Напряжение в схеме постоянного тока может быть непостоянным из-за пульсаций, вызванных изменениями нагрузки (например падение напряжения после запуска двигателей). А стабилизатор напряжения — схема, поддерживающая постоянное напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения (в диапазоне, когда входное напряжение выше стабилизированного напряжения). В этой статье мы изучим различные типы стабилизаторов напряжения и прежде всего возьмём стабилитрон, который является простейшим стабилизирующим элементом.
Стабилитрон: а) графическое обозначение (А — анод, К — катод); b) образец детали
Принцип работы стабилитрона будет рассмотрен на примере радиоэлемента, у которого напряжение стабилизации Uz = 4,7 В, а допустимая мощность P = 1,3 Вт. По формуле легко рассчитать допустимый ток, который может протекать через него:
Imax = P / U
Imax = 1,3 Вт / 4,7 В
Imax = 276 мА
Теперь проследим, как ведет себя деталь в следующей схеме:
Принципиальная схема цепи, состоящей из источника питания B1, резистора R1 и стабилитрона D1
Первоначально стандартным источником питания будет аккумуляторная сборка, обеспечивающая общее напряжение около 6 В. Начнем с расчета сопротивления резистора R1:
R1 = UB1 / Imax
R1 = 6 В / 276 мА
R1 = 21,7 Ом
Резистор R1 ограничит максимальный ток, который может протекать в цепи и достигнуть стабилитрона, что защитит его от повреждений.
Расчет резистора проводим с учетом: мощности стабилитрона, напряжения питания и тока, который должен протекать в цепи. Предположим что ток, протекающий в цепи, меньше максимального, например, I = 30 мА, то есть I = 0,03 А, напряжение стабилитрона Uz = 4,7 В, питание UB1 = 6 В.
R1 = UB1 — Uz / I
R1 = (6 В — 4,7 В) / 0,03 А = 43,3 Ом
Проследим как изменится напряжение в цепи при постепенном снижении напряжения питания UB1.
- UB1 > Uz. Напряжение питания UB1 имеет значение 6 В и превышает номинальное напряжение стабилитрона 4,7 В. Тем не менее, вольтметр покажет напряжение, близкое к напряжению стабилитрона, то есть 4,7 В. Это связано с тем, что падение напряжения на элементе может достигать его напряжения стабилизации, которое в данном случае составляет 4,7 В. Обратите внимание, что диод на схеме подключен наоборот, то есть в обратном направлении. Как мы знаем о диодах, они не проводят ток, если они подключены таким образом, но стабилитрон является исключением, и он должен делать это, если подаваемое на него напряжение выше, чем напряжение стабилизации. UB1 > Uz значит через диод течет электричество.
- UB1 = Uz. Напряжение питания UB1 равно номинальному напряжению стабилитрона с 4,7 В. Падение напряжения на нём равно напряжению питания UB1 = Uz = 4,7 В. Стабилитрон ведет себя как любой другой диод и не проводит электричество (точнее, проводит минимальный ток). На вольтметре получаем напряжение, близкое к напряжению питания UB1 = 4,7 В.
- UB1 < Uz. Напряжение питания UB1 = 3 В и ниже номинального напряжения стабилитрона, которое составляет 4,7 В. Падение напряжения на диоде равно напряжению питания UB1 = Uz = 3 В. Стабилитрон ведет себя как любой другой диод и не проводит ток, потому что входное напряжение намного ниже стабилизированного. На вольтметре получаем напряжение, близкое к напряжению питания UB1 = 3 В.
Теперь перейдем к основной теме статьи — стабилизатору напряжения. У нас есть стабилизатор 7805. Первые две цифры говорят, что это стабилизатор для положительного напряжения, а следующие две определяют напряжение, которое получаем на выходе. Этот стабилизатор выглядит так:
Стабилизатор 7805 в корпусе ТО-220
На фото стабилизатор напряжения в корпусе ТО-220. А на схеме далее изображена внутренняя часть стабилизатора из документации:
Принципиальная схема стабилизатора напряжения 7805
Схема выглядит довольно сложной. Стабилизатор 7805 — это не какой-то один электронный элемент (например, транзистор или конденсатор), а целая радиосхема, состоящая из резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов. Но нет необходимости вникать в его структуру, для нас важнее как это работает, сосредоточимся на этом.
Стабилизатор 7805 в корпусе ТО-220 имеет 3 ножки:
- INPUT — вход для подключения к плюсу питания
- GND — земля, которая подключается к минусу блока питания
- OUTPUT — выход, также соединенный с плюсом питания
Схематический рисунок из даташита скажет что куда:
Стабилизатор 7805: а) фрагмент документации о размерах и выводах стабилизатора; b) схема стабилизатора с разметкой выводов
Из теории знаем, что в созданной схеме, например, в радиоуправляемой машинке, могут возникать колебания напряжения, вызванные включением и выключением двигателей.
График, показывающий колебания напряжения во времени
Стабилизатор предназначен для компенсации этих падений, так что компоненты, расположенные за ним, получают напряжение без изменений.
У стабилизатора есть свои ограничения. Чтобы он начал работать, необходимо минимальное падение напряжения между выходом (напряжение на выводе OUTPUT) и входом (напряжение, приложенное к выводу INPUT). Этот параметр (падение напряжения) обычно обозначается символом Udo, и можем проверить его в примечании к документации.
Фрагмент документации на стабилизатор 7805, показывающий его характеристики
Из таблицы видно, что падение напряжения (обозначенного здесь как Vd) требуется разница минимум в 2 В между выходом и входом стабилизатора.
Еще один важный параметр стабилизатора — максимальное входное напряжение.
Фрагмент документации на стабилизатор 7805 с указанием предельно допустимых параметров
Максимальное напряжение, которое можем подать на стабилизатор 7805, составляет Vin = 35 В, а наименьшее 7 В, что является результатом параметра падения напряжения, то есть требуемой разницы в 2 В между напряжением подаваемым на вход стабилизатора и получаемым на его выходе.
Теперь перейдем к тому, как подключить стабилизатор к какой-нибудь схеме. Надо поставить его в непосредственной близости от конденсаторов:
Схема цепи, состоящей из источника напряжения (B1), стабилизатора напряжения (7805) и конденсаторов (C1, C2, C3, C4)
На схеме к источнику питания B1 подключены стабилизатор 7805 и 4 конденсатора: два из них (C1 и C4) — керамические конденсаторы емкостью 100 нФ, два других (C2 и C3) — электролитические конденсаторы емкостью 100 мкФ.
Электролитические конденсаторы имеют полярность, и подключение их к схеме наоборот может закончиться взрывом, поэтому помечаем их на схеме двумя прямоугольниками: пустой внутри — положительный полюс и закрашенный — отрицательный.
Керамический конденсатор, как и резистор, не является полярным элементом, поэтому его можно подключать к схеме любым способом. Это отражено в его символе на схеме — двух параллельных линиях.
Спросите почему стабилизатор окружен конденсаторами? Роль стабилизатора заключается в поддержании постоянного напряжения на выходе независимо от нагрузки, подключенной к схеме, а также колебаний напряжения на входе, так называемых пульсаций. Кроме того, внутренняя структура стабилизатора очень сложна, и это причина, по которой могут быть самовозбуждения.
Это звучит странно — элемент, на который подается напряжение и чья роль заключается в стабилизации этого напряжения, возбуждает сам себя, вызывая его изменение. Но факт остаётся фактом.
Шумы иногда (не всегда) возникающие за стабилизатором напряжения, могут иметь разную частоту. Высокочастотный шум подавляется керамическими конденсаторами, а низкочастотный — электролитическими.
Подключим компоненты на макетной плате по схеме, состоящей из источника напряжения (B1), стабилизатора напряжения (7805) и конденсаторов (C1, C2, C3, C4).
Стандартный источник питания — блок на 4 аккумулятора. Для этого лучше всего подойдут новые, полностью заряженные батареи, потому что стабилизатору требуется как можно большая разность потенциалов между стабилизированным напряжением выхода и напряжением питания.
Конденсаторы C1 и C4 — керамические емкостью 100 нФ (обозначение на корпусе: 104), а конденсаторы C2 и C3 — электролитические конденсаторы емкостью 100 мкФ.
Фотография сборки на макетной плате, согласно схеме выше
Если измеряем напряжение между IN стабилизатора и землей (GND), то получим значение, близкое к напряжению питания:
Измерение напряжения между ножками стабилизатора: IN и GND
Если измерим напряжение между ножкой стабилизатора OUT и землей (GND), то получим напряжение равное напряжению стабилизации:
Измерение напряжения между стойками стабилизатора: OUT и GND
Подключим сюда красный светодиод (между OUT и GND).
Принципиальная схема, состоящая из источника питания (B1), стабилизатора (7805), конденсаторов (C1, C2, C3, C4), резистора (R1) и светодиода (D1)
Рассчитаем сопротивление резистора на напряжение 5 В:
UR1 = Uout — UD1
UR1 = 5 В — 2,1 В
UR1 = 2,9 В
R1 = UR1 / I
R1 = 2,9 В / 20 мА
R1 = 145 Ом
Резистор R1 должен иметь сопротивление 145 Ом, поэтому будем использовать резисторы стандартные на 100 Ом и 47 Ом.
Сборка на монтажной плате, по схеме выше
Если бы красный светодиод был подключен непосредственно к источнику питания, ему потребовался бы резистор не менее 195 Ом. Между тем, он подключен за стабилизатором с резисторами с общим сопротивлением 147 Ом, что является лучшим доказательством того, как работает стабилизатор.
Стабилизатор напряжения — это схема, которая поддерживает постоянное напряжение на выходе независимо от изменений напряжения на входе.
Теперь попробуем сделать схему с транзисторами, которая будет поддерживать постоянную выходную силу тока независимо от подключенной нагрузки (конечно в допустимых пределах).
Схема из источника напряжения B1, резисторов R1, R2, потенциометра P1, транзисторов T1 и T2 и светодиода D1
Принцип работы следующий: Ток течет от источника питания B1, который проходит через LED D1 (вместо него можем подключить любую другую нагрузку). Затем ток протекает через переход коллектор-эмиттер T1. Резистор R2 подбирается таким образом, чтобы через транзистор Т1 протекал максимальный (ожидаемый) ток, когда транзистор Т2 выключен. Ток, протекающий от транзистора T1, проходит через резистор R1 и потенциометр P1. Их значения выбраны таким образом, чтобы ток, протекающий через них, открывал транзистор Т2 в зависимости от настройки регулятора Р1.
Вернемся к току протекающему с резистора R2 — он разделяется и часть идет на базу транзистора T1, но большая часть проходит через транзистор T2 (когда он включен). Ток, протекающий через T1, вызывает падение напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1, который питает базу транзистора T2. Ток протекает через транзистор T2 — через переход коллектор-эмиттер, который также ограничивает ток, протекающий к базе транзистора T1, и это вызывает уменьшенное протекание тока через переход коллектор-эмиттер транзистора T1, и в то же время уменьшение тока протекающего на базу Т2.
В какой-то момент между двумя транзисторами установится состояние равновесия, следствием чего будет постоянный ток, протекающий к элементам, нагружающим схему (в данном случае светодиод D1). Изменение (увеличение или уменьшение) нагрузки приведет к установлению нового состояния равновесия, следствием чего будет ток, протекающий через нагрузку с той же интенсивностью, что и раньше.
Далее перейдем к выбору соответствующих параметров, используемых в схеме компонентов.
Источником питания B1, как обычно, является холдер с 4 батареями, общее напряжение которых составляет около 6 В.
Чтобы произвести какие-либо расчеты, сначала сделаем некоторые исходные предположения: допустим минимальный ток подаваемый на нагрузку должен быть Imin ~ 3 мА (приближение является результатом сложности выполнения точных расчетов).
Оба транзистора BC548B (типа NPN). Согласно их описанию, при напряжении Ube = 0,77 В, транзистор переходит в насыщение, и дальнейшее повышение напряжения не влияет на ток коллектора.
Принимая во внимание сделанное предположение относительно минимального тока и предполагая Ube для T2 = 0,7 В, выберем резистор R1:
R1 = Ube T2 / Imin
R1 = 0,7 В / 0,003 А
R1 = 233 Ом
Сопротивление резистора R1 предполагается равным 233 Ом, но помните, что это приблизительный результат (не учитывали падение напряжения на транзисторе, параллельно включенном потенциометре и так далее). И у нас нет такого резистора в комплекте, поэтому будем использовать стандартный 220 Ом.
Рассмотрим 2 крайних случая положения ручки потенциометра P1:
1. Ползунок замкнут накоротко на плюсовую ножку, как показано на схеме ниже:
Принципиальная схема стабилизатора тока; красная стрелка указывает падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т2, равное 0,7 В
В этом положении ручки напряжение между базой и эмиттером T2 Ube составляет 0,7 В, и вся схема работает по описанному выше принципу — ток, протекающий через один из транзисторов, влияет на протекающий ток через другой, пока не установится состояние равновесия.
2. Ползунок замкнут накоротко на массу, как показано на схеме:
Схема стабилизатора; красная стрелка отмечает падение напряжения 0 В между базой и эмиттером транзистора Т2; б) схема цепи стабилизации тока без транзистора Т2, который в этом положении ручки потенциометра отключен
В этом положении ручки потенциометра разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора T2 составляет 0 В. Как известно, для работы транзистора это напряжение должно быть не менее 0,58 В. В этой ситуации транзистор выключен, и цепь следует рассматривать так, как будто ее там нет. Из-за того что Т2 не включен, ничто не запускает работу транзистора Т1, поэтому схема не работает как стабилизатор тока.
Вернемся к расчетам: полное сопротивление (R P1R1 ) потенциометра P1 и резистора R1, которые рассматриваем как обычные резисторы включенные параллельно, составляет:
R P1R1 = (R1 x P1) / (R1 + P1)
R P1R1 = (220 Ом x 10000 Ом) / (220 Ом + 10000 Ом)
R P1R1 = 2200000 / 10220
R P1R1 = 215 Ом
Предположили, что минимальный ток должен быть 3 мА. Теперь также нужно определить его максимум.
Если к схеме не подключена нагрузка и если не принимать во внимание сопротивление резистора R2 и падение напряжения на транзисторе T1, максимальный ток который может протекать в схеме, составляет:
Imax = U B1 / R P1R1
Imax = 6 В / 215 Ом
Imax = 28 мА
Но мы не получим такой ток из-за пропущенного в расчетах сопротивления R2 и падения напряжения на транзисторе T1. Поэтому для дальнейших расчетов будем считать что Imax будет немного меньше, а именно 20 мА.
Максимальное падение напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1 составляет:
U P1R1 = Imax x R P1R1
U P1R1 = 20 мА x 215 Ом
U P1R1 = 4,3 В
Давайте посмотрим на транзистор T1. Разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора T1, то есть Ube T1, будет суммой падения напряжения Uf T1, необходимого для включения (проводимости), и падения напряжения на резисторе R1 и потенциометре P1, подключенном после транзистора:
Ube T1 = Uf T1 + U P1R1
Ube T1 = 0,7 В + 4,3 В
Ube T1 = 5 В
Его коэффициент усиления (также известный как hfe ) может составлять от 200 до 450:
Фрагмент даташита транзистора BC548B, определяющий его параметры: коэффициент усиления (h FE), напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (V CE(sat)) и напряжение база-эмиттер (V BE)
Для дальнейших расчетов будем использовать средний коэффициент усиления b = 325.
Давайте выберем сопротивление резистора R2, предполагая, что схема не подключена к нагрузке, а величина тока протекающего к базе транзистора T1, должна обеспечивать максимальный ток, протекающий через переход коллектор-эмиттер для нашей схемы, то есть ранее рассчитанный Imax = 20 мА.
I BT1 = I CT1 / b
I BT1 = 20 мА / 325
I BT1 = 61,5 мкА
Падение напряжения на резисторе R2 определяется путем вычитания разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора T1 (Ube T1) из напряжения источника питания (U B1).
U R2 = U B1 — Ube T1
U R2 = 6 В — 5 В
U R2 = 1 В
Нужно только рассчитать сопротивление резистора R2:
R2 = U R2 / I BT1
R2 = 1 В / 61,5 мкА
R2 = 16,260 кОм
Теперь перейдем к сборке на макетке схемы, где:
- T1 = T2 — транзистор BC548B NPN;
- Резисторы R1 = 220 Ом;
- R2 = резисторы 10 кОм, 3,9 кОм, 2,2 кОм;
- P1 — потенциометр 10k;
- D1 — красный светодиод.
Схема стабилизации тока на транзисторах
Сборка схемы на монтажной плате без подключенной нагрузки
Рассмотрим ток протекающий через амперметр, когда поднесем его щупы ближе к месту подключения нагрузки — коллектору транзистора T1 и плюсу питания, когда ручка потенциометра повернута максимально:
Измерение тока с максимальным поворотом ручки потенциометра на массу
Но помните, что на данном этапе он не действует как стабилизатор!
Измерение минимального тока с максимальным поворотом ручки потенциометра на плюс питания
Измеренный минимальный ток немного ниже предполагаемого (3 мА), но помните, что это результат исключения параметров некоторых компонентов из-за сложности точных расчетов.
Теперь подключим к схеме один красный светодиод — ручка потенциометра закручена в плюс, чтобы не повредить LED:
Стабилизатор тока с нагрузкой — один красный светодиод
Какой будет ток, если замерить его, закоротив ножки светодиода с помощью амперметра и между диодом и коллектором транзистора Т1?
Измерение тока, щупы амперметра прикладываются: а) к обеим ножкам светодиода; b) между отрицательной ногой светодиода и коллектором транзистора
Почему измеренный ток не равен? Измерение, показанное на фотографии, было выполнено путем прикладывания щупов амперметра к контактам светодиода, подключенного к схеме. В этой ситуации большая часть тока будет проходить через амперметр, но небольшая часть — через светодиод. На рисунке более короткая ножка диода не имеет связи с коллектором транзистора Т1, оба этих элемента соединены щупами амперметра, через которые протекает весь ток.
Подключим еще один светодиод:
Схема стабилизации тока нагрузки — два красных светодиода; b) измерение силы тока, протекающего между ножкой второго светодиода и коллектором транзистора
Попробуем далее с тремя красными светодиодами:
Схема стабилизации тока — три красных светодиода; b) измерение силы тока, протекающего между ножкой третьего светодиода и коллектором транзистора
Ток, измеренный амперметром, остался прежним, хотя свет от светодиодов становится слабее.
Можем ли тогда подключить четвертый и последующий светодиод? Конечно, можете попробовать сделать это как часть опыта. Но помните, что батарея имеет напряжение только 6 В. Падение напряжения на каждом из диодов составляет 2,1 В. Чтобы подключить еще один светоизлучающий диод или просто другую бОльшую нагрузку, увеличьте напряжение подаваемое в схему. К сожалению, это также потребует замены резисторов или транзисторов, поэтому схему необходимо будет пересчитать.
Вот примеры практического применения такого стабилизатора:
- регулируемый ограничитель тока для блоков питания (даже короткое замыкание не повредит компоненты);
- зарядка или разрядка аккумуляторов постоянным током;
- драйвер питания светодиодов.
В общем со стабилизаторами всё гораздо проще, чем кажется на первый взгляд. И хорошо запомнив эту информацию вы станете ещё на один шаг ближе к электронике и радиолюбительству!
