Для примера приведём описание релейного стабилизатора на базе микросхемы К554СА2 (рис. 7).
Рис. 7. Релейный стабилизатор с регулированием выходного напряжения
В нем компаратор DA1работает от источников напряжением + 12 и — G В. Эта комбинация образована подключением вывода 11положительного питания DA1к эмиттеру транзистора V TI(+18 В), вывода 2 — к стабилитрону V D6(примерк +6 В), вывода 6отрицательного питания — к нулевому потенциалу общей шины. Опорное напряжение стабилизатора формируется диодами V D3— VD5,оно равно +4,5 В. Это напряжение подается ка неинвертирующий вход компаратора DA1,включенного по схеме детектора уровня с гистерезисной характеристикой из-за положительной обратной связи по цепи R5, R3.Цепь отрицательной обратной связи замыкается через усилительный транзистор V T2,ключевой элемент на транзисторах V T3, VT4и фильтр L 1C7.Глубину отрицательной обратной связи по выходному напряжению регулируют переменным резистором R4,в результате оно изменяется в пределах 4…20 В при минимальном входном нестабилизированном напряжении +23 В и максимальном — до +60 В с применением элементов, рассчитанных на такое напряжение. В то же время переменная составляющая выходного напряжения (пульсации) проходит без ослабления через конденсатор С4,поэтому регулирование выходного напряжения не приводит к пропорциональному изменению пульсаций.
Данный стабилизатор напряжения относится к числу автогенерирующих, когда в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, разряжающего накопительный конденсатор С7,автоматически меняется как период автоколебаний, так и время включенного состояния транзисторов V T3, VT4.Усилитель управления на компараторе DA1и транзисторе V T2открывает ключевой элемент в тот момент, когда потенциал инвертирующего входа станет немного меньше, чем потенциал неин–вертирующего (опорного) входа. В этот момент напряжение на нагрузке падает несколько ниже заданного Уровня стабилизации, т. е. пульсирует. После включения транзисторов V T3, VT4ток через дроссель L 1нарастает, его индуктивность и конденсатор С7запасают энергию, так что потенциал инвертирующего входа повышается. Благодаря действию усилителя управления ключевой элемент закрывается. Затем фильтр L 1C7отдает некоторую часть запасенной энергии в нагрузку, причем полярность напряжения на дросселе L 1изменяется и цепь питания замыкается через диод V D7.Как только напряжение на конденсаторе С7станет ниже опорного на величину гистерезиса, вновь включаются транзисторы V T3, VT4.Далее циклы повторяются.
Скорость этих процессов определяется номиналами дросселя L 1,конденсатора С7и нагрузкой. Оценку частоты можно произвести по формуле
где АU — амплитуда пульсаций выходного напряжения.
Очевидно, что изменение частоты автоколебаний релейного стабилизатора можно значительно уменьшить, если увеличить разность между входным и выходным напряжениями. Частота автоколебаний, когда стабилизатор работает с лучшим КПД, составляет 10…40 кГц.
Особое внимание следует обратить на выбор материала сердечника дросселя и типа демпфирующего диода V D7.
Наилучший материал тороидального сердечника без зазора — прессованный порошкообразный пермаллой марок МП160-1, МП140-1, МП140-3. При выборе параметров дросселя следует обеспечить условие непрерывности тока, когда время полной разрядки дросселя через диод V D7на конденсатор С7и нагрузку больше, чем время закрытого состояния ключевого элемента. Необходимо выполнение следующего неравенства;
где I нагр— минимальное значение силы тока нагрузки.
Можно также применить дроссели фильтров промышленного изготовления, например из серий Д8, Д5 — плоские и др., среди которых выбирают типономинал с требуемой индуктивностью, рассчитанной на ток под–магничивания не менее ожидаемого максимального тока нагрузки и пригодный к использованию на частотах до 50 кГц.
Диод V D7должен быть обязательно быстродействующим с большим допустимым импульсным током, не менее удвоенного значения тока нагрузки. В стабилизаторе по схеме на рис. 7, где ток нагрузки 2 А, возможна замена его на диоды КД212Б, КД217А и некоторые другие.
Кроме того, необходимо выбрать высококачественный оксидно–полупроводниковый конденсатор С7с двойным запасом по емкости относительно расчетной величины и по номинальному напряжению, желательно из ряда К53 или танталовый типов К52-7А, К52-9, К52-10. Можно применить бумажные конденсаторы, но габариты стабилизатора тогда увеличатся.
Как известно, емкость электролитических конденсаторов с ростом частоты уменьшается, а потери в них возрастают. Ориентировочно для танталовых конденсаторов типа ЭТО емкость на частоте 20 кГц уменьшается в 10 раз, а для оксидно–полупроводниковых-= на 30… 40 % по сравнению со значением емкости на частоте 50 Гц. Поэтому и приходится выбирать емкость конденсатора С7с запасом, а также ограничивать частоту автоколебаний до 20 кГц. Это — оптимальная величина. Фильтрующие конденсаторы малой емкости объединяют параллельно в батарею, которую дополнительно шунтируют керамическим конденсатором С9емкостью не менее 1,5…2,2 мкФ. Если такой возможности нет, можно увеличить ДU, а к выходу подключить дополнительный фильтр с малым омическим сопротивлением, чтобы на нем не создавать заметного падения напряжения при изменениях тока нагрузки.
Несоблюдение этих рекомендаций обычно приводит к тому, что на низкокачественных дросселе, диоде и конденсаторе фильтра выделяется чрезмерная мощность, падает КПД стабилизатора и возрастают пульсации отфильтрованного напряжения. Разумеется, что транзисторы ключевого элемента также необходимо выбирать высокочастотными и достаточной мощности.
Приведенная на рис. 7 схема релейного стабилизатора может быть дополнительно снабжена устройством защиты от превышения тока нагрузки в режиме короткого замыкания. Амплитуда пульсаций выходного напряжения при определенных условиях может быть уменьшена путем подключения ключевого элемента к части обмотки дросселя L 1,а диода V D7 —ко всей его обмотке. При этом напряжении коллектор — эмиттер транзистора V T4становится меньше, а обратное напряжение на диоде V D7— больше.
Большая потребность в стабилизаторах для питания аппаратуру привела к тому, что были разработаны и внедрены специальные линейные микросхемы — стабилизаторы напряжения. В интегральном исполнении преобладают последовательные регуляторы с непрерывным пли импульсным режимом управления. Стабилизаторы строятся как для положительных, так и для отрицательных напряжений питания. Выходное напряжение может быть регулируемым или фиксированным, например +5 В для питания блоков с цифровыми ТТЛ–микросхемами или ± 15 В для аналоговых микросхем. Микросхемам с большими токами нагрузки необходимы радиаторы охлаждения. Это не вызывает конструктивных трудностей, так как микросхемы размещены в таких же корпусах, как и мощные транзисторы.