = 60...70 mA; Ikz = 20 mA; Kst è stato determinato a Uin = 2Uout. La caduta di tensione minima ΔUmin = Uout - Uout viene determinata come segue (Fig. 10): Uout dello stabilizzatore viene misurato a Uin = 2Uout e corrente di carico nominale (in questo caso 20 mA), quindi Uin viene ridotto a Uout e il nuovo viene misurato il valore Uout La differenza tra queste tensioni è il parametro più importante di uno stabilizzatore economico progettato per il funzionamento a batteria. Con un approccio più rigoroso, questo parametro non può essere chiamato minima caduta di tensione; tale definizione è piuttosto condizionale. La caduta di tensione minima attraverso lo stabilizzatore dipende dalla diminuzione ammissibile della tensione di uscita, che può variare a seconda della natura del carico, ma il metodo proposto per misurare ΔUmin è più conveniente e versatile, in quanto consente di confrontare i parametri di diversi stabilizzatori senza tener conto dei requisiti di un particolare carico.
Va notato che questo parametro dipende fortemente dalla corrente di carico, nonché dal livello di limitazione della corrente di uscita e dalla qualità del diodo zener. Quando si utilizzano diodi zener con una grande caduta di tensione nella regione a bassa corrente (KS133A, KS139A, KS147A, KS156A), anche con una corrente di carico inferiore a 20 mA, non è possibile ottenere ΔUmin inferiore a 0,6 V. Da tavola. 1 mostra che le caratteristiche dello stabilizzatore sono piuttosto mediocri, soprattutto quando si stabilizza la bassa tensione, e dipendono quasi completamente dai parametri della sorgente di tensione di riferimento (ION), realizzata sotto forma di un semplice stabilizzatore parametrico (R1VD1). La tensione esemplare è scelta troppo alta, è uguale alla tensione di uscita dello stabilizzatore, quindi, quando Uin scende a Uout, la corrente attraverso il diodo zener diminuisce bruscamente, il che porta a una diminuzione della tensione al diodo zener e, di conseguenza, all'uscita. La corrente del diodo zener, selezionata con metodi convenzionali, è irragionevolmente grande rispetto sia alla corrente di base del transistor VT2 che alla corrente di carico, quindi l'efficienza dello stabilizzatore è piuttosto bassa. Per migliorare le caratteristiche dello stabilizzatore è necessario prima di tutto migliorare i parametri dello ION riducendo la tensione di riferimento e il consumo di corrente, inoltre, per migliorare Kst, è necessario stabilizzare la corrente di alimentazione del diodo zener. È possibile ridurre la tensione esemplare al diodo zener VD1 aumentando la caduta di tensione attraverso il diodo VD3: invece di un diodo al silicio, è necessario utilizzare LED, ad esempio, la serie AL102 con una caduta di tensione diretta di circa 1,7 V. Qui Uout dallo stabilizzatore è superiore a quello esemplare di circa 1,1 V. L'uso di diodi zener o stabistori a bassa tensione è indesiderabile, poiché ciò peggiora i parametri dello stabilizzatore. Per stabilizzare la corrente che scorre attraverso il diodo zener VD1, invece del resistore R1, è possibile utilizzare un transistor ad effetto di campo (vedi Fig. 6, b). Poiché a Uin = Uout la caduta di tensione attraverso lo stabilizzatore di corrente è di 1,1 V, quindi per ottenere un piccolo valore di ΔUmin, il transistor ad effetto di campo deve avere Uots < 0,V5 V. Questo requisito complica la selezione del transistor, poiché i tipi più adatti di transistor ad effetto di campo hanno Uots > 1 V (negli alimentatori di rete questo problema è praticamente assente). Se un qualsiasi diodo al silicio a bassa potenza è collegato in serie con il LED della serie AL102, quindi con un leggero deterioramento dei parametri, è possibile utilizzare transistor ad effetto di campo con Uots fino a 1,2 V. la formula per la tensione di uscita assume la seguente forma : Uout = UVD1 + 1,7V. Per avviare in modo affidabile lo stabilizzatore, con una corrente di alimentazione ridotta del diodo zener VD1, è necessario collegare un altro diodo in serie al diodo VD2. Ciò è dovuto al fatto che con una corrente inferiore a 1 mA, la caduta di tensione attraverso il diodo VD2 (al momento dell'accensione o dopo l'eliminazione del cortocircuito) può essere inferiore alla tensione base-emettitore del Transistor VT2, necessario per aprirlo e avviare lo stabilizzatore (soprattutto a basse temperature). Se la corrente di cortocircuito è troppo elevata, uno di questi diodi può essere sostituito con germanio (serie D9, DZ10, ecc.). Una versione migliorata dello stabilizzatore con uno stabilizzatore di corrente basato su un transistor ad effetto di campo KP303B (Uots = 0.B4 V) è stata testata con diversi tipi di diodi zener a due valori di corrente lVD1. Si ottengono i seguenti risultati: Kst = 50...100; ΔUmin non superiore a 0,14 V a IÍ = 20 mA e non superiore a 0,20 V a lÍ = 30 mA; Rotta = 2,0 Ohm; Ipotr (senza carico) non più di 0,7 mA; Ikz a Uin = 2Uout non più di 50 mA (diodi VD2 e VD3 - KD103A e Ilimit = 65...100mA). La tensione di uscita a diversi valori di corrente attraverso il diodo zener e la resistenza dei resistori (R1 è il resistore nel circuito sorgente del transistor ad effetto di campo) sono presentati in Tabella. 2.
Con i diodi zener a bassa tensione KS119A, KS133A, KS139A, KS147A, nonché con i LED, è necessario utilizzare uno stabilizzatore di corrente (vedere Fig. 6, c). Qui puoi usare transistor ad effetto di campo più comuni con Uots> 1 V (Uots dovrebbe essere leggermente inferiore alla tensione di stabilizzazione del diodo zener VD1 alla corrente minima). I parametri dello stabilizzatore che utilizzano i suddetti diodi zener sono approssimativamente gli stessi del precedente, ma il TKN viene spostato verso valori positivi di 2 ... 3 mV / ° С. L'uso di diodi zener per una tensione più elevata non è pratico a causa del deterioramento di Kst e ΔUmin. Come compromesso, è consentito utilizzare una versione combinata (Fig. 11). Per migliorare il feedback, nel circuito sorgente del transistor VT1 è incluso un resistore R1 con una resistenza tale che, alla corrente selezionata del diodo zener VD1, sul resistore si crea una caduta di tensione di 0,5 V. Il transistor VT1 è selezionato dalla condizione Uots < UstVD1 +0,3 V. restringendo l'intervallo per regolare la tensione di uscita con una resistenza costante del resistore R1, poiché è necessario che la tensione cada ai suoi capi quando la corrente di stabilizzazione cambia è compresa tra 0,3 ... 0,9 v.
I parametri delle varie versioni dello stabilizzatore, progettati per una corrente limite di 60 ... 90 mA a una corrente di carico di 20 mA, sono riportati in Tabella. 3. Consumo di corrente (senza carico) - non più di 0,7 mA. Corrente di cortocircuito a Uin = 2Uout - non più di 50 mA. La resistenza del resistore R1 è di 24, 12 e 3,3 kOhm per la corrente di alimentazione del diodo zener VD1, rispettivamente pari a 20, 40 e 150 μA. Un intervallo di regolazione della tensione di uscita più lungo è fornito da stabilizzatori assemblati utilizzando un analogo di un diodo zener su due (vedi Fig. 7) e tre (vedi Fig. B) transistor. La tensione di uscita minima di questi stabilizzatori è Uots + 1,6 V. Il valore massimo (2...3)Uots + 1,6 V è limitato dal deterioramento del TKN.
La corrente di stabilizzazione (Ist) dell'analogo del diodo zener dipende dalla resistenza del resistore R1 (vedi Fig. 7, B) e dalla tensione di ingresso. Gli stabilizzatori sono testati per una corrente di carico di 20 mA con transistor ad effetto di campo di vario tipo a vari valori della tensione di uscita, impostati utilizzando un resistore variabile con una resistenza di 1,0 MΩ nel circuito sorgente. Sono stati ottenuti i seguenti risultati (a Uin = 2Uout, R1 = 120 kOhm, Ist = 35...70 µA): Icon (senza carico) non più di 0,6 mA; Rotta = 2,0 Ohm; Ilimite = 60...90 mA. Finora sono state considerate opzioni di stabilizzazione (vedi Fig. 9), riguardanti solo il miglioramento dello ION R1VD1, ma va notato che anche l'uso di un diodo zener "ideale" non consente a Kst di essere superiore a 200 . .. 300 senza migliorare il secondo ION - R2VD3. Il modo più semplice per migliorare è utilizzare uno stadio di amplificazione aggiuntivo sul transistor VT3 (Fig. 12), che consente di ottenere Kst nell'intervallo 200 ... 500 aggiungendo solo due parti: un resistore e un transistor. La resistenza del resistore R3 è determinata dal rapporto: R3 \u0,6d 4 / lVD4, dove lVD4 è la corrente selezionata del diodo zener VD5, che deve essere almeno 10 ... 3 volte la corrente di base massima del transistor VT3 (IBVT3). Viene determinata la corrente di base massima: IB VT21 \u1d Ik vtz / h2E \u21d UVD3 / R3 h1E, dove IKVT1 è la corrente massima del collettore del transistor VTXNUMX; UVDXNUMX - tensione al diodo zener VDXNUMX.
Nella sorgente di tensione di riferimento R1VD1 possono essere utilizzati eventuali diodi zener e stabilizzatori con UCT da 1,5 V a circa Uout - 0,7 V (meglio se Ust - Uout / 2). Negli stabilizzatori a bassa tensione a bassa potenza, il coefficiente di stabilizzazione più elevato si ottiene quando si utilizzano diodi a emissione di luce visibile (VD1). Il coefficiente di temperatura della tensione dello stabilizzatore è determinato principalmente dalla somma algebrica (tenendo conto del segno) del TKN del transistor VT3 e del diodo zener VD4. Il TKN della transizione base-emettitore del transistor ha un valore negativo (circa - 2,0 mV / ° C), quindi, quando si utilizzano diodi zener con un TKN positivo (serie D814, KS510A, ecc.), il TKN dello stabilizzatore è inferiore a quella del diodo zener. L'uso di diodi zener a bassa tensione con un TKN negativo per costruire uno stabilizzatore economico a bassa potenza è indesiderabile a causa dell'aumento del TKN totale negativo dello stabilizzatore, che in alcuni casi raggiunge fino a -6,0 mV / ° C. Va ricordato che la maggior parte dei diodi zener con TKN vicino a 0 a una corrente superiore a 3,0 mA (KS156A, KS162A, KS170A, serie D818, ecc.) e inferiore a 0,1 mA hanno un TKN negativo aumentato. L'uso di un analogo di un diodo zener su due transistor con retroazione aperta (chiude in questo caso attraverso tutti gli stadi dello stabilizzatore) consente di migliorare quasi tutti i parametri dello stabilizzatore, anche se un diodo zener VD1 con un basso Viene utilizzato Kst (Fig. 13). La tensione di uscita dello stabilizzatore può essere regolata dal resistore R3 nell'intervallo da Uotc vt4 + 0,6 a 2 ... 3 Uotc vt4. I parametri principali di varie varianti dello stabilizzatore (Fig. 13) in diverse posizioni del motore a resistenza variabile R3 (diversi valori della tensione di uscita), in cui il transistor VT4 - KP302A (Uotc \u1,96d 102 V) e il LED AL1A (VD6) sono riportati in Tabella. 3107. Invece di un transistor della serie KT1 (VT200), in una versione più potente dello stabilizzatore (corrente di carico 837 mA), è stato utilizzato un transistor KT21V (h120E = 1). Corrente del diodo Zener VD1 (IVD2) misurata a UBX = XNUMXUout.
L'uso di un analogo a transistor di un diodo zener invece del diodo VD3 (vedi Fig. 9) non esclude l'applicazione simultanea delle raccomandazioni sopra descritte per migliorare lo ION R1VD1. Se usi uno stabilizzatore di corrente per alimentare lo ION, puoi ottenere Kst circa 1000 anche con un diodo zener KS1ZZA. In questo caso non è necessario regolare la corrente di stabilizzazione e modificare la tensione sul diodo zener VD1, poiché ciò ha scarso effetto sulla tensione di uscita dello stabilizzatore. Per evitare l'autoeccitazione in stabilizzatori di questo tipo, è sufficiente accendere condensatori di ossido all'uscita dello stabilizzatore, con una capacità di diverse decine di microfarad, e condensatori ceramici, circa 0,1 μF. Se ciò non bastasse, un condensatore con una capacità da diverse centinaia di picofarad a diverse decine di nanofarad è collegato tra i terminali della base e del collettore del transistor VT3 (Fig. 13) (la capacità minima richiesta dipende dalla potenza del stabilizzatore). ST nei regolatori alimentati a batteria difficilmente vale la pena senza un miglioramento significativo del TKN, poiché le fluttuazioni della tensione di uscita associate alle variazioni della temperatura ambiente saranno molto maggiori di quelle associate alle variazioni della tensione di alimentazione. Negli alimentatori di rete è consentito utilizzare circuiti con un KST elevato, se ciò è dettato dalla necessità di ottenere un'ondulazione minima di una tensione stabilizzata. È possibile aumentare il coefficiente di stabilizzazione a 1500 ... 3000 utilizzando un analogo di un diodo zener su tre transistor (Fig. 14).
Alcuni parametri di tale stabilizzatore, testati con una corrente di carico di 20 mA a una corrente limite di 70 ... 90 mA, sono riportati in Tabella. 7.
Corrente di consumo - non più di 0,6 mA, Rout. - circa 0,1 Ohm, ΔUmin - non più di 0,14 V. Il TCR dello stabilizzatore (Fig. 14) è quasi completamente dipendente dal TCR dell'analogo del diodo Zener e può raggiungere -1,5 mV/°C. L'uso di un FET con una tensione di interruzione inferiore migliorerà leggermente il TCR. Con un aumento della tensione di riferimento relativa a UOTC (con un potenziometro nel circuito sorgente), il TKN dell'analogo del diodo zener si sposta verso valori positivi. Lo stesso risultato può essere ottenuto riducendo la corrente attraverso il transistor ad effetto di campo VT5 aumentando la resistenza totale dei resistori R4 e R5. La stabilizzazione attuale (vedi Fig. 6, b o 6, c) del diodo Zener VD1 consente di ottenere un coefficiente di stabilizzazione superiore a 5000. In assenza di transistor con un elevato coefficiente di trasferimento di corrente, specialmente in potenti stabilizzatori, viene utilizzato un transistor di regolazione composito. Sulla fig. 15 mostra una di queste opzioni. Uno stabilizzatore con un transistor di regolazione composito ha una caratteristica. In assenza di corrente di carico, la corrente consumata da esso è trascurabile; a una corrente di carico prossima al massimo, quasi non differisce dal consumo di corrente delle precedenti modifiche degli stabilizzatori.
Ad esempio, una variante di un potente stabilizzatore con un transistor di regolazione KT837V (h21E \u120d 300): Kst \u500d \u0,1d XNUMX ... XNUMX, Rout. = XNUMXohm, U fuori. \u6,4d 1,9 V, Ilimite \u12d 300 A; con una tensione di ingresso di 1,0 V al minimo, consuma una corrente non superiore a 30 μA. Con una corrente di carico di XNUMX A, il consumo di corrente aumenta a XNUMX mA. Una variante di uno stabilizzatore a bassa potenza con una corrente limite di 80 mA (Kst = 500 ... 700, Rout = 1 Ohm), consuma non più di 60 μA al minimo. Con una corrente di carico di 25 mA, il consumo di corrente aumenta a 400 μA. A tavola. 6 mostra alcuni altri parametri delle due varianti di stabilizzatori.
Ciò non è limitato a tutte le opzioni per l'aggiornamento dello stabilizzatore preso come base (vedi Fig. 9) al fine di aumentare l'efficienza e migliorare altri parametri. In particolare, in alcuni casi, per ridurre ΔUmin, è utile utilizzare il collegamento in parallelo di più transistor con resistori livellatori di corrente nei circuiti di base invece di un transistor di regolazione. Utilizzando gli ION microcorrenti, è possibile aggiornare con successo anche altri tipi di stabilizzatori. Le tabelle delle caratteristiche degli stabilizzatori fornite nell'articolo non sono esempi di calcolo ottimale e garanzie di completa coincidenza dei risultati quando ripetuti a causa dell'ampia diffusione dei parametri dei diodi zener e dei transistor ad effetto di campo. Queste tabelle sono utili per analizzare le tendenze generali nello sviluppo degli stabilizzanti e possono servire come base per la loro selezione. Varie opzioni di stabilizzatore sono progettate per una corrente di carico di 20 mA per un facile confronto dei parametri principali. Per lo stesso motivo, la maggior parte dei parametri è stata misurata a UBX = 2U out. Se necessario, gli stabilizzatori possono essere ricalcolati per una diversa corrente di carico. Ad esempio, nella tabella. 6 e 8 mostrano i parametri per la costruzione di stabilizzatori per una corrente di carico di 2,5, 200 mA e 0,5 A. Poiché gli schemi elettrici forniti nell'articolo sono abbastanza universali, essi, così come nelle tabelle, potrebbero non avere informazioni specifiche su eventuali elementi . In questo caso, vengono scelti o calcolati in modo indipendente, guidati dalle regole generali e dalle raccomandazioni contenute nell'articolo.
Per migliorare il funzionamento degli stabilizzatori a temperature elevate o quando si utilizzano transistor con un'elevata corrente di collettore inversa, si consiglia di collegare un resistore tra l'emettitore e la base del transistor di regolazione con una resistenza di diverse unità a diverse decine di kilo-ohm, a seconda il potere dello stabilizzatore. Nonostante l'articolo descriva stabilizzatori che pretendono di essere economici, il valore di efficienza specifica non è indicato da nessuna parte, poiché questo parametro dipende dal rapporto specifico della tensione di ingresso e di uscita e varia in un ampio intervallo, aumentando con la tensione al terminali della batteria diminuisce. Letteratura
Autore: V.Andreev, Togliatti
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