Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе

Большинство образцов современного бытового оборудования рассчитано на качественное питание от источников с нормированными показателями действующего в сети напряжения. Однако в реальности это случается крайне редко, так что чаще всего потребителю приходится довольствоваться низким качеством питания или принимать специальные меры по его стабилизации. Один из возможных выходов из создавшегося положения – использование схемы стабилизатора напряжения на полевом транзисторе.

Простейшая схема стабилизатора

Благодаря применению этого полупроводникового элемента удаётся обеспечить стабилизирующие функции источника питания, а также уберечь от повреждений подключённые к нему бытовые приборы.

Принцип стабилизации тока

Требования к управляющему элементу

Стабилизатор тока на полевом транзисторе – это самый простой и дешёвый способ  получения подходящего по качеству напряжения, обеспечивающего эффективную работу домашней аппаратуры. Принцип работы такого устройства основывается на следующих фундаментальных положениях:

• Основное назначение стабилизатора на полевом транзисторе – поддержание тока в цепи потребителя на строго фиксированном уровне;
• Схема его включения, помимо устранения токовых скачков, должна обеспечивать компенсацию перепадов мощности в нагрузочной цепи;

• Для повышения эффективности регулировки и обеспечения помехозащищённости всей схемы в ней должна быть предусмотрена цепь отрицательной обратной связи (ООС).

При выполнении всех перечисленных выше условий вопрос стабилизации по токовой нагрузке решается довольно просто.

Суть стабилизации

Работу управляющего органа схемы стабилизации можно представить следующим образом. В результате случайных колебаний мощности в нагрузке (из-за температурных или иных отклонений) протекающий через неё ток также меняет свою величину: увеличивается, например. Такое изменение сразу же проявляется в виде прироста падения напряжения на рабочей нагрузке.

По цепочке обратной связи зафиксированное отклонение передаётся на вход управляющей схемы и вызывает изменение проводящего режима регулирующего элемента (полевого транзистора). Поскольку связь является отрицательной, с увеличением напряжения ток через транзисторный переход и нагрузочную цепь уменьшается. При этом вся система возвращается к прежнему состоянию, что воспринимается как её стабилизация по токовой составляющей.

Выбор схемы включения

В зависимости от включения регулирующего элемента в цепь стабилизации, все известные схемы таких устройств делятся на три типа, а именно:

• С непрерывным отслеживанием состояния выходных параметров;
• Импульсный регулятор тока;
• Комбинированные системы.

Благодаря этой связи, все изменения выходных параметров моментально проявляются в виде соответствующих, но противоположных по знаку колебаний напряжения на входе регулирующего элемента (их вольтаж зависит от конкретно используемой схемы управления).

Стабилизаторы тока на полевом транзисторе, схемы которых будут рассмотрены далее, работают именно по этому принципу, обеспечивая непрерывность процесса регулировки. Импульсные и комбинированные системы отличаются большей сложностью и не рассматриваются в данном обзоре.

Устройство и работа полевого транзистора

Особенности полевых структур

Полевой транзистор, как регулируемый элемент схемы управления, может быть представлен в виде полупроводниковой структуры, состоящей из двух близко расположенных p-n переходов. Все эти электрические каналы связываются общим электрическим полем (смотрите рисунок).

Структура и принцип действия полевого транзистора

За счёт такого устройства полупроводникового элемента управление им осуществляется не током (как в биполярных транзисторах), а напряжением, подаваемым между затвором и стоком.

Вследствие данной особенности полевых структур они практически не расходуют мощности, то есть очень экономичны в смысле энергопотребления. Благодаря этому вся управляющая схема отличается мизерным расходом энергии, обеспечивая, тем не менее, достаточную эффективность регулировки выходного тока.

Принцип управления переходом

Из приведённой выше схемы можно сделать вывод, что у полевого транзистора имеется три рабочих электрода. Каждый из них выполняет свою функцию и имеет общепринятые обозначения, переводимые на русский язык как затвор, исток и сток. Эти наименования соответствуют привычным для многих аббревиатурным обозначениям БЭК (база, коллектор и эмиттер), имеющим непосредственное отношение к обычному биполярному транзистору.

Подобно этому хорошо знакомому элементу в полевых структурах управляющий потенциал подаётся между затвором и стоком, а управляемый более мощный сигнал снимется с нагрузки, включённой в цепь истока.

В отличие от существующих импульсных схем, в которых используется ключевой режим работы, в данном случае транзистор осуществляет непрерывную регулировку сигнала, корректируя выходной ток в нагрузке в соответствии с параметрами обратной связи (ООС).

Пример стабилизатора на полевом транзисторе

В качестве примера конкретного стабилизирующего устройства, имеющего более сложную структуру, рассмотрим следующую схему.

Рабочая схема стабилизирующего устройства

Основным элементом этой конструкции является полевой транзистор, обозначенный в схеме как IRLZ24/32/44 и выпускаемый в корпусах типа «TO-220».

Полевой транзистор

Для повышения нагрузочных характеристик этого элемента стабилизирующей цепи его рекомендуется устанавливать на радиатор, благодаря которому корпус изделия при нагреве сможет охлаждаться. Данная схема характеризуется следующими рабочими параметрами:

• Входное напряжение на регулировочном элементе – от 6-и до 50-ти Вольт;
• Выходное значение того же параметра располагается в диапазоне 3-27 Вольт (регулируется подстроечным резистором 33 кОм);
• Выходной ток – до 10 Ампер (при наличии «мощного» радиатора).

Установленные на входе и выходе фильтрующие конденсаторы C1, C2 могут иметь ёмкости от 10-ти до 22-х мкФ (без этих элементов схема вполне работоспособна, но качество фильтрации будет намного хуже). Используемый в схеме транзисторный элемент полевой структуры способен рассеивать мощность до 50-ти Ватт (с учётом установки его на радиатор площадью не менее 200 сантиметров квадратных).

Этот приём позволяет заметно улучшить качество сочленения в месте соприкосновения двух деталей и повысить наружную теплоотдачу (обеспечить отток тепла от нагреваемого изделия).

В заключительной части данного обзора отметим, что стабилизаторы на основе полевых структур отличаются предельной простотой и надёжностью. Несмотря на это, они обеспечивают довольно неплохие показатели стабилизации, вполне достаточные для бытовых нужд.

Видео