Для стабилизации напряжения питания нагрузки нередко пользуются простейшим стабилизатором — параметрическим (рис. 1)
, в котором питание от выпрямителя поступает через балластный резистор, а параллельно нагрузке включают стабилитрон.
Подобный стабилизатор работоспособен при токах нагрузки, не превышающих максимального тока стабилизации для данного стабилитрона. А если ток нагрузки значительно больше, пользуются более мощным стабилитроном, например, серии Д815
, допускающим ток стабилизации 1…1,4 А
.
При отсутствии такого стабилитрона подойдет маломощный, но использовать его нужно в паре с мощным транзистором, как показано на рис. 2.
В итоге получается аналог мощного стабилитрона, обеспечивающий на нагрузке достаточно стабильное напряжение даже при токе 2 А
, хотя максимальный ток стабилизации указанного на схеме стабилизатора КС147А
составляет 58 мА
.
Это намного ниже напряжения пробоя стабилизатора диода, поэтому он не будет «разрушаться» и не проводить ток. В этом отношении при этом низком напряжении диод не будет работать, даже если он будет предвзятым! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. По крайней мере, 6 вольт должны быть сброшены, чтобы «активировать» его.
Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и наблюдения наличия или отсутствия достаточного напряжения для его проведения является звуковой. Просто потому, что стабилитрон подключается в цепи, не гарантирует, что полное напряжение стабилитрона всегда будет сброшено на него! Помните, что стабилитроны работают, ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут компенсировать недостаток напряжения.
Работает аналог так. Пока питающее напряжение, поступающее от выпрямителя, меньше напряжения пробоя стабилитрона, транзистор закрыт, ток через аналог незначительный (прямая горизонтальная ветвь вольт- амперной характеристики аналога, приведенной на рис. 4
). При увеличении питающего напряжения стабилитрон пробивается, через него начинает протекать ток и транзистор приоткрывается (изогнутая часть характеристики) Дальнейшее увеличение питающего напряжения приводит к резкому росту тока через стабилитрон и транзистор, а значит, к стабилизации выходного напряжения на определенном значении (вертикальная ветвь характеристики), как и в обычном параметрическом стабилизаторе.
Эффект стабилизации достигается благодаря тому, что в режиме пробоя стабилитрон обладает малым дифференциальным сопротивлением и с коллектора транзистора на его базу осуществляется глубокая отрицательная обратная связь. Поэтому при уменьшении выходного напряжения будет уменьшаться ток через стабилитрон и базу транзистора, что приведет к значительно большему (в h 21Э
раз) уменьшению коллекторного тока, а значит, к увеличению выходного напряжения. При увеличении же выходного напряжения будет наблюдаться обратный процесс.
значение стабилизированного выходного напряжения определяют суммированием напряжения стабилизации стабилитрона с напряжением эмиттерного перехода открытого транзистора (»
0,7 В
для кремниевого транзистора и »
0,3 В
для германиевого). Максимальный же ток стабилизации аналога будет практически в h 21Э
раз превышать такой же параметр используемого стабилитрона. Соответственно во столько же раз будет больше и мощность рассеивания на транзисторе по сравнению с мощностью на стабилитроне.
Из приведенных соотношений нетрудно сделать вывод, что статический коэффициент передачи мощного транзистора должен быть не менее частного от деления максимального тока потребления нагрузки к максимальному току стабилизации стабилитрона. Максимально допустимый ток коллектора транзистора и напряжение между коллектором и эмиттером должны превышать соответственно заданный ток стабилизации аналога и выходное напряжение.
При использовании транзистора структуры р-п-р
его следует подключать в соответствии с приведенной на рис. 3
схемой. В этом варианте транзистор можно укрепить непосредственно на шасси питаемой конструкции, а остальные детали аналога смонтировать на выводах транзистора.
Для снижения пульсаций выходного напряжения и уменьшения дифференциального сопротивления аналога параллельно выводам стабилитрона можно включить оксидный конденсатор емкостью 100…500 мкФ
.
В заключение немного о температурном коэффициенте напряжения (ТКН)
аналога. При использовании прецизионных стабилитронов серий Д818, КС191, ТКН
аналога будет значительно хуже ТКН
стабилитрона. Если применен стабилитрон с напряжением стабилизации более 16 В, ТКН
аналога будет примерно равен ТКН
стабилитрона, а со стабилитронами Д808 — Д814 ТКН
аналога улучшится. 
Таким образом, любая цепь стабилитронного диода будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки будет равно или больше некоторого минимального значения. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, это приведет к слишком большому току, уменьшив слишком большое напряжение на резисторе, снижающем уровень, оставив при этом напряжение на стабилитроне. Когда стабилитрон останавливает ток, он больше не может регулировать напряжение, а напряжение нагрузки падает ниже точки регулирования.
Тем не менее, наша схема регулятора с уменьшающим резистором 100 кОм должна быть хорошей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это допустимое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в цепи двух резисторов, введя известные значения общего сопротивления напряжения и сопротивления резистора и рассчитывая для ожидаемого напряжения нагрузки 6 вольт.
При переделке компьютерных импульсных блоков питания (далее – ИБП) под зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, готовые изделия необходимо чем-то нагружать. Сначала это была старая аккумуляторная батарея с автомобильной лампой 12В 40/45Вт.
Переделанные ИБП держались под максимальной нагрузкой в течении дня. Но после изготовления десятого устройства аккумулятор умер, замкнули между собой пластины. Попытка нагружать ИБП мощными лампами или резисторами не радовала, так как при различных токах нагрузки на выходе получаем различное напряжение, не удобно настраивать ИБП.
При использовании 4-вольтов через резистор падения и сопротивление 100 кОм в нем ток через него составит 324 мкА. Будучи последовательной схемой, ток равен всем компонентам в любой момент времени. Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым вопросом Закона Ома, давая нам 889 кОм.
Таким образом, если сопротивление нагрузки составляет ровно 889 кОм, на нем будет 6 вольт, диод или диод. Любое сопротивление нагрузки менее 889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 6 вольт, диоду или без диода. При наличии диода напряжение нагрузки будет регулироваться до 6 вольт при любом сопротивлении нагрузки более 889 кОм.
Поэтому принято решение изготовить аналог мощного стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации!
Схема и описание конструкции
Резистором R6 можно регулировать напряжение стабилизации от 6 до 16 В.
Было изготовлено два таких устройства. В первом варианте в качестве транзисторов VT1 и VT2 применены КТ803, но внутреннее сопротивление было слишком велико, так при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 8 А – 16 В.
При первоначальном значении 1 кОм для понижающего резистора наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки до 500 Ом. Мы видим компромисс между рассеянием мощности и допустимым сопротивлением нагрузки. Ускоряющий резистор с более высокой эффективностью уменьшил рассеивание мощности за счет повышения допустимого значения минимального сопротивления нагрузки. Если мы хотим отрегулировать напряжение для низкоомных нагрузочных сопротивлений, цепь должна быть подготовлена для работы с более высокой рассеиваемой мощностью.
Во втором варианте использованы составные транзисторы КТ827, так при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 10 А – 12,4 В.
Коллекторы транзисторов VT1 и VT2 электрически можно соединить с корпусом. Вентилятор М1 служит для охлаждения радиатора, на котором установлены транзисторы VT1 и VT2, при замыкании контактов выключателя SA1 увеличивается производительность вентилятора. Светодиод HL1 служит для индикации работы устройства.
Зенеровские диоды регулируют напряжение, действуя как дополнительные нагрузки, притягивая более или менее ток по мере необходимости, чтобы обеспечить постоянное падение напряжения на нагрузке. Это аналогично регулированию скорости автомобиля путем торможения, а не изменением положения дроссельной заслонки: это не только расточительно, но и тормоза должны быть сконструированы для управления всей мощностью двигателя, когда условия движения не требуют этого. Несмотря на эту фундаментальную неэффективность конструкции, цепи стабилитронного диода широко используются из-за их простоты.
Само устройство собрано в корпусе от компьютерного блока питания, использован штатный вентилятор М1, транзисторы VT1 и VT2 установлены на радиаторе площадью не менее 250 см кв. Диод VD1 на ток 10 – 20 А служит для защиты схемы от переполюсовки. Стабилитрон VD1 на напряжение стабилизации 3 – 6 В.