Бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения

Основу бесконтактных транзисторных регуляторов напряжения составляют транзисторные реле с эмиттерной и коллекторной обратной связью.

Схема бесконтактного транзисторного регулятора напряжения с эмиттерной обратной связью приведена на рис. 1. Измерительным органом регулятора является цепь R1-R2-R-VD1. регулирующим устройством - транзисторное реле с эмиттерной обратной связью (транзисторы VT1, VT2, диод VD2, резисторы R3, R4 и резистор обратной связи R_o.с). Транзисторное реле нагружено обмоткой W1 возбуждения генератора, шунтированной диодом VD3.



При напряжении на резисторе R1, меньшем порогового напряжения стабилитрона VD1, стабилитрон не пробит и сила тока, протекающего по цепи R-VD1, практически равна нулю. Напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, вычисляется по выражению U_э1=U_R-U_Ro.с. Следовательно, транзистор VT1 находится в состоянии отсечки. Напряжение на его эмиттерно-коллекторном переходе практически равно напряжению генератора и приложено к эмиттерному переходу транзистора VT2 в прямом направлении. Транзистор VT2 находится в состоянии насыщения. Степень насыщения зависит от сопротивления резистора R3.


Поскольку сопротивление резистора R_o.c и падение напряжения на диоде VD2 невелики, то можно считать, что к обмотке возбуждения подается практически полное напряжение генератора, что обеспечивает самовозбуждение и увеличение напряжения генератора U_г.

При напряжении генератора, равном напряжению срабатывания транзисторного реле, в цепи R-VD1 возникает сила тока стабилизации стабилитрона. Напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 достигает порогового значения и транзистор переходит из состояния отсечки в состояние насыщения, шунтируя переход эмиттер-база транзистора VT2. Транзистор VT2 переходит из состояния насыщения в состояние отсечки, сила тока возбуждения понижается, что приводит к уменьшению создаваемого обмоткой возбуждения магнитного потока, ЭДС и напряжения генератора. Это вызывает скачкообразное понижение входного напряжения на транзисторе VT1 и переключение его из состояния насыщения в состояние отсечки. Необходимое смещение эмиттерного перехода транзистора VT2 при его переключении в состояние отсечки обеспечивается подбором параметров цепи VD2-R4.

Как только напряжение генератора достигает напряжения перехода в исходное состояние транзисторного реле, напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT2 достигает порогового значения, при котором транзистор VT2 начинает переключаться из состояния отсечки в состояние насыщения, что обусловливает повышение силы тока возбуждения и напряжения генератора. Транзистор VT1 из состояния насыщения переключается в состояние отсечки, а транзистор VT2 из состояния отсечки - в состояние насыщения. Релейный эффект в регуляторе достигается посредством резистора R_о.с, обеспечивающего положительную обратную связь.


Схема регулятора напряжения с коллекторной обратной связью приведена на рис. 2, а. Регулятор напряжения содержит фильтр, функции которого выполняет катушка индуктивности Ы, измерительное устройство (резисторы RI, R2, R4 и стабилитрон VD1) и регулирующее устройство - транзисторное реле с коллекторной обратной связью (транзисторы VT1, VT2, диод VD2, резисторы R5, R6 и R3). Нагрузкой транзисторного реле является обмотка возбуждения W2 генератора, шунтированная диодом VD3.



В регуляторе напряжения используются кремниевые транзисторы n-p-n типа. Так как кремниевые транзисторы имеют сравнительно высокое пороговое напряжение, то отрицательного смещения на эмиттерном переходе не создается.

Частота пульсаций напряжения, выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем, при максимальной частоте вращения ротора составляет несколько килогерц. Такая частота переключений транзистора ведет к большим изменениям напряжения и низкой точности регулирования. Поэтому применяют фильтры и напряжение регулируют по среднему выпрямленному напряжению U_d. Регулятор напряжения работает в режиме автоколебаний.


Особенностью рассматриваемого регулятора напряжения является наличие коллекторной обратной связи через резистор R3, включенный между коллектором транзистора VT2 и базой транзистора VT1. При напряжении U_d, равном напряжению срабатывания реле, по цепи VD1-R4 протекает ток стабилизации стабилитрона. Напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 достигает порогового значения. Транзистор VT1 начинает переключаться из состояния отсечки в состояние насыщения. Транзистор VT2 переходит в состояние отсечки. При этом потенциал коллектора транзистора VT2 возрастает, сила тока в цепи R3-R4 увеличивается, что приводит к скачкообразному повышению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT1 и резкому переключению его в состояние насыщения. Напряжение на переходе эмиттер-коллектор транзистора также скачкообразно уменьшается. Чтобы обеспечить состояние отсечки транзистора VT2, напряжение эмиттер-коллекторного перехода транзистора VT1 подается ко входу транзистора VT2 через диод VD2.

При напряжении U_d, равном напряжению возврата, потенциал коллектора транзистора VT2 и сила тока обратной связи уменьшаются, что приводит к скачкообразному снижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT1 и переключению его из состояния насыщения в состояние отсечки.

В схеме регулятора напряжения на рис. 2, б предусмотрена защита от коротких замыканий в обмотке возбуждения. Так как регулятор предназначен для работы в генераторной установке напряжением 28 В, в нем установлены два стабилитрона VD1 и VD2.


Для обеспечения стабильности регулируемого напряжения с изменением температуры в делителе напряжения предусмотрен резистор RK1. Кроме того, в регулятор напряжения входит переключатель S1 (зима - лето) для изменения уровня регулируемого напряжения.

Защиту регулятора напряжения от коротких замыканий обмотки возбуждения обеспечивает транзистор VT2, цепочка C2-R6-R8 и разрядный диод VD3.

При коротком замыкании обмотки возбуждения транзистор VT3 переключается в активное состояние. В этом режиме на транзисторе выделяется большая мощность и резко повышается его температура, что ведет к тепловому пробою переходов и отказу регулятора напряжения. Защита необходима, чтобы уменьшить время нахождения транзистора VT3 в активном состоянии.

Как только возникает короткое замыкание обмотки возбуждения, происходит заряд конденсатора С2 по цепи "+" генератора - C2-R6-R8 - ’’масса". Напряжение на резисторе R8 становится достаточным, чтобы переключить транзистор VT2 в состояние насыщения, а транзистор VT3 -в состояние отсечки. Транзистор VT2 будет находиться в состоянии насыщения до тех пор, пока напряжение на резисторе R8 не станет примерно равным пороговому напряжению.

По истечении времени насыщения транзистор VT2 переключается в состояние отсечки, а транзистор VT3 переходит в активное состояние. Конденсатор С2 начнет разряжаться по цепи VT3-VD3. После разряда конденсатор С2 вновь заряжается и транзистор VT2 переходит в состояние насыщения, а транзистор VT3 - в активное состояние. В результате время нахождения транзистора VT3 в активном состоянии резко уменьшается и, соответственно, уменьшается мощность рассеяния транзистора.

Для повышения коэффициента усиления по току и входного сопротивления применяют составные транзисторы. Схема бесконтактного транзисторного регулятора напряжения с составным транзистором приведена на рис. 3. Эмиттером составного транзистора VT2-VT3 является эмиттер транзистора VT3, а базой - база транзистора VT2. Коллекторы обоих транзисторов соединены между собой. Два транзистора, включенные по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона), могут рассматриваться как один с большим коэффициентом усиления. Применение составного транзистора позволяет снизить силу его базового тока, а следовательно, исключить использование в цепи базы резистора с большим сопротивлением и снизить рассеиваемую мощность в регуляторе, что способствует уменьшению его размеров.



Регулятор имеет жесткую эмиттерную обратную связь через резистор R7 и гибкую коллекторную по цепи R9-C1. Конденсатор С2 выполняет функции фильтра. Применение гибкой обратной связи ускоряет процессы переключения транзисторов. Если составной транзистор находится в состоянии насыщения, напряжение в цепи R4-C1-R9 мало и ток в ней отсутствует. При переходе составного транзистора в состояние отсечки потенциал его коллектора резко возрастает. В цепи R9-C1-R4 -эмиттерный переход транзистора VT1 возникает импульс тока, форсирующий процесс переключения транзистора VT1 и транзистора VT3. Конденсатор С1 разряжается. При переключении транзистора VT3 из состояния отсечки в состояние насыщения конденсатор С1 разряжается по цепи R9-VT3-VT1, создавая на входе транзистора VT1 импульсы обратной полярности. Процесс переключения транзистора VT1 из состояния насыщения в состояние отсечки ускоряется. По рассмотренной принципиальной схеме выполнены регуляторы Я112 и Я120 и их модификации.

Применение составного транзистора в регуляторе напряжения приводит к повышению начальной частоты тока отдачи генератора, так как падение напряжения на составном транзисторе больше, чем на обычном транзисторе. Для снижения этой частоты в регуляторах напряжения применяют каскадное соединение транзисторов (рис. 4). Регулятор на рис. 2, б отличается от регулятора на рис. 4 тем, что содержит дополнительный каскад усиления на транзисторе VT2. При напряжении U_d, меньшем напряжения срабатывания регулятора, транзистор VT1 находится в состоянии отсечки, а транзисторы VT2 и VT3 - в состоянии насыщения. При достижении U_d значения напряжения срабатывания транзистор VT1 переходит в состояние насыщения, а транзисторы VT2 и VT3 - в состояние отсечки. Коллекторная обратная связь в регуляторе напряжения осуществляется с помощью резистора R6.



Регулятор напряжения 201.3702 (рис. 5) предназначен для работы с генераторами Г250, 32.3701.



Резисторы RI, R2, R3 и R4 образуют измерительный элемент регулятора. Резистором R1 в делителе напряжения обеспечивается настройка регулятора. Элементом сравнения является стабилитрон VD1. Стабилитрон расположен не в цепи базы, а в цепи эмиттера входного транзистора VTL Так как транзистор VT1 открывается током перехода эмиттер-база, то перенос стабилитрона из цепи базы в цепь эмиттера на принцип работы регулятора влияния не оказывает. Однако, поскольку сила тока в цепи эмиттера больше, чем в цепи базы, этот перенос способствует более стабильной работе регулятора напряжения по уровню поддерживаемого им напряжения.

Регулирующим элементом является часть схемы на транзисторах VT1, VT3, VT4 и VT5. Транзисторы VT4 и VT5 включены по схеме составного транзистора.

Когда транзистор VT1 находится в состоянии насыщения, транзистор VT3 находится в том же состоянии, так как ток его базы протекает через переход эмиттер-коллектор VT1. Составной транзистор VT4, VT5 закрыт, так как его переход эмиттер-база шунтирован переходом эмиттер-коллектор транзистора VT3. Если транзистор VT1 закрыт (что бывает при низком напряжении, когда ток через стабилитрон VD1 не протекает), то закрыт транзистор VT3 и открыт составной транзистор VT4, VT5.

Жесткая обратная связь осуществляется резистором R6. При переходе составного транзистора VT4, VT5 в открытое состояние резистор R6 подключается параллельно резистору R4 входного делителя напряжения. Это приводит к скачкообразному повышению напряжения на стабилитроне VD1, к уменьшению времени его отпирания и отпирания транзисторов VT4, VT5. При запирании составного транзистора резистор R6 отключается от резистора R4, что способствует скачкообразному уменьшению напряжения на стабилитроне VD1 и к уменьшению времени запирания. Следовательно, резистор R6 жесткой обратной связи повышает частоту переключения регулятора напряжения.




Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию пульсаций входного напряжения и исключает их влияние на работу регулятора напряжения.

При нормальном режиме работы регулятора напряжения транзистор VT2 обеспечивает форсированный переход транзисторов VT3, VT4 и VT5 из состояния отсечки в состояние насыщения и обратно. В результате снижаются потери мощности при переключении. В этом случае транзистор VT2 вместе с конденсатором С2 и резистором R9 осуществляют гибкую обратную связь в регуляторе.

В аварийном режиме схема с транзистором VT2 защищает составной транзистор VT4, VT5 от перегрузки. Средняя сила тока, проходящего через выходной транзистор, который переходит в автоколебательный режим работы, невелика и не может вывести его из строя.

Диод VD3 является гасящим диодом. Диод VD4 защищает регулятор от импульсов напряжения обратной полярности. Остальные элементы обеспечивают нужный режим работы полупроводниковых элементов схемы.

Регулятор напряжения 13.3702 (рис. 6), работающий в комплекте с генератором 16.3701, имеет измерительный элемент - делитель на резисторах R1 и R2. Делитель соединен с элементом сравнения - стабилитроном VDL Электронное реле регулятора собрано на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Силовым транзистором в выходной цепи регулятора является составной транзистор VT2, VT3. Обмотка возбуждения генератора соединена с выводом "+".



Цепь жесткой обратной связи состоит из резисторов R3, R4 и диода VD2. При закрытом транзисторе VT1 одно из плеч делителя напряжения образуется параллельно включенным резистором R1 (он является подстроечным) и последовательно соединенными между собой резисторами R3 и R4. При переходе в состояние насыщения транзистор VT1 шунтирует совместно с диодом VD2 резистор R4. Напряжение на стабилитроне резко уменьшается, что приводит к ускоренному переключению транзистора в состояние отсечки. Таким образом, цепь жесткой обратной связи повышает частоту переключения регулятора напряжения.

Гибкая обратная связь, обеспечиваемая конденсаторами С1 и С2, снижает влияние электромагнитных помех, в том числе и пульсаций выпрямленного напряжения, на работу регулятора напряжения и предотвращает возможность его самовозбуждения при высокой частоте.

Гибкой обратной связью является также цепь конденсатор СЗ -резистор R9. Она обеспечивает ускоренное запирание транзисторов регулятора. Конденсатор С4 фильтрует высокочастотные импульсы на входе в регулятор.

В регуляторе предусмотрены два элемента защиты. От токовых перегрузок выходной транзистор защищен предохранителем F, а от импульсов напряжения обратной полярности - диодом VD5.

Отличием регулятора напряжения РР132-А (рис. 7) является отсутствие в нем конденсаторов. Вместо них в схему включена катушка индуктивности L, сглаживающая пульсации выпрямленного напряжения для предотвращения ложного срабатывания регулятора. На выходе регулятора стоят два параллельно включенных транзистора VT2 и VT3, что повышает надежность работы регулятора. Переключатель SQ изменяет уровень напряжения, поддерживаемого регулятором (посезонная регулировка). Стабилитроны VD2-VD4 в цепях баз выходных транзисторов обеспечивают надежное их запирание. Диод VD5 гасящий.



Регулятор напряжения 23.3702 (рис. 8) работает в схемах генераторных установок автобусов с дизелями. С его помощью поддерживается напряжение 28 В. Посредством переключателя SQ обеспечивается установка трех уровней регулируемого напряжения. Транзисторы VT1 и VT3 образуют электронное реле, управляющее током в обмотке возбуждения генератора. Транзистор VT2 вместе с цепью C3-R12 обеспечивает гибкую обратную связь и защиту схемы от замыканий в цепи обмотки возбуждения.