Схемотехника стабилизаторов напряжения (СН) постоянного тока весьма разнообразна. Чем лучше характеристики этих устройств, тем, как правило, сложнее их конструкция. Начинающим больше всего подходят несложные в схемотехническом отношении стабилизаторы напряжения. Предлагаемые варианты построены на базе схемы стабилизатора рис.1.

Несмотря на предельную простоту схемы, она весьма надежна в эксплуатации. Такой СН приходилось использовать в самых разнообразных ситуациях. Он имеет ограничение по току нагрузки, что весьма выгодно, так как позволяет обойтись без дополнительных элементов. Максимальный ток в нагрузке определяется сопротивлением резистора R3. При уменьшении сопротивления этого резистора величина тока короткого замыкания (Iк.з) увеличивается и, наоборот, увеличение сопротивления этого резистора приводит к уменьшению Iк.з, а значит, и к уменьшению максимального рабочего тока СН (обычно этот ток находится в пределах (0,5...0,7)1кз). При закорачивании выводов резистора R3 величина тока Iк.з не имеет явного ограничения, поэтому короткое замыкание (КЗ) в нагрузке СН приводит в этом случае к порче транзисторов СН. Этот режим эксплуатации в дальнейшем рассматривать не будем. При выборе тока Iк.з руководствуются областью безопасной работы (ОБР) транзистора VT2. Таким образом, СН, собранный всего на 11 компонентах, вполне можно применять для питания различной аппаратуры при потреблении тока до нескольких ампер. Итак, достоинства СН по рис.1:

1) возможность оперативной регулировки выходного стабилизированного напряжения практически от нулевого до напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2 посредством переменного резистора R2;

2) возможность изменения тока Iк.з (для этого достаточно вместо R3 установить проволочный переменный резистор типа ППЗ сопротивлением 470 Ом);

3)легкость запуска схемы (нет необходимости в специальных элементах запуска, которые так часто нужны в других схемах СН);

4) возможность простыми способами резко улучшить характеристики СН.

Еще одно немаловажное обстоятельство. Поскольку коллектор мощного регулирующего транзистора VT2 соединен с выходом (плюсовой шиной) СН, то можно закрепить этот элемент непосредственно на металлическом корпусе блока питания (БП). Несложно сконструировать и двуполярный СН по этой схеме. При этом нужны отдельные обмотки сетевого трансформатора и выпрямители, зато коллекторы мощных транзисторов обеих плеч СН можно установить на шасси БП. Теперь о недостатках, проявляющихся из-за предельной схемотехнической простоты СН. Главный из них - невысокое значение коэффициента стабилизации напряжения (КСН), который обычно не превышает нескольких десятков. Невысоким является также и коэффициент подавления пульсаций. Определяющее влияние на выходное сопротивление СН оказывает коэффициент передачи тока базы примененных экземпляров транзисторов VT1 и VT2. Кроме того, выходное сопротивление сильно зависит от тока нагрузки. Поэтому в данный СН нужно устанавливать транзисторы с максимальным усилением. Некоторым неудобством является то, что выходное напряжение можно регулировать не от нуля, а приблизительно от 0,6 В. Но в большинстве случаев это несущественно. На рынке имеется выбор мощных БП, которые весьма схемотехнически «наворочены», поэтому дороги и требуют больших затрат времени при ремонте. Схема СН по рис.1 позволяет создавать как маломощные БП, так и простые лабораторные без особых затрат времени и средств даже на их изготовление, не говоря уже о ремонтных операциях. Путем несложных доработок СН по рис.1 удалось значительно улучшить параметры этого устройства. Прежде всего, необходимо модернизировать схему параметрического стабилизатора на­пряжения (элементы R1, VD1, VD2) и в качестве транзистора использовать составной, например, по схеме Дарлингтона. Очень хорошо подходят транзисторы «супербета» типа КТ825 (лучше применять 2Т825). Выходное сопротивление СН для составных транзисторов снижается и не превышает 0,1 Ом (для одиночного транзистора схемы рис.1 выходное сопротивление больше 0,3 Ом в диапазоне токов нагрузки 1...5 А), а при использовании транзистора КТ825 выходное сопротивление можно снизить до 0,02...0,03 Ом в диапазоне токов нагрузки 3...5 А. При установке транзистора типа КТ825 в СН следует в обязательном порядке увеличить сопротивление ограничительного резистора R3. Если этого не сделать, то величина Iк.з будет практически неограниченной, и при КЗ в нагрузке транзистор КТ825 выйдет из строя. При такой модернизации данная схема СН отлично подходит для питания всевозможных УМЗЧ, приемников, магнитофонов, радиостанций и т.п. Если нет в наличии транзистора КТ825, то СН можно выполнить по схеме рис.2.

Ее основное отличие состоит в добавлении одного транзистора КТ816 и в многократном увеличении сопротивления резистора R4. Эту схему можно применять для питания миниэлектродрели при сверлении отверстий в печатных платах. Поэтому используется не весь возможный диапазон регулирования выходного стабилизированного напряжения, а лишь участок в пределах 12... 17 В. В этом интервале обеспечивается оптимальное регулирование мощности на валу двигателя дрели. Резистор R3 устраняет возможность работы транзистора VT1 с отключенной базой при нарушении контакта между движком переменного резистора R2 и его графитовым покрытием. Возможно использование и проволочного резистора R2, такие резисторы более долговечны, чем графитовые. Ток Iк.з для R4 -20 кОм составляет 5 А, для R4 - 10 Ом - 6,3 А, для R4 - 4,7 Ом - 9 А. Если соединить два транзистора КТ8102 параллельно (рис.3), то при R4 " 4,7 кОм Iк.з = 10 А.

Таким образом, включение в схему дополнительного транзистора КГ816 позволило не только улучшить характеристики СН, но и уменьшить токи через элементы VD4, R4 и VT1. Последнее обстоятельство позволяет применить в качестве VT1 транзистор с большим коэффициентом передачи тока, например, КТ3102Д(Е). А это, в свою очередь, улучшит качество работы СН. Так, например, при сопротивлении резистора R3 = 75 Ом СН рис.1 имел ток значение Iк.з 5,5 А, для R3 " 43 Ом 1к.з ~ 7 А и т.д. Как видим, сопротивления резисторов-ограничителей тока 1к.з получаются слишком низкоомными для больших токов нагрузки. При этом имеет место снижение КПД СН и перегрев резистора R3, а также значительный ток через диод VD3 для СН. Дальнейшее улучшение характеристик СН можно получить изменением схемотехники параметрического стабилизатора (элементы R1, VD1, VD2 в схемах рис.1 и 2). Улучшить параметры этого узла можно по схеме рис.4.

На транзисторе VT1 собран генератор стабильного тока (ГСТ). Поскольку транзистор VT1 включен по схеме с общей базой, схема весьма склонна к самовозбуждению на высоких частотах. Самовозбуждению способствует также отсутствие конденсатора, шунтирующего стабилитроны VD3 и VD4. Поэтому в схему рис.4 такой конденсатор введен (С1). Результаты измерений для схемы рис.4 приведены в табл.1

Таблица 1

Uвx, В
20
25
30

Uвых, В
17,56
17,57
17,57

Iст, мА (VD2, VD3)
8,23
9,11
10,03

Ua, В (VD1)
3,18
3,27
3,43

Ict,mA(VD1)
5,56
7,16
8,82

Более совершенная схема показана на рис.5, а результаты измерений для нее приведены в табл.2.

Таблица 2
Uвx, В
20
25
30

Uвых, В
17,56
17,57
17,57

1сг, мА (VD3, VD4)
9,91
10,01
10,01

Ua, В (VD1)
3,4
3,43
3,43

Iст,мА (VD1)
4,6
4,6
4,61

Нетрудно заметить, что улучшение КСН весьма существенно при незначительном усложнении схемы. Недостатком простейших схем ГСТ является невысокий коэффициент стабилизации по току (особенно это касается биполярных вариантов ГСТ). И связано это, в первую очередь, с нестабильностью опорного напряжения, т.е. напряжения стабилизации стабилитрона VD1 (см. рис.4 и 5 в РЭ 9/2001). Ведь при изменении Uвx изменяется и ток через стабилитрон VD1, а это обязательно приводит к изменению напряжения на стабилитроне VD1. Последнее обстоятельство непременно вызывает изменение тока ГСТ и, безусловно, напряжения на выходе ИОН (элементы VD2, VD3 - рис.4 и VD3, VD4 - рис. 5). Это явление передается дальше по схеме, что и вызывает резкое уменьшение КСН стабилизатора. ИОН по схеме рис. 5 состоит уже из двух отдельно взятых ГСТ. Второй из них собран на полевом транзисторе VT2. Этот ГСТ стабилизирует ток через стабилитрон VD1, практически устраняя изменение напряжения на последнем (см. табл. 2). Этим обеспечивается резкое увеличение КСН этого ИОН. Стабилитрон VD2 повышает надежность схемы при увеличении напряжения Uвx. Дополнительно стабилизации тока через стабилитроны Д818Е добивались включением еще одного "полевика" в схему ИОН (рис. 6).

Этот полевой транзистор включен в цепь эмиттера транзистора VT1, что в несколько раз повышает стабильность тока. При токе через стабилитроны Д818Е, равном 10 мА, согласно ТУ, имеем наилучшую термостабильность напряжения ИОН. Имея набор простых схем ИОН, можно очень быстро собирать конструкции БП с очень даже неплохими характеристиками и, самое главное, с высоким соотношением цена/качество. Схема простого лабораторного БП показана на рис. 7.

БП содержит устройство "мягкого* включения в сеть. В этом случае мы обязательно выигрываем в сроке службы дорогостоящих элементов БП (сетевой трансформатор, фильтрующий конденсатор и диоды выпрямителя, последние, хоть и дешевой ценовой категории, но их "вылет* повлечет за собой вероятность отказов и других радиокомпонентов). При подключении БП к сети сетевой трансформатор Т1 оказывается включенным через сопротивление мощного резистора R2. Это многократно уменьшает броски тока через элементы Т1, СЗ, VD1 - VD4. Через несколько секунд срабатывает реле К1 и своими контактами К1.1 замыкает резистор R2. Теперь БП уже полностью подготовлен к эксплуатации. Схема "мягкого" запуска собрана на элементах: R1, R2, VD5-VD8, VD9, С2 и К1. Время задержки подключения Т1 к сети определяется величиной емкости электролитического конденсатора С2 и сопротивле­нием обмотки реле К1 постоянному току. С увеличением емкости и сопротивления указанных элементов, задержка по времени возрастает. Резистор R1 является надежным ограничителем тока через конденсатор С1 и диодный мостик VD5-VD8. Стабилитрон предохраняет конденсатор С2 и реле К1 от экстренного повышения напряжения на этих элементах (при обрыве обмотки реле К1, например, без стабилитрона, конденсатору С2 явно будет угрожать отказ из-за резкого возрастания напряжения на его выводах). Все остальные узлы СН уже описаны выше, поэтому в комментариях не нуждаются. О деталях. В данном БП и в других анало­гичных конструкциях я использовал транзисторы КТ8102 с явно сниженным значением максимального напряжения коллектор-эмиттер Uкэ). Величину Uкэmах, измерял специально разработанным для этих целей измерителем [1]. Отбирал транзисторы КТ8102 для УМЗЧ, но, к сожалению, среди приобретенных транзисторов больше всего было экземпляров со сниженным Uкэmах. Вот эти то "горе”- транзисторы и устанавливались в БП. В схеме этого БП можно применять мощные транзисторы с Uкэ-тах>35 В (минимальный запас всегда должен быть). Вместо транзистора КТ816 можно установить КТ814. Транзистор типа КТ801 можно заменить любым кремниевым транзистором с Uкэ30 В и Ik>0,1 А. Транзистор VT2 – КТЗ107 с любым буквенным индексом или КТ361 (Б, Т, Е). Полевой транзистор типа 2П303Д (КП303Д) можно заменить любым из этой серии (В, Г, Д, Е,И) с начальным током стока (Iснач) 3мА. Если решено обойтись без полевых транзисторов, то лучше воспользоваться ИОН по схеме рис. 8.

В этой схеме стабилизация напряжения, но стабилитроне VD1 производится вторым ГСТ, собранным на транзисторе VT2. Резисторы R2 и R3 - антипаразитные. Вместо стабилитрона КС133 можно установить КС147 или 5-7 шт. последовательно включенных экземпляров кремниевых диодов, например, КД521, 522, Д220, Д223 и т.д. Число диодов можно и сократить, но при этом придется уменьшать и сопротивление токостабилизирующего резистора в цепи эмиттера транзистора КТ3107К. А это вызовет ухудшение стабильности тока ГСТ. Вместо КС133 устанавливали также и три последовательно соединенных светодиода типа АЛ307, но можно и другие. Поскольку в этой схеме ГСТ ток через них стабилизирован, то и напряжение будет стабильным (о температурных эффектах пока не идет речь). А вот замена стабилитронов Д818Е на Д814 и другие, им подобные, приведет к ухудшению термостабильности ИОН. Поэтому и выбраны стабилитроны типа Д818Е, обладающие малой величиной температурного коэффициента напряжения (ТКН). Если особых требований по ТКН не предъявляется, то в схеме можно применять весьма широкий ассортимент стабилитронов. Стабилитрон VD11 заменить на Д814 А,Б), КС175 и т.п., а VD9 можно заменить на Д816В. Кремниевые диоды Д223 заменить любыми аналогичными. Диоды мощного выпрямителя VD1- VD4 заменить любыми другими с Uoбp>100 В, например, КД213. Эти диоды устанавливали на трех теплоотводах (два диода - на одном радиаторе). Площадь двух меньших по размером теплоотводов 16 см2 (AL, 40x40 мм), третьего 32 см2 (80x40 мм). Диоды мостика VD5-VD8 - любые с Uобр > 400 В и Iпрям > 0,3 А, к примеру, КЦ401Г, КУ402 (А, Б; В, Ж, И), КЦ405 (А, Б, В, Ж, И), КЦ407А и т.д. Переменные резисторы R4, R10 и R11 - любых типов. Вполне допустимо изменение номиналов этих резисторов (для R4 - уменьшение до 2,2 кОм). При уменьшении сопротивления резисторе R4 придется увеличивать ток ГСГ. Резисторы R13 и R14 позволяют устанавливать требуемое значение тока Iк.з. Мощные проволочные эмиттерные резисторы R5-R7 изготовлены из нихромовой проволоки с погонным сопротивлением около 0,056 Ом/см. Мощный проволочный резистор типа ПЭВ-10. Его можно заменить параллельным включением резисторов, например, МЛТ-2Вт (5-6 шт. сопротивлением 3...3,3 кОм и т.д.). Реле - РКМ1, исполнение РС4-503.861, сопротивление обмотки постоянному току - 500 Ом. В схеме рис. 7 использованы конденсаторы: С1, С4, С6 - типа К73-17; С2 - К50-16; СЗ - К50-18; С5, С7 - К50-12. В особо ответственных местах схемы «электролиты» зашунтированы неэлектролитическими конденсаторами. Если БП будут использовать для питания ВЧ устройств, то выход СН желательно зашунтировать дополнительными конденсаторами, например, слюдяными (КСО). И конечно, все конденсаторы в этой схеме БП могут быть любых типов с соответствующими параметрами. О трансформаторе 77. В качестве сетевого трансформатора использован перемотанный ТС-200. Напряжение, но вторичной обмотке 22 В, провод ПЭВ-2 диаметром 1,45 мм. Предохранитель FU - самодельный. Он изготовлен из отрезка медного одножильного проводника (можно обычный провод) 0,23 мм и длиной 30 мм (пайка). В качестве теплоотвода для транзисторов КТ8102 использован штатный радиатор от старого усилителя «УЭМИ-50». Если нет необходимой площади теплоотвода ( 2000 см2), то поступают следующим образом. Для изготовления корпуса БП использован листовой металл (дюраль или алюминий). При размерах корпуса 40x20x11 см охлаждающая поверхность только верхней съемной крышки порядка 1240 см2. Такой теплоотвод весьма эффективен; один из транзисторов закреплен и на нижней части корпуса (днище, шасси). Мощные транзисторы закрепляют на отдалении друг от друга. Если их два, то разделяют общую длину верхней части корпуса (в донном случае это 62 см) на три равные части. На расстоянии 20 см и располагают эти мощные транзисторы (на одной линии и в средней части кожуха). Изменив полярность всех полупроводниковых приборов и электролитических конденсаторов в схеме БП на обратную, получают возможность установки в схему СН и мощных распространенных N-P-N транзисторов типов: КТ802, КТ803, КТ805, КТ808, ЮГ812 и т.д., так поступают, когда нужно сконструировать двуполярный БП. Вольтметр и амперметр на схеме не показаны. Когда нужен ток в нагрузке СН более 5 А (имеется ввиду длительная эксплуатация БП в таких режимах), то в качестве трансформатора Т1 применяют ТС-270 (ТСА-270). Вторичную обмотку наматывают проводом диаметром 1,8-2 мм, что позволяет "вытягивать" из трансформатора ток 6-8 А и более (до 12 А), выбирают 1к.з. - 20 А.

О налаживании. Без ошибок собранная конструкция БП из исправных радиокомпонентов функционирует фазу же после вклю­чения в сеть. Необходимо лишь подобрать требуемые сопротивления резисторов R3 и R9. Первый из них определяет ток ГСТ. Необходимо установить ток через стабилитроны VD12 и VD13, ровный 10 мА Резистором R9 устанавливают ток Iк.з. в пределах 5-10 А. Некоторые экземпляры КТ8102 очень склонны к самовозбуждению (особенно при “размашистом” монтаже). Наличие генерации обнаруживают подключением осциллографа к выходу СН. При этом конденсаторы С6 и С7 временно отпаивают от СН. Исправная схема СН не возбуждается и без них, но, если генерация на ВЧ имеет место, то без этих элементов его легче обнаружить. В цепь базы генерирующего транзистора (это, как правило, один из транзисторов VT3-VT5) включают низкоомный резистор сопротивлением 5-10 Ом, а еще лучше - дроссель индуктивностью более 60 мкГц. Чрезмерное сопротивление в цепи ба­зы ухудшит характеристики СН (Rвыx возрастет). Печатная плата для данного БП приведена на рис. 9, со стороны печатных проводников - на рис 10.

В плате предусмотрены две технологические перемычки, предназначенные специально для измерения тока через транзисторы VT1 и VT2 (разрезать печатные проводники не понадобиться). Печатная плата схемы “мягкого” включения показана на рис 11 и 12. Реле расположено вне платы. Чтобы из-за монтажа не повысилось Rвыx, провод, ведущий к клемме "минус” выхода СН, припаивают непосредственно к минусовой обкладке конденсатора С3. К схеме СН этот вывод С3 припаян отдельным проводником. При выборе емкости этого конденсатора руководствуются правилом: 1000-2000 мкФ на каждый ампер нагрузочного тока. Конденсаторы С6 и С7 припаяны непосредственно к контактным лепестком выходных зажимов БП. О возможности модернизации СН. Первое и самое главное: для улучшения характеристик СН необходимо раздельное питание для ИОН и СН. При этом используют отдельную обмотку (или трансформатор) со своими выпрямителями. Это позволяет не только повысить КСН ИОН и всей схемы СН, но и уменьшить количество витков обмотки II мощного выпрямителя, так как выходное напряжение 16,7 В СН достигается при напряжении II обмотки трансформатора Т1 17,5 В. Этим разгружают по мощности регулирующие транзисторы VT3-VT5. При длительной эксплуатации СН с током в нагрузке 5 А применяют также и принудительное охлаждение (обдув малогабаритным вентилятором), особенно, если теплоотводы размещены внутри перфорированного корпуса БП. Можно использовать отводы обмотки II с переключением и "привязкой" к резистору R4, но, как показывает практика, это очень неудобно при эксплуатации БП. Кстати, полевые транзисторы в схемах ГСТ можно включать параллельно для получения требуемого тока ГСТ, чтобы не утруждать себя подбором этих проводов. Очень хорошие результаты получаются при использовании схемы ИОН рис. 8, в котором резисторы R1 и R4 заменили на ГСТ рис 6 (эмиттерный ГСТ - VT3). При этом стабилитроны VD1 (КС133А, рис. 8) заменяют на Д818Е, а Uвx повышают до 35 В и более. На вход этого ИОН подают стабилизированное напряжение с простейшей схемы параметрического стабилизатора напряжения (типовая структура - транзистор - стабилитроны - резистор - два конденсатора). Десятки СН, описанных выше, находятся в эксплуатации уже многие годы, доказав этим свою надежность при питании самых разнообразных РЭС.

Электрик №9 2001г стр. 6