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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE stabilisateurs économiques. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Parasurtenseurs Sans entrer dans une analyse détaillée des avantages et des inconvénients des différents principes de conversion et de stabilisation de tension, l'auteur de l'article partage son expérience dans le développement de stabilisateurs de tension simples et économiques avec un transistor bipolaire comme élément de régulation. Une grande attention est accordée au choix d’une source de tension de référence. L'article fournit des tableaux avec les résultats des tests de divers stabilisants, facilitant ainsi le choix de l'option appropriée. Pour obtenir un rendement élevé des dispositifs radioélectroniques alimentés par des cellules ou des batteries galvaniques et nécessitant une tension stabilisée, en plus du bon choix de la tension d'alimentation et du type d'éléments, il est important de sélectionner un stabilisateur économique approprié qui assure le fonctionnement le plus long possible. de l'appareil sans remplacer les sources d'alimentation. Un stabilisateur économique (à haut rendement) est celui qui remplit simultanément deux conditions : premièrement, il doit avoir une faible consommation de courant par rapport au courant de charge ; deuxièmement, avoir une chute de tension minimale admissible aux bornes de l'élément de commande. Dans la littérature, il existe souvent des descriptions de stabilisateurs économiques, dans lesquelles les auteurs se concentrent sur la réduction de la consommation de courant du stabilisateur lui-même et n'attachent pas beaucoup d'importance au fait que pour son fonctionnement normal, la tension d'entrée doit dépasser la tension de sortie de au moins 1,5...2 V. Lorsqu'il est alimenté par des piles, cette circonstance joue un rôle primordial. Des calculs simples montrent qu'une diminution de l'efficacité des stabilisateurs se produit précisément en raison de la dissipation d'énergie sous forme de chaleur sur le transistor de commande, et ces pertes sont directement proportionnelles à la chute de tension. En général, un stabilisateur est un diviseur de tension réglable, où un transistor est utilisé comme élément de régulation, dont la conductivité modifie l'élément de commande. Dans les stabilisateurs économiques, l'élément de commande doit fournir un courant de base suffisant au transistor de régulation avec une autoconsommation minimale. Ce courant est généré en comparant la tension de sortie avec une tension de référence. Il est important de choisir correctement la source de tension de référence (RVS), dont les paramètres déterminent les caractéristiques du stabilisateur : coefficient de stabilisation (Kt), coefficient de température de tension (VTC), rendement, etc. Le transistor de régulation doit maintenir une tension de sortie stable lorsque la tension d'alimentation diminue jusqu'à une valeur minimale dépassant légèrement la tension de sortie nominale du stabilisateur. La différence minimale entre les tensions d'entrée et de sortie, à laquelle le stabilisateur peut encore maintenir la tension de sortie nominale, dépend également du schéma de connexion du transistor de commande [1]. SOURCES DE MICROPUISSANCE DE TENSION DE RÉFÉRENCE Le circuit ION le plus simple est obtenu en utilisant des diodes Zener, dont le choix est assez large, mais dans la pratique, des difficultés surviennent souvent en raison de la dispersion de la tension de stabilisation des diodes Zener du même type et du faible rendement lors de l'alimentation de dispositifs de micro-alimentation. Il est généralement admis que les diodes Zener ne conviennent pas pour fonctionner à des courants inférieurs à 0,5...1 mA. Cela est vrai dans le cas où il est nécessaire d'obtenir un résultat garanti sans perdre de temps à vérifier et à sélectionner des diodes Zener adaptées. Cependant, la plupart d'entre eux peuvent fonctionner à un courant inférieur, fournissant des paramètres acceptables pour un courant de charge ne dépassant pas plusieurs dizaines de microampères. Pour le vérifier, il suffit de tracer les dépendances des paramètres de la diode Zener non pas sur une échelle linéaire, comme cela se fait dans la plupart des ouvrages de référence, mais sur une échelle logarithmique. En figue. 1 à 3 montrent les dépendances de la tension de stabilisation (UCT) et de la résistance différentielle (Rd) sur le courant de stabilisation (lCT) sur l'échelle indiquée.
Étant donné que les paramètres des diodes Zener sont caractérisés par une grande dispersion, les dépendances de la tension de stabilisation sur le courant pour les diodes Zener KS133A, KS147A, KS156A, KS168A sont des caractéristiques moyennes (Fig. 1). Pour les diodes Zener de la série D814, qui présentent une diffusion particulièrement forte à des courants inférieurs à 200...300 μA, les graphiques sont des zones ombrées (Fig. 2), construites sur la base d'une généralisation des caractéristiques de plusieurs (jusqu'à cinq ) diodes Zener de chaque type. Le petit nombre de diodes Zener testées ne permet pas de tirer des conclusions revendiquant une plus grande précision, mais certaines tendances générales sont tout de même visibles. Des tests ont montré que pour les diodes Zener des séries D808 - D811, D813, D814 et D818, avec un courant décroissant, la tension de stabilisation diminue initialement légèrement, mais à un courant inférieur à 200...300 μA, dans certains spécimens, elle devient imprévisiblement basse. . Pour les diodes Zener basse tension KS133A, KS147A, KS156A, avec un courant décroissant, la tension de stabilisation diminue de manière monotone sans creux brusques. Le graphique des diodes Zener KS133A et KS147A (Fig. 3) est une ligne presque droite montrant la dépendance inversement proportionnelle de la résistance différentielle au courant. Réduire le courant de 1000 32 fois, par exemple de 32 mA à 1000 μA, entraîne également une augmentation de Rd de 10 10 fois - de XNUMX Ohms à XNUMX kOhms. Les diodes Zener avec une tension de stabilisation de 5,6...7 V et un courant supérieur à 3 mA ont une résistance différentielle plus faible. Lorsque le courant diminue jusqu'à un certain niveau, Rd de ces diodes Zener augmente fortement et, avec une nouvelle diminution, il ne diffère pas beaucoup de Rd des diodes Zener à basse tension. Les diodes Zener D814A - D814D ont également une faible résistance différentielle à courant élevé, mais à un courant inférieur à 200...300 μA, Rd de certaines diodes Zener peut avoir une valeur beaucoup plus grande que celle des diodes basse tension. Des expériences avec plusieurs copies de diodes Zener (KS510A, KS512A, KS515A, KS518A) ont montré que la plupart d'entre elles ont de bonnes caractéristiques de stabilisation sur toute la plage de variations de courant jusqu'à 3...5 μA, mais elles sont conçues pour stabiliser des tensions de plus inférieure à 10 V. Leur particularité est un niveau de bruit accru à des courants inférieurs à 300 µA. Un paramètre ION tel que le coefficient de température de tension ne doit pas être sous-estimé, car il peut provoquer des phénomènes désagréables tels qu'un changement de fréquence de l'oscillateur local ou une erreur accrue de l'appareil de mesure lorsque la température ambiante change. Le TKN des diodes Zener avec UCT=5...6,8 V (KS156A, KS168A, etc.) avec une diminution du courant jusqu'à 100 μA et moins se déplace vers des valeurs négatives et peut augmenter jusqu'à -2,5 mV/°C [2 ]. Diodes Zener à compensation de température des séries D818, KS191, etc. à un courant inférieur à 1 mA, ils perdent leurs propriétés de précision en raison d'un TKN négatif accru. Parmi les diodes Zener de la série D814, certains spécimens ne conviennent pas au fonctionnement en mode faible courant (moins de 0,3...0,4 mA) en raison d'une forte diminution de la tension de stabilisation avec une diminution de la température. Pour la plupart des autres types de diodes Zener, à mesure que le courant diminue, le TKN ne change pas de manière aussi visible, mais la tendance générale est un déplacement du TKN vers des valeurs négatives. L'analyse des caractéristiques des diodes Zener à faible courant permet de tirer les conclusions suivantes. Presque tous les types de diodes Zener sont tout à fait applicables en mode faible courant, mais seulement après des tests préliminaires. Dans ce cas, vous devez choisir les cas dans lesquels la tension de stabilisation change moins à mesure que le courant d'alimentation diminue. Les diodes Zener avec UCT < 7 V (KS133A, KS139A, KS147A, KS156A, KS168A) peuvent être utilisées dans les ION avec un courant d'alimentation réduit pouvant atteindre plusieurs dizaines de microampères. Le coefficient de stabilisation des diodes Zener KS133A, KS139A et KS147A est presque indépendant du courant, mais a une faible valeur (6...10), et la tension de stabilisation diminue de manière monotone avec la diminution du courant et à une valeur de 50 μA peut être de 1,5. ..2 fois moins qu'à 5...10 mA. Cette circonstance permet de réguler la tension de stabilisation dans certaines limites en modifiant le courant, mais il est souhaitable de stabiliser le courant pour augmenter le CCT [3]. Le coefficient de stabilisation des diodes Zener KS156A et KS168A diminue jusqu'à 8...15 lorsque le courant diminue, ce qui peut également nécessiter l'utilisation d'une stabilisation de courant. Lorsque le courant diminue jusqu'à 50 μA, la tension de stabilisation diminue de 1,2 à 1,5 fois. Les diodes Zener avec UCT=7,5...14 V (séries D808, D814 et D818, etc.) sont applicables en ION à des courants allant jusqu'à 0,4...0,5 mA avec une légère détérioration des paramètres ; à une valeur inférieure à 0,4 mA, les caractéristiques peuvent se détériorer, mais plus de la moitié des diodes Zener testées de ce type avaient des paramètres acceptables lorsque le courant était réduit à 80...100 μA. Une bonne alternative aux diodes Zener, notamment en mode faible courant, sont les LED [4] à rayonnement visible (UCT=1,5...2 V en connexion directe) et les jonctions base-émetteur [5-7] de transistors en silicium de faible puissance. (UCT=4. ..10 V lors de la mise sous tension en marche arrière). Ils offrent un CCT plus élevé et peuvent fonctionner même si le courant de stabilisation est inférieur à 20 μA, et la tension de stabilisation des LED en mode faible courant est tout à fait prévisible. Dans l'ION, vous pouvez utiliser non seulement des jonctions p-n de diodes et de transistors, mais également des transistors à effet de champ utilisés comme stabilisateur de courant (Fig. 4a). La tension de référence est supprimée de la résistance dans le circuit source [8]. À 10 µA, cette tension est égale à la tension de coupure (UOTC) du FET. La valeur du courant circulant dans le transistor à effet de champ est sélectionnée en modifiant la résistance de la résistance dans le circuit source. Le principal inconvénient des transistors à effet de champ est la grande variation de la tension de coupure des dispositifs du même type, même au sein d'un même lot (boîtier), ce qui rend dans la plupart des cas impossible leur utilisation sans mesurer au préalable ce paramètre et sélectionner un transistor approprié.
Pour mesurer l'UOTC, il est nécessaire de connecter un microampèremètre au drain du transistor, et un voltmètre en parallèle à la résistance (Fig. 4b). À l'aide d'une résistance variable, réglez le courant de drain sur 10 μA et mesurez la chute de tension aux bornes de la résistance (ou entre la grille et la source) à l'aide d'un voltmètre à haute résistance. Cette tension peut être considérée comme la tension de coupure. Il est plus pratique de sélectionner des transistors si vous les insérez dans un connecteur approprié de petite taille auquel sont soudés les fils d'autres appareils. En figue. La figure 5 montre la dépendance de la tension source sur le courant de drain pour plusieurs transistors à effet de champ. Les graphiques montrent que lorsque le courant passe de 1 à 150...200 μA, la tension à la source de la plupart des transistors ne change pas de plus de 20...25 % de la tension de coupure. Cette circonstance peut être utile pour effectuer des calculs approximatifs. Le coefficient de stabilisation à un courant inférieur à 1...2 mA est compris entre 20...40, augmentant légèrement avec la diminution du courant. TKN a une valeur positive maximale à faible courant et diminue avec son augmentation, devenant négative à un courant supérieur à 0,1-3,0 mA [9].
La recherche a montré que les transistors les plus appropriés pour être utilisés comme ION à microcourant sont les transistors à jonction p-n des séries KP103, KP302 et KP303. Pour la plupart d'entre eux, le TKN en mode courant faible ne dépasse pas +2,5 mV/°C ou 0,25%/°C. L'utilisation de transistors à grille isolée (seuls les transistors des séries KP305 et KP313 ont été étudiés) n'est pas non plus exclue, mais leur étalement TKN est plus important. Le stabilisateur de courant sur le transistor à effet de champ étant un dispositif à deux bornes, l'inclusion séquentielle d'une résistance supplémentaire (Fig. 6a) permet d'augmenter la tension de référence. En remplaçant la résistance du circuit source par un potentiomètre et en ajustant la tension de rétroaction à la grille, vous pouvez augmenter la tension à la source du transistor de l'UOTC dans une large plage, mais il est préférable de la limiter à une valeur de 2 ...3UOTC, et pour obtenir des tensions de référence élevées, utilisez des transistors à effet de champ avec un grand UOTC. Cela permet d'améliorer TKN. Les inconvénients de l'ION utilisant un circuit aussi simple sont la résistance de sortie relativement élevée et l'augmentation du TKN positif. La combinaison d'un stabilisateur de courant avec des diodes Zener ayant un TKN négatif (KS50A, KS80A, KS133A, KS139A, KS147A) peut améliorer ces paramètres et en même temps augmenter Kst à 156...168 (Fig. 6, b). La tension d'alimentation minimale doit être supérieure à la tension standard de la valeur de l'UOTC avec une certaine marge. Par conséquent, si la tension d'entrée n'est pas beaucoup plus élevée que la tension de stabilisation, il est préférable de choisir des transistors à effet de champ avec un petit UOTC. En utilisant une résistance variable dans le circuit de grille, modifiant le courant de stabilisation dans certaines limites, vous pouvez réguler la tension de référence de l'ION.
Pour « économiser » la tension d'alimentation, les LED et les diodes Zener KS119A, KS133A, KS139A, KS147A sont connectées en parallèle avec une résistance variable dans le circuit source du transistor à effet de champ (Fig. 6c). La résistance de la résistance peut aller de plusieurs centaines de kOhms à plusieurs MOhms. La tension de coupure du transistor à effet de champ doit être légèrement inférieure à la tension ION de référence, ce qui permet d'utiliser des transistors à effet de champ plus courants avec U0TC > 1 V. La tension de référence peut être ajustée dans de petites limites en modifiant le courant de stabilisation. Une diode Zener connectée en parallèle avec une résistance stabilise la tension à la source du transistor et aggrave la rétroaction à la grille. Par conséquent, une telle connexion n'est efficace que pour les diodes Zener basse tension avec un coefficient de stabilisation insignifiant. Les paramètres de l'ION basés sur un stabilisateur de courant peuvent être améliorés à l'aide d'un transistor bipolaire supplémentaire (Fig. 7a). Contrairement aux analogues de diodes Zener utilisant uniquement des transistors bipolaires [10 - 12], cet appareil contient moins de pièces, fonctionne bien en mode faible courant et a un faible TKN. Il est préférable d'utiliser un transistor bipolaire en silicium de faible puissance avec un coefficient de transfert de courant élevé des séries KT3102, KT3107, KT342, etc., car la plage de courant de fonctionnement d'un tel analogue de diode Zener est directement proportionnelle au coefficient de transfert de courant ( h21E) du transistor VT2. Le TKN négatif de la jonction base-émetteur du transistor bipolaire compense partiellement le TKN positif du transistor à effet de champ, de sorte que le TKN total est compris entre -0,02...+0,04 %/°C en position basse. du curseur de résistance variable (dans le cas de l'utilisation de transistors à effet de champ avec transition p -n).
En figue. La figure 7b montre les caractéristiques courant-tension de l'analogue de la diode Zener à différentes positions du moteur à résistance variable. Comme vous pouvez le constater, la plage de courant de fonctionnement de l'appareil est limitée. Le courant de stabilisation minimum est déterminé par la résistance de la résistance dans le circuit source (ce courant doit être suffisant pour créer une chute de tension égale à celle de référence), et le courant maximum à la résistance sélectionnée de la résistance R2 est déterminé par le courant coefficient de transfert du transistor VT2 (le courant de base maximum, et donc le collecteur, est limité par la résistance, donc, à mesure que le courant de stabilisation augmente, la tension de référence commence également à augmenter). Lorsque la tension de référence est augmentée d'un facteur 2 (par un potentiomètre dans le circuit source), les courants de stabilisation minimum et maximum augmentent également d'environ 2 fois. Dans ce cas, le TKN peut augmenter jusqu'à +0,08%/°C. Un calcul simplifié d'un analogue de diode Zener est effectué dans l'ordre suivant : déterminer le courant de stabilisation minimum, sélectionner un transistor à effet de champ avec une certaine tension de coupure, calculer la résistance de la résistance dans le circuit source, déterminer le maximum courant de stabilisation. Pour calculer, vous pouvez utiliser les ratios suivants : 51ère min >0H ; Uobr min=U0TC + UBE ou U0TC=U0,6br min-XNUMX V ; Ri=2U0TC/lCT min (si Uobp n'est pas régulé) ; Ri2 (Uobp max-0,6 V)/lst min (si Uobp est réglable) ; Iст max=lK max/2=(lБ-h21э)/2=(U0TC/Rи)h21э/2=U0TC·h21э/2Rи. où Ist min est le courant minimum de stabilisation ; IH - courant de charge maximum ; Ist max - courant de stabilisation maximum ; lK max - courant de collecteur maximum du transistor VT2 ; IB - courant de base du transistor VT2 ; Ri est la résistance de la ou des résistances dans le circuit source ; Uobp min - tension de référence minimale ; UOTC - tension de coupure du transistor VT1 ; UBe - chute de tension à la jonction base-émetteur du transistor VT2 ; h21e - coefficient de transfert de courant statique du transistor VT2 ; 2 - coefficient empirique qui prend en compte la détérioration des paramètres proches du courant limite de stabilisation. Vous pouvez étendre la plage de courant de fonctionnement de l'analogue à diode Zener en ajoutant un autre transistor (Fig. 8). Ce transistor, s'il est nécessaire de stabiliser un courant important, peut être puissant, installé sur un dissipateur thermique ou directement sur un boîtier métallique (si les transistors VT2 et VT3 sont de même structure).
L'analogue de la diode Zener (Fig. 8) est supérieur dans ses paramètres à la plupart des diodes Zener, en particulier lors de la stabilisation d'un faible courant. L'avantage est la possibilité de réguler la tension de référence dans de larges limites. Lors du calcul d'un analogue à trois transistors d'une diode Zener, au lieu des paramètres du transistor VT2, les paramètres du transistor composite sont substitués dans les formules. La résistance R4 sert à éliminer l'influence du courant inverse du collecteur et peut avoir une résistance de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kOhms, selon l'intervalle de changement du courant de stabilisation. L'inconvénient du circuit est la faible prévisibilité du TKN, qui change également lors de la régulation de la tension de référence. À mesure que la tension augmente, le TKN se déplace vers des valeurs positives. Par exemple, un analogue d'une diode Zener montée sur des transistors complémentaires (en tenant compte d'une structure différente) : transistor VT1 - KP103E (UOTC=1 V), transistor VT2 - série KT3102 (h21e=320), transistor VT3 - série KT3107 ( h21e=190), R2 =R3=1 MOhm, avait un coefficient de stabilisation d'au moins 40 à un courant de 3 μA à 5 mA. La tension de référence était régulée entre 1,5...2,5 V. Dans ce cas, le coefficient de température de la tension variait de -0,06 %/°C à +0,07 %/°C. Le même analogue de la diode Zener avec le transistor VT1 KP302B (UOTC = 3,4 V) avait un coefficient de stabilisation d'au moins 100 à un courant de 10 μA à 10 mA. La tension de référence était régulée entre 3,9...7 V. TKN variait de -0,01 %/°C à +0,02 %/°C. CONCEPTION DE CIRCUITS DE STABILISATEURS ÉCONOMIQUES La base du développement de stabilisateurs économiques est un simple stabilisateur avec protection contre les courts-circuits (Fig. 9), qui est populaire parmi les radioamateurs depuis plus de deux décennies [13].
Le principe de son fonctionnement repose sur la comparaison de la tension de sortie avec la tension sur la diode Zener VD1. Le niveau de référence est fourni à la base du transistor VT2 et la tension de sortie est fournie à l'émetteur. Le signal de désadaptation est amplifié par le transistor VT2 et envoyé à la base VT1. Les éléments R1, R2, VD1, VT2 forment un stabilisateur de courant, le courant de sortie maximum du stabilisateur est donc limité. À mesure que la résistance de charge diminue, le courant de sortie du stabilisateur augmente jusqu'au niveau limite (Ilim), puis la tension de sortie diminue. Lorsqu'en sortie elle descend à la valeur UVD1 - UVD2 ou UVD1 - 0,6 V, la diode ouverte VD2 shunte la diode Zener VD1. En cas de court-circuit, le niveau du signal basé sur le transistor VT2 sera égal à la chute de tension aux bornes de la jonction pn de la diode VD2 en connexion directe. Cela réduit le courant de collecteur du transistor VT2 et, par conséquent, le courant de sortie du stabilisateur lors d'un court-circuit (lK3) sera inférieur au courant limite. La tension de sortie du stabilisateur est déterminée par le rapport Uvyx = UVD1 - UBE VT2 + UVD3, où UVD1 est la tension de stabilisation de la diode Zener ; UBE VT2 - chute de tension à la jonction base-émetteur du transistor VT2 ; Uvd3 - chute de tension aux bornes de la diode VD3 en connexion directe. Puisque UBE VT2 = UVD3 = 0,6 V, on peut supposer que la tension de sortie du stabilisateur est égale à la tension de stabilisation de la diode Zener VD1. Coefficient de stabilisation (Kst) du stabilisateur Kst \uXNUMXd (ΔUin / ΔUout) (Uout / Uin), où ΔUin et ΔUout sont respectivement les incréments de tension à l'entrée et à la sortie du stabilisateur ; presque égal au Kst de la diode Zener VD1. Le coefficient de température de tension (TKN) du stabilisateur est approximativement égal au TKN de la diode Zener VD1, puisque le TKN des jonctions p-n des transistors au silicium et des diodes est le même et a une valeur d'environ -2 mV/°C, et d'après l'expression de la tension de sortie, il est clair qu'elles se soustraient mutuellement. L'impédance de sortie du stabilisateur Rout = ΔUout / ΔIN où ΔIН est l'incrément du courant de charge ; dépend principalement du gain du transistor VT1 et de la valeur limite du courant de sortie sélectionnée (lorp). Le courant limite du stabilisateur est réglé en sélectionnant la résistance R2 dont la résistance détermine le rapport R2 = (UVD1-UBE VT2) / IE VT2, où UBEVT2 = 0,6 V ; IE VT2 est le courant d'émetteur du transistor VT2, qui est approximativement égal au courant de base du transistor VT1 (IB VT1). Le courant de base du transistor VT1 est lié au courant de sortie du stabilisateur par l'expression IBVT1 = Ioutx/h21E VT1. pour que nous puissions écrire R2 \u1d (UVD0,6-21 V) h1E VTXNUMX / lorp. Pour garantir une chute de tension minimale, sélectionnez un courant Iorp d'au moins (2...3)In. Les principales caractéristiques du stabilisateur, testées avec différentes diodes Zener, sont données dans le tableau. 1.
Pour toutes les options : transistor série VT1 - KT3107 (h21E = 230) ; transistor VT2 - série KT3102 (h21E = 200) ; diodes VD2, VD3 - KD103A ; Le courant de consommation du stabilisateur (sans charge) est de 8... 10 mA à Uin = 2Uout ; Rout = 2,0 Ohm à In = 20 mA ; Iorp = 60...70 mA ; Ikz = 20 mA ; Kst a été déterminé à Uin = 2Uout. La chute de tension minimale ΔUmin = Uout - Uout est déterminée comme suit (Fig. 10) : mesurez Uout du stabilisateur à Uin = 2Uout et le courant de charge nominal (dans ce cas 20 mA), puis Uin est réduit à Uout et mesurez le nouvelle valeur de Uout. La différence entre ces tensions est le paramètre le plus important d'un stabilisateur économique conçu pour fonctionner sur batteries. Avec une approche plus rigoureuse, ce paramètre ne peut pas être appelé chute de tension minimale ; Cette définition est assez arbitraire. La chute de tension minimale aux bornes du stabilisateur dépend de la réduction admissible de la tension de sortie, qui peut être différente selon la nature de la charge, mais la méthode proposée pour mesurer ΔUmin est plus pratique et universelle, car elle permet de comparer les paramètres de différents stabilisateurs sans tenir compte des exigences d'une charge spécifique.
Il convient de noter que ce paramètre dépend fortement du courant de charge, ainsi que du niveau de limitation du courant de sortie et de la qualité de la diode Zener. Lors de l'utilisation de diodes Zener avec une chute de tension importante dans la région des faibles courants (KS133A, KS139A, KS147A, KS156A), même avec un courant de charge inférieur à 20 mA, il n'est pas possible d'obtenir ΔUmin inférieur à 0,6 V. De la table La figure 1 montre que les caractéristiques du stabilisateur sont assez médiocres, notamment lors de la stabilisation basse tension, et dépendent presque entièrement des paramètres de la source de tension de référence (VS), réalisée sous la forme d'un simple stabilisateur paramétrique (R1VD1). La tension de référence est choisie trop élevée, elle est égale à la tension de sortie du stabilisateur, donc, lorsque Uin diminue jusqu'à Uout, le courant traversant la diode Zener chute fortement, ce qui entraîne une diminution de la tension au niveau de la diode Zener et, en conséquence, à la sortie. Le courant de la diode Zener, sélectionné à l'aide de méthodes conventionnelles, est déraisonnablement élevé par rapport au courant de base du transistor VT2 et au courant de charge, de sorte que l'efficacité du stabilisateur est assez faible. Pour améliorer les caractéristiques du stabilisateur, il faut tout d'abord améliorer les paramètres ION en réduisant la tension de référence et la consommation de courant ; de plus, pour améliorer Kst, il est nécessaire de stabiliser le courant d'alimentation de la diode Zener. Vous pouvez réduire la tension de référence sur la diode Zener VD1 en augmentant la chute de tension sur la diode VD3 : à la place d'une diode silicium, il faut utiliser des LED, par exemple la série AL102 avec une chute de tension en connexion directe d'environ 1,7 V Ici, Uout du stabilisateur est supérieur d'environ 1,1 V à celui de référence. L'utilisation de diodes Zener ou de stabilisateurs basse tension n'est pas souhaitable, car cela aggrave les paramètres du stabilisateur. Pour stabiliser le courant circulant dans la diode Zener VD1, au lieu de la résistance R1, vous pouvez utiliser un transistor à effet de champ (voir Fig. 6b). Puisqu'à Uin = Uout, la chute de tension aux bornes du stabilisateur de courant est de 1,1 V, alors pour obtenir une petite valeur de ΔUmin, le transistor à effet de champ doit avoir Uots < 0,V5 V. Cette exigence complique la sélection du transistor, car la plupart les types appropriés de transistors à effet de champ ont Uots > 1 V (ce problème est pratiquement absent dans les alimentations de réseau). Si vous connectez une diode au silicium de faible puissance en série avec une LED de la série AL102, alors avec une légère détérioration des paramètres, vous pouvez utiliser des transistors à effet de champ avec des Uots jusqu'à 1,2 V. Dans ce cas, le TKN du stabilisateur se déplace vers le négatif valeurs d'environ 2 mV/°C, et la formule pour la tension de sortie prend la forme suivante : Uout = UVD1 + 1,7V. Pour démarrer de manière fiable le stabilisateur, avec un courant d'alimentation réduit de la diode Zener VD1, il est nécessaire de connecter une autre diode en série avec la diode VD2. Cela est dû au fait qu'à un courant inférieur à 1 mA, la chute de tension aux bornes de la diode VD2 (au moment de la mise sous tension ou après élimination du court-circuit) peut être inférieure à la tension base-émetteur du transistor VT2, qui il est nécessaire de l'ouvrir et de démarrer le stabilisateur (surtout à basse température). Si le courant de court-circuit s'avère trop élevé, alors une de ces diodes peut être remplacée par une diode au germanium (séries D9, DZ10...). Une version améliorée du stabilisateur avec un stabilisateur de courant sur un transistor à effet de champ KP303B (Uots = 0,B4 V) a été testée avec des diodes Zener de différents types à deux valeurs de courant lVD1. Les résultats suivants ont été obtenus: Kst = 50...100 ; ΔUmin pas plus de 0,14 V à IH = 20 mA et pas plus de 0,20 V à IH = 30 mA ; Déroute = 2,0 ohms ; Iconconsommation (sans charge) pas plus de 0,7 mA ; Isk à Uin = 2Uout pas plus de 50 mA (diodes VD2 et VD3 - KD103A et Iogr = 65...100 mA). La tension de sortie à différentes valeurs de courant traversant la diode Zener et la résistance des résistances (R1 est la résistance dans le circuit source du transistor à effet de champ) sont présentées dans le tableau. 2.
Avec les diodes Zener basse tension KS119A, KS133A, KS139A, KS147A, ainsi qu'avec les LED, un stabilisateur de courant doit être utilisé (voir Fig. 6,c). Ici, vous pouvez utiliser des transistors à effet de champ plus courants avec Uots > 1 V (Uots doit être légèrement inférieur à la tension de stabilisation de la diode Zener VD1 au courant minimum). Les paramètres du stabilisateur utilisant les diodes Zener ci-dessus sont approximativement les mêmes que le précédent, mais le TKN se déplace vers des valeurs positives de 2...3 mV/°C. L'utilisation de diodes Zener pour des tensions plus élevées n'est pas pratique en raison de la détérioration de Kst et ΔUmin. En guise de compromis, une option combinée peut être utilisée (Fig. 11). Pour améliorer la rétroaction, une résistance R1 avec une résistance telle est incluse dans le circuit source du transistor VT1 que, au courant sélectionné de la diode Zener VD1, une chute de tension de 0,5 V est créée aux bornes de la résistance. Le transistor VT1 est sélectionné parmi les condition Uots < UstVD1 +0,3 V. L'inconvénient du circuit est un fort rétrécissement de l'intervalle de réglage de la tension de sortie avec une résistance constante de la résistance R1, car il est nécessaire que la tension à ses bornes lorsque le courant de stabilisation change soit dans les limites de 0,3. ..0,9 V.
Les paramètres des différentes versions du stabilisateur, conçus pour un courant limite de 60...90 mA à un courant de charge de 20 mA, sont donnés dans le tableau. 3. Consommation de courant (sans charge) - pas plus de 0,7 mA. Courant de court-circuit à Uin = 2Uout - pas plus de 50 mA. La résistance de la résistance R1 est égale à 24, 12 et 3,3 kOhm pour le courant d'alimentation de la diode Zener VD1, égale à respectivement 20, 40 et 150 µA. Une plus large plage de régulation de la tension de sortie est fournie par des stabilisateurs assemblés à l'aide d'un analogue d'une diode Zener sur deux (voir Fig. 7) et trois (voir Fig. B) transistors. La tension de sortie minimale de ces stabilisateurs est Uots + 1,6 V. La valeur maximale (2...3) Uots + 1,6 V est limitée par la détérioration du TKN.
Le courant de stabilisation (Ist) de l'analogue de la diode Zener dépend de la résistance de la résistance R1 (voir Fig. 7, B) et de la tension d'entrée. Les stabilisateurs sont testés pour un courant de charge de 20 mA avec différents types de transistors à effet de champ à différentes tensions de sortie réglées à l'aide d'une résistance variable de 1,0 MΩ dans le circuit source. Les résultats suivants ont été obtenus (à Uin = 2Uout, R1 = 120 kOhm, Ist = 35...70 µA) : Iin (sans charge) pas plus de 0,6 mA ; Déroute = 2,0 ohms ; Ilim = 60...90 mA. Jusqu'à présent, des options de stabilisation ont été envisagées (voir Fig. 9), concernant uniquement l'amélioration de l'ion R1VD1, mais il convient de noter que même l'utilisation d'une diode Zener « idéale » ne permet pas d'atteindre un Kst supérieur à 200. ..300 sans améliorer le deuxième ion - R2VD3. Le moyen le plus simple d'améliorer consiste à utiliser un étage d'amplification supplémentaire sur le transistor VT3 (Fig. 12), ce qui vous permet d'obtenir un Kst compris entre 200 et 500 en ajoutant seulement deux parties : une résistance et un transistor. La résistance de la résistance R3 est déterminée à partir du rapport : R3 = 0,6/lVD4, où lVD4 est le courant sélectionné de la diode Zener VD4, qui doit être au moins 5...10 fois supérieur au courant de base maximum du transistor VT3 ( BI VT3). Le courant de base maximum est déterminé par : IB VT3 = Iк vтз/h21Э = UVD1/R2·h21Э, où IKVT3 est le courant de collecteur maximum du transistor VT3 ; UVD1 - tension sur la diode Zener VD1.
Dans la source de tension de référence R1VD1, vous pouvez utiliser n'importe quelle diode Zener et stabilisateur avec UCT de 1,5 V à environ Uout - 0,7 V (il est préférable si Ust - Uout/2). Dans les stabilisateurs basse tension et basse tension, le coefficient de stabilisation le plus élevé est obtenu lors de l'utilisation de diodes électroluminescentes visibles (VD1). Le coefficient de température du stabilisateur de tension est principalement déterminé par la somme algébrique (en tenant compte du signe) du TKN du transistor VT3 et de la diode Zener VD4. Le TKN de la jonction base-émetteur du transistor a une valeur négative (environ - 2,0 mV/°C), donc lors de l'utilisation de diodes Zener avec un TKN positif (séries D814, KS510A, etc.), le TKN du stabilisateur est inférieur à celui d'une diode Zener. L'utilisation de diodes Zener à basse tension avec un TKN négatif pour construire un stabilisateur économique de faible puissance n'est pas souhaitable en raison de l'augmentation du TKN total négatif du stabilisateur, atteignant dans certains cas jusqu'à -6,0 mV/°C. Il ne faut pas oublier que la plupart des diodes Zener qui ont un TKN d'environ 0 à un courant supérieur à 3,0 mA (séries KS156A, KS162A, KS170A, D818, etc.) et inférieur à 0,1 mA ont un TKN négatif accru. L'utilisation d'un analogue d'une diode Zener sur deux transistors à rétroaction ouverte (dans ce cas, elle est fermée à travers toutes les cascades du stabilisateur) permet d'améliorer presque tous les paramètres du stabilisateur, même dans le cas de l'utilisation d'une diode Zener VD1 avec un Kst faible (Fig. 13). La tension de sortie du stabilisateur peut être ajustée par la résistance R3 dans la plage de Uotc vt4 + 0,6 à 2...3 Uotc vt4. Les principaux paramètres des différentes versions du stabilisateur (Fig. 13) à différentes positions du moteur à résistance variable R3 (différentes valeurs de tension de sortie), qui utilise un transistor VT4 - KP302A (Uotc = 1,96 V) et une LED AL102A (VD1) , sont donnés dans le tableau. 6. Au lieu d'un transistor de la série KT3107 (VT1), un transistor KT200V (h837E = 21) est utilisé dans une version plus puissante du stabilisateur (courant de charge 120 mA). Le courant de la diode Zener VD1 (IVD1) a été mesuré à UBX = 2Uout.
L'utilisation d'un transistor analogue à une diode Zener au lieu d'une diode VD3 (voir Fig. 9) n'exclut pas l'utilisation simultanée des recommandations décrites ci-dessus pour améliorer le R1VD1 ION. Si vous utilisez un stabilisateur de courant pour alimenter l'ION, vous pouvez obtenir un Kst d'environ 1000 même avec une diode Zener KS1ZZA. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de réguler le courant de stabilisation et de modifier la tension sur la diode Zener VD1, car cela a peu d'effet sur la tension de sortie du stabilisateur. Pour éviter l'auto-excitation dans les stabilisateurs de ce type, il suffit souvent d'inclure des condensateurs en oxyde, d'une capacité de plusieurs dizaines de microfarads, et en céramique, d'environ 0,1 µF, à la sortie du stabilisateur. Si cela ne suffit pas, un condensateur d'une capacité de plusieurs centaines de picofarads à plusieurs dizaines de nanofarads est connecté entre les bornes de base et de collecteur du transistor VT3 (Fig. 13) (la capacité minimale requise dépend de la puissance du stabilisateur). Le CT dans les stabilisateurs alimentés par batterie n'est guère conseillé sans une amélioration significative du TKN, car les fluctuations de la tension de sortie associées aux changements de température ambiante seront beaucoup plus importantes que celles associées aux changements de tension d'alimentation. Dans les alimentations de réseau, il est permis d'utiliser des circuits avec un CCT important si cela est dicté par la nécessité d'obtenir une ondulation de tension stabilisée minimale. Vous pouvez augmenter le coefficient de stabilisation jusqu'à 1500 3000...14 XNUMX en utilisant un analogue d'une diode Zener à trois transistors (Fig. XNUMX).
Certains paramètres d'un tel stabilisateur, testés avec un courant de charge de 20 mA à un courant limite de 70...90 mA, sont donnés dans le tableau. 7.
Consommation de courant - pas plus de 0,6 mA, Rout. - environ 0,1 Ohm, ΔUmin - pas plus de 0,14 V. Le TKN du stabilisateur (Fig. 14) dépend presque entièrement du TKN de l'analogue de la diode Zener et peut atteindre -1,5 mV/°C. L'utilisation d'un transistor à effet de champ avec une tension de coupure inférieure améliorera légèrement le TKN. Lorsque la tension de référence augmente par rapport à UOTC (par un potentiomètre dans le circuit source), le TKN de l'analogue de la diode Zener se déplace vers des valeurs positives. Le même résultat peut être obtenu en diminuant le courant traversant le transistor à effet de champ VT5 en augmentant la résistance totale des résistances R4 et R5. La stabilisation du courant (voir Fig. 6, b ou 6, c) de la diode Zener VD1 permet d'obtenir un coefficient de stabilisation supérieur à 5000. En l'absence de transistors à coefficient de transfert de courant élevé, notamment dans les stabilisateurs puissants, un transistor de commande composite est utilisé. En figue. 15 montre une de ces options. Un stabilisateur doté d'un transistor de régulation composite présente une caractéristique. En l'absence de courant de charge, le courant consommé par celui-ci est négligeable ; à un courant de charge proche du maximum, il n'est presque pas différent de la consommation de courant des modifications précédentes de stabilisateurs.
Par exemple, une variante d'un stabilisateur puissant avec un transistor de régulation KT837V (h21E = 120) : Kst = = 300...500, Rout. = 0,1 ohm, Sortie. = 6,4 V, Ilim = 1,9 A ; avec une tension d'entrée de 12 V au repos, il consomme un courant ne dépassant pas 300 μA. Avec un courant de charge de 1,0 A, la consommation de courant augmente jusqu'à 30 mA. Une variante d'un stabilisateur basse consommation avec un courant limite de 80 mA (Kst = 500...700, Rout = 1 Ohm), ne consomme pas plus de 60 μA au repos. Avec un courant de charge de 25 mA, la consommation de courant augmente jusqu'à 400 μA. Dans le tableau 6 montre quelques autres paramètres de deux options de stabilisateur.
Cela ne limite pas toutes les options de modernisation du stabilisateur pris comme base (voir Fig. 9) afin d'augmenter l'efficacité et d'améliorer d'autres paramètres. En particulier, dans certains cas, pour réduire ΔUmin, il est utile d'utiliser une connexion en parallèle de plusieurs transistors avec des résistances d'égalisation de courant dans les circuits de base au lieu d'un transistor de régulation. En utilisant des ION à microcourant, d’autres types de stabilisateurs peuvent être mis à niveau avec succès. Les tableaux de caractéristiques des stabilisateurs donnés dans l'article ne sont pas des exemples de calculs optimaux et des garanties de coïncidence complète des résultats lors de la répétition en raison de la forte dispersion des paramètres des diodes Zener et des transistors à effet de champ. Ces tableaux sont utiles pour analyser les tendances générales du développement des stabilisants et peuvent servir de base à leur sélection. Diverses options de stabilisateur sont conçues pour un courant de charge de 20 mA afin de faciliter la comparaison des principaux paramètres. Pour la même raison, la plupart des paramètres ont été mesurés à UBX = 2U out. Si nécessaire, les stabilisateurs peuvent être convertis en un courant de charge différent. Par exemple, dans le tableau. 6 et 8 montrent les paramètres de construction de stabilisateurs pour des courants de charge de 2,5, 200 mA et 0,5 A. Étant donné que les schémas de circuit donnés dans l'article sont assez universels, ils, ainsi que dans les tableaux, peuvent ne pas contenir d'informations spécifiques sur aucun élément. . Dans ce cas, ils sont sélectionnés ou calculés de manière indépendante, guidés par les règles générales et recommandations contenues dans l'article.
Pour améliorer les performances des stabilisateurs à des températures élevées ou lors de l'utilisation de transistors avec un courant de collecteur inverse accru, nous recommandons de connecter une résistance avec une résistance de plusieurs unités à plusieurs dizaines de kilo-ohms entre l'émetteur et la base du transistor de régulation, en fonction de la puissance du stabilisateur. Malgré le fait que l'article décrit des stabilisateurs qui prétendent être économiques, aucune valeur d'efficacité spécifique n'est donnée nulle part, car ce paramètre dépend du rapport spécifique de tension d'entrée et de sortie et varie considérablement, augmentant à mesure que la tension aux bornes de la batterie des cellules diminue. littérature
Auteur : V.Andreev, Togliatti
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