ПРОЕКТ-ИССЛЕДОВАНИЕ №30: от РЕГУЛЯТОРА к СТАБИЛИЗАТОРУ

Как известно, незначительное изменение тока базы транзистора влечёт за собой значительное изменение тока коллектора. Этим свойством пользуются, например, при конструировании транзисторных регуляторов напряжения. Я расскажу и покажу, как регулятор превратить в стабилизатор.
Сразу оговорюсь, что ничего нового я не открываю, а демонстрирую свой подход к теме. Материал рассчитан на начинающих радиолюбителей.

Маленькое нелирическое отступление. Постоянный ток – это такой, когда не только его величина, но и направление со временем НЕ МЕНЯЮТСЯ, т.е. электрончики всё время «бегут» от «-» к «+», хотя в электротехнике принято обратное направление. Но это дань истории физики и на результат никак не влияет. Такой ток можно получить от солнечной батареи, термопары, обычной батарейки или аккумулятора. Но можно и от сети переменного тока 220В! Переменный ток – это такой, величина и направление которого со временем меняются. В электрической сети это происходит через строго определённые промежутки времени, которые называют ПЕРИОДОМ. С периодом связана ЧАСТОТА переменного тока (50 Гц в электрической сети). За один период величина и направление тока меняются дважды. Громадная заслуга в том, что человечество на 99% использует именно переменный ток, принадлежит Николо Тесла. Для преобразования переменного тока в постоянный используют всевозможные сетевые адаптеры и блоки питания, что, по сути, одно и то же.

ШАГ 1-ый: ПРОСТЕЙШИЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Схема регулятора примитивно проста (слева – ВХОД, справа – ВЫХОД):

Постоянный ток на вход регулятора (СЛЕВА на схемах) подадим от понижающего трансформатора с выпрямителем:

Для регулятора потребуются: понижающий (силовой) трансформатор Т1, диодный мост (выпрямительный мост, диодная сборка) или четыре диода VD, регулирующий транзистор VT1 средней или большой мощности (любой проводимости n-p-n или p-n-p), переменный резистор R1 на 5-10 кОм.
Я буду использовать трансформатор ТН-36-127/220-50 с параметрами: сердечник ШЛ16х32; мощность 30 Вт; ток первичной обмотки 0,3/0,17 А ; масса 1,0 кг.
Схема:

Для подключения к сети ~220 В выводы 3 и 4 соедининяю, 1 и 6 – в сеть. Я делаю так потому, что напряжение в нашей сети давно уже не 220, а 230-240 В!
Все вторичные обмотки дают 6,3В при токе 1,2А. Их можно соединять последовательно (параллельно, если надо): 8 и 9 соединить, 7 и 10 – к выпрямительному мосту.
Вообще же можно использовать любой трансформатор мощностью от 20 Вт (с запасом!) и напряжением на вторичной обмотке 8-12 В при токе не менее 0,5 А (тоже с запасом!).

Детали для выпрямителя и регулятора я использую такие: мост KBL407 4А/600В; переменный резистор 4,7 кОм; транзистор КТ829А проводимости N-P-N с параметрами Uэк=100В, Iк макс=8А, Рк макс = 60Вт (с теплоотводом), h21э>750, граничная частота > 4 МГц, транзистор этот составной; нагрузка (пока) – электродвигатель 9-вольтовый от старого отечественного кассетника.
Никаких особых соображений по поводу выбора моста не имею. Просто их у меня довольно много, я беру любой, выясняю параметры в Интернете (чтобы знать), и ставлю.
Напряжение на выходе выпрямителя:

Полная схема регулятора:

Регулятор в 3D:

Напряжение регулируется, практически, от нуля. Моторчик начинает вращаться при напряжении около 0,5В:

И продолжает вращаться при максимальном напряжении:

Такой регулятор можно использовать для питания лампочек, вентиляторов и кулеров (что, в принципе, один хрен), светодиодов и светодиодных лент, электрифицированных игрушек. Пара-тройка регуляторов может быть применена в самодельном лазерном спирографе.

ШАГ 2-ой: ПРОСТОЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Чтобы стабилизировать выходное напряжение, в регулятор надо ввести два элемента – стабилитрон и постоянный резистор:

Таким образом, сразу получаем стабилизатор с регулируемым выходным напряжением. Детали:
R2 – 300-600 Ом (у меня 380 Ом); VD2 – любой стабилитрон на напряжение несколько меньшее (≈ на 30%), чем выходное напряжение выпрямителя; у меня Д814Б, напряжение стабилизации 8 – 8,56 В.
Элементы R2, VD2 образуют параметрический стабилизатор – простейший, который может работать и сам по себе, без регулирующего транзистора, но такой стабилизатор слишком маломощный. РезисторR2 называют гасящим или балластным. Он служит для компенсации изменений напряжения на входе стабилизатора, которые могут возникать из-за колебаний сетевого напряжения. Его величина может быть в пределах от 0,3 до 0,8 кОм.
Параметрический стабилизатор R2, VD2 + регулирующий транзистор VT1 = это уже компенсационный стабилизатор.
Как и раньше, моторчик заработал при напряжении около 0,5В:

Напряжение и ток нагрузки:

ШАГ 3-ий: немного более СЛОЖНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Для улучшения работы стабилизатора желательно, чтобы коэффициент усиления h21э регулирующего транзистора был побольше. Значит надо измерять и подбирать подходящие. Но значительно проще добавить в стабилизатор ещё один транзистор, чтобы регулирующий транзистор стал составным (по-буржуйски – Darlington Transistor). В этом случае общий коэффициент усиления будет равен произведению  h21э двух транзисторов. Хотя, повторю, КТ829А сам по себе уже составной (просто он первым попался мне под руку, и я решил использовать именно его). В справочнике для КТ 829А - h21э>750. Ради эксперимента продолжу работу с ним и добавлю к нему какой-нибудь из КТ315-х.
Схема станет такой:

Поставлю VT2 – КТ315В, но можно илюбой из этой серии. R3 около 1 кОм, как в абсолютном большинстве подобных схем.

Ещё одно нелирическое отступление. Полноразмерное.

Совершенно очевидно, что надёжная работа стабилизатора в целом и величина потребляемого тока зависят от параметров регулирующего транзистора. Что имеется в виду?

1. Предельно допустимое напряжение «эмиттер-коллектор» должно быть больше входного напряжения.
2. Предельно допустимый ток коллектора должен быть больше максимального тока нагрузки.
3. Предельно допустимая мощность рассеяния транзистора должна быть на 20-30% больше максимальной мощности, потребляемой стабилизатором от выпрямителя.
4. Ток, потребляемый нагрузкой, прямо пропорционально зависит от коэффициента усиления транзистора h21э.
Под эти требования подходят транзисторы средней и большой мощности. Ну и, конечно же, не следует забывать о нагреве регулирующего транзистора. Поэтому (во избежание!) его следует устанавливать на радиатор.
Я неоднократно видел, разбирал, ремонтировал стабилизаторы, в которых регулирующие транзисторы работали в предельных режимах. Какой в этом смысл? Экономия? Сейчас это не столь актуально, как раньше. С деталями проблем нет. Если не лениться покопаться в «зонах», то можно найти (и выпаять аккуратненько!) такие транзисторы (это я к примеру), которые стоят в Интернет-магазинах до 1500 р! Короче, РАДИОхабара полно, в Интернете легко можно идентифицировать различные артефакты и использовать их в практике. Поэтому рекомендую брать радиокомпоненты с запасом по параметрам. Отечественные и/или буржуйские.

Стабилизатор также собран в 3D:

Большое, однако, но тоже нелирическое отступление.

Посмотрим, как выглядят (не побоюсь этого слова!) осциллограммы напряжения.

а) На входе выпрямителя

Это обычная синусоида (или косинусоида) – переменный ток. На участке, выделенном красным, происходит ОДНО полное колебание. Таких колебаний за 1 секунду – 50. Следовательно, частота переменного тока 50 Гц, а период, соответственно, равен 1/50=0,02 с или 20 мс.
Наблюдаю процесс с помощью примитивного школьного осциллографа «ОМШ-2-76», который сам по себе уже является раритетом, но, тем не менее, всё ещё нормально работает. Современные студенты, заточенные под поглаживание и оглаживание смартфонов и планшетов, работают у меня с виртуальными осциллографами. Реальные я им просто не доверяю. Во избежание.

б) На выходе выпрямителя

Здесь уже получается пульсирующий ПОСТОЯННЫЙ ток. Двухполупериодный выпрямитель как бы отображает зеркально нижние (назову их условно «отрицательными») арки синусоиды и ставит их между верхними, «положительными». В результате получается такой сплошной «частокол» только «положительных» арок, а это уже ПОСТОЯННЫЙ ток, хотя и меняющийся по величине.

в) На выходе стабилизатора

Также имеет место быть пульсирующий ПОСТОЯННЫЙ ток, но арки синусоиды «срезаны» сверху – это результат действия стабилитрона. Для питания электродвигателя пульсации значения не имеют. При изменении сопротивления резистора R1 высота этих «срезанных» арок соответственно меняется, т.е. меняется выходное напряжение стабилизатора.

ШАГ 4-ый: БОЛЕЕ МОЩНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР
Взбрела в мозг такая идея: а что, ежели для большего умощения стабилизатора вставить ему вместо КТ315В, скажем, КТ815-й? Да забабахать оба транзистора на общем радиаторе, поскольку коллекторы их связаны с металлической подошвой, которой они и прижимаются к радиатору?
Много симпатичных радиаторов можно извлечь, к примеру, из платCRT-мониторов или блоков питания:

КТ829 и КТ815 на радиаторе:

Снова спаяю регулятор, но теперь на КТ815Б и КТ829А:

R3 оставил как было – 1 кОм.
Регулятор также прекрасно работает:

Теперь превращаю его в стабилизатор точно так, как раньше:

И схема точно такая же, как на 3-ем ШАГЕ, только VT2 –КТ815Б.


Прежде чем сделать следующий ШАГ, следует остановиться и оглядеться, чтобы не вляпаться в какое-нибудь…
Предыдущие стабилизаторы обладают одним весьма существенным или, не побоюсь этого слова, мерзопакостным недостатком. Стоит случайно замкнуть их выход накоротко, как тут же «накроется» регулирующий транзистор. Возможно, что в настоящее время это и не такая уж беда, как раньше. РАДИОхабара хватает и найти замену не проблема. Но, если человек сделал стабилизатор, работает с ним, налаживает какую-то конструкцию и вдруг – бац! Кирдык!! Энергии нету!!! И не всегда под рукой есть запасной блок питания. Приходится откладывать налаживание конструкции и заниматься ремонтом стабилизатора. Можно ли этого избежать? Natürlich!
Достаточно встроить в стабилизатор защиту от перегрузок и коротких замыканий. Таким образом, можно создать практически «неубиваемый» блок питания.

Шаг 5-ый: ЗАЩИТА СТАБИЛИЗАТОРА ОТ КЗ
Всего ТРИ детали надо подключить вот так:

Работает защита следующим образом. На базу транзистора VT3 подано стабильное напряжение смещения величиной около 1,6 В с диода VD3. Совместно с резистором R5 он образует делитель входного напряжения. В отсутствие перегрузки выхода транзистор VT3 закрыт, так как потенциал его базы относительно эмиттера отрицателен. При коротком замыкании выхода эмиттер транзистора VT3 замыкается на «общий минус». Вследствие этого потенциал его базы относительно эмиттера становится положительным, и транзистор открывается. Его коллекторный ток проходит по резистору R2, падение напряжения на нём возрастает, отрицательное смещение на базе транзистора VT2 резко уменьшается и регулирующий транзистор VT1 переходит в состояние, близкое к состоянию «закрыт». Таким образом, ток короткого замыкания ограничивается. Как только короткое замыкание будет ликвидировано, база транзистора VT3 снова получит отрицательное смещение, и нормальная работа стабилизатора автоматически восстановится.
Транзистор VT3 из КТ315-х, R5 около 10 кОм и кремниевый диод VD3, например, из Д226-х:


Вот цоколёвочка всех транзисторов (на всякий случай):


Кстати, на выходе стабилизатора добавлен нагрузочный резистор R4, величина которого 1-10 кОм. Он нужен для того, чтобы и в отсутствие нагрузки регулирующий транзистор работал как усилитель тока.
Итак, защита внедрена в стабилизатор:

Замыкаю отвёрткой выход стабилизатора (параллельно электродвигателю), маленькая искорка, напряжение падает почти до нуля, электродвигатель останавливается:

Убираю отвёртку, работа стабилизатора восстанавливается, моторчик снова крутится:

Повторяю сие действо несколько раз – результат остаётся прежним, и все транзисторы живы:

ШАГ 6-ой: ИНДИКАЦИЯ
Ну что за блок питания (пусть и «неубиваемый») без индикации? Это ж совершенно не модно!
Добавлю светодиодики для индикации нормальной работы и перегрузки.
HL1 можно вставить параллельно выходу выпрямителя – он будет светиться постоянно при включенном стабилизаторе. HL2 можно включить параллельно выходу стабилизатора, тогда его яркость будет меняться пропорционально выходному напряжению, а при КЗ он вообще будет гаснуть.А можно поставить их оба!

Rсд – это дополнительный резистор для светодиода, который ограничивает ток. Рассчитать его просто: напряжение поделить на ток светодиода. Например, для HL2 максимальное напряжение около 8В (у меня стоит стабилитрон Д814Б), ток светодиода примерно10 мА, следовательно Rсд для него около 0,8 кОм или 800 Ом. Я беру примерный ток светодиода, поскольку использую всякие б/у’шные, отечественные и буржуйские, и тип их определить несколько затруднитеьно.

Чтобы сделать индикацию КЗ, надо вспомнить, что в этом случае «VT3 открывается и его коллекторный ток проходит по резистору R2». Вот сюда и включу светодиод HL3 без дополнительного резистора:

На фото замыкаю пинцетом выход стабилизатора – загорается светодиод HL3:

Кстати, при экспериментах на замыкание выхода стабилизатора, не следует забывать контролировать температуру регулирующего транзистора. Всё-таки это режим перегрузки, и транзистор нагревается.

ШАГ 7-ой: СГЛАЖИВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ
Итак, стабилизатор работает, выходное напряжение регулируется, он защищён, но ка быть с пульсациями?  Ведь постоянный ток (и напряжение) на экране осциллографа должны давать идеальную прямую линию, параллельную оси Ох:

Добавлю в стабилизатор конденсаторы, которые как раз и займутся сглаживанием этих пресловутых пульсаций:

С1 – параллельно входу стабилизатора (выходу выпрямителя) ёмкостью до нескольких тысяч мкФ, С2 – параллельно выходу аналогичной ёмкости, С3 – параллельно стабилитрону ёмкостью до нескольких сотен мкФ. Кто-то любит ставить параллельно С1 и С2 ещё и конденсаторы неэлектролитические. Я не вижу в этом смысла в данной схеме.
Уменя: С1 и С2 1000мкФ х 16В, С3 470мкФ х 25В.
В схемах аналогичных стабилизаторов разброс ёмкостей конденсаторов может быть весьма значительным. Правило простое: чем больше, тем лучше. Иногда значения ёмкостей в БП составляют десятки тысяч мкФ!

Осциллограммы на выходе выпрямителя и на выходе стабилизатора, практически, не отличаются:

Пока мой стабилизатор похож на один из экспонатов «Музея внеземных культур» (читай А. и Б. Стругацкие, «Жук в муравейнике»): "нечто в виде перепутанного в 3-х измерениях мотка колючей проволоки". Но он работает, а культурнее будет выглядеть, когда я вставлю его вновый БП. Позже я расскажу и об этом.

P.S. Ради исторической справедливости…
Где-то в начале 90-х, когда не было мобильников, зато были студенты, желающие кое-что делать своими руками, и мы с ними немного кое-чего паяли. Одна из конструкций, сохранившаяся с тех времён до сих пор и всё ещё работающая, это простой блок питания с защитой от КЗ.
Источник: «РАДИО», №5-6, 1981, с.55, Б. Иванов, «Конструкции юных радиолюбителей Монголии», «Блок питания с защитой от КЗ»:

Реально схема была собрана в корпусе блока питания из комплекта для кабинета физики «КЭФ-8». Напряжение на вторичной обмотке трансформатора позволило применить стабилитрон на более высокое напряжение. Был добавлен ещё один конденсатор на выходе и переменный резистор. Напряжение регулируется примерно от 2 до 12В, ток срабатывания защиты около 300 мА.

Отчасти именно поэтому я решил посвятить сие экспериментальное повествование Si-транзисторам.
При желании можно заменить все Si-транзисторы на Ge-транзисторы соответствующей мощности и повторить всё с начала.

©SEkorp, 26 май 2017г.