5.5. Ограничение выходного тока стабилизатора

Если выход стабилизатора подключить (закоротить) на "землю", то потечет большой ток, который вызовет большое выделение мощности на проходном транзисторе. Транзистор перегревается и выходит из строя. Для предотвращения этого ограничивают выходной ток. Рассмотрим сначала ограничение тока на неизменном уровне. Для этого в схему стабилизатора на рис.5.4 вводят резисторR5 и транзистор VT3. Если при увеличении выходного тока напряжение наR5 превысит величину примерно 0,6 В, то откроется транзисторVT3 и отведет часть базового тока составного транзистора в нагрузку. Ток коллектора составного транзистора уменьшится. Величина выходного тока транзистора ограничится уровнемI_{вых max}0,6 В /R5. Отсюда можно найти сопротивление ограниченияR5 = 0,6 В /I_{вых max}. При расчетах максимальный выходной ток берется больше номинального в 1,2 – 1,4 раза.

Мощность, рассеиваемая на проходном транзисторе, будет равна

P_vт1 =I _выхmax(U_вх–U_вых).

Ипри коротком замыкании (U_вых= 0) может быть такой, что превысит допустимую.

Для уменьшения рассеиваемой мощности можно с уменьшением выходного напряжения уменьшать и величину тока ограничения.

Схема стабилизатора с изменяющимся уровнем тока ограничения показана на рис.5.5. Напряжение база – эмиттер транзистора VT3 равно сумме напряжений на сопротивленияхR5 иR6 и при нормальной работе меньше напряжения, требуемого для включения транзистора. СопротивлениеR5 меньше сопротивленияR6, следовательно, иU_R5 <U_R6, т.к. через них практически течет один и тот же ток. При возрастании выходного тока до некоторого порогового значенияI_пор, напряжение на сопротивлении ограниченияR5 становится таким, что отпирается транзистор VT3 происходит ограничение выходного тока, точно так же, как и в схеме на рис.5.5. Однако с уменьшением выходного напряжения возрастает ток через сопротивленияR7 иR6. Увеличивающееся напряжение на сопротивленииR6 помогает удерживать транзисторVT3 в открытом состоянии. Так какU_{бэ vт3}=U_R5+U_R6открытого транзистора изменяется незначительно, то увеличение напряжения наR6 приведет к уменьшению напряжения на сопротивленииR5, а, следовательно, и выходного тока. Итак, по мере возрастания напряжения наR6, выходной ток будет уменьшаться. А напряжение наR6 возрастает, как было отмечено, при уменьшении выходного напряжения. Таким образом, с уменьшением выходного напряжения и возрастании напряжения на проходном транзисторе выходной ток уменьшается и уменьшается рассеиваемая мощность на транзисторе по сравнению с предыдущей схемой.

Выполним расчет схемы стабилизатора с изменяющимся уровнем тока ограничения. Выберем тип транзистора ограничения тока VT3. Для этого подойдет транзистор КТ375А или его зарубежный аналог 2N3904. Для этого транзистора напряжение база-эмиттер выключенияU_{бэ выкл} = 0,4В, напряжение база-эмиттер включенияU_{бэ вкл}= 0,7В,_min= 50.

1. Найдем R5 =U_{бэ выкл} /I_{вых max}= 0,4B/ 1A= 0,4 Ом.

2. Сопротивления R6 иR7 выбираются из условия короткого замыкания выхода стабилизатора. ПриU_вых= 0 и полностью включенном транзисторе ограниченияVT3U_{бэ вкл}=U_R6+U_R5= 0,7B. При коротком замыкании напряжение на резисторе ограничения, выбирают равнымU_R5= 0,2I_{вых max}R5. Напряжение наR6

U_R6=U_{бэ вкл}-U_R5= 0,65B- 0,2I_{вых max}R5 = 0,7B– 0,21A0,4 Ом = 0.68 В. Ток через сопротивленияR6 иR7 выбираем намного больше тока базы транзистораVT3.

I_R6 I_R7= 20I_{б vт3}.= 20(U_{вх max}/R3) /_minVТ3 = 20(18B/ 0,94кОм) / 50 = 7,66 мА. Теперь можем найтиR6 =U_R6/I_R6= 0,68B/ 7,66 мA= 89 Ом.

R7 = (U_{вх min}-U_{бэ вкл}) /I_R7= (13B– 0,7B) / 7,66 мА = 1,6 кОм.

3) Теперь проверим, что при максимальном входном напряжении и максимальном выходном токе напряжение на R6 мало и не оказывает влияние на работу ограничителя тока:

U_R6= (U_{вх max}–U_вых)R6 / (R6 +R7) -U_R5= [(18B– 9B) 89 Ом ]/(89 Ом + 1600 Ом) – 0,4B= 0,074 В. Полученная величина вполне допустима т. к. напряжениеU_{бэ VТ3}= 0,4 В + 0,074 В = 4,74 В а этого недостаточно для отпирания транзистора ограничения тока.