Регулятор напряжения 121.3702

Бесконтактный транзисторный регулятор напряжения 121.3702 (см.рис.) применяется с генератором Г221А взамен вибрационного регулятора напряжения РР380. Схема регулятора достаточно проста и типична, что позволяет использовать ее для иллюстрации принципа работы транзисторных регуляторов.
Эталонной величиной в регуляторе является напряжение стабилизации стабилитрона VD1. Характерной особенностью стабилитрона является то, что если напряжение между его катодом и анодом по величине меньше напряжения стабилизации, ток через него практически не протекает. Если напряжение между катодом и анодом достигает величины напряжения стабилизации, ток через стабилитрон резко возрастает, происходит "пробой" стабилитрона. При этом напряжение между его катодом и анодом остается практически неизменным.

Измерительным органом в регуляторе является делитель напряжения, состоящий из резистора R2 и двух параллельно включенных резисторов R1 и R3. К стабилитрону VD1 через переход эмиттер-база транзистора VT1 подводится та часть напряжения генератора, которая выделяется на параллельно включенных резисторах R1, R3. Стабилитрон является органом сравнения в регуляторе напряжения. Регулирующим органом в схеме является электронное реле на трех транзисторах VT1—VT3. Эти транзисторы при работе регулятора напряжения могут находиться в одном из двух состояний — открытом (ток в цепи эмиттер-коллектор транзистора протекает) и закрытом — ток в цепи эмиттер-коллектор отсутствует. Цепь между эмиттером и коллектором в этом смысле аналогична контактам реле. Для перехода транзистора из закрытого в открытое состояние в цепи эмиттер-база должен появиться ток, для чего к переходу эмиттер-база следует приложить напряжение соответствующей полярности, т. е. переход эмиттер-база должен быть смещен в прямом направлении. Ток, открывающий транзисторы типа P—N—P, протекает от эмиттера к базе (эмиттер имеет более высокий потенциал, чем база), а типа N—Р—N — от базы к эмиттеру (положительный потенциал на базе относительно эмиттера).
Если переход эмиттер-база смещен в обратном направлении, то транзистор закрыт.

• Регулирование напряжения транзисторным регулятором происходит следующим образом. До пуска двигателя при включении выключателя зажигания 5 (см. рис.3а здесь) напряжение аккумуляторной батареи подводится к делителю напряжения R1—R3. При этом к стабилитрону VD1 поступает та часть этого напряжения, которая выделяется на плече делителя, образованном параллельно включенными резисторами R1, R3. Резистор R1 настройки регулятора подбирается таким образом, чтобы напряжение на резисторах R1, R3 при включении только аккумуляторной батареи было меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD1, т. е недостаточно для его пробоя. При этом стабилитрон препятствует протеканию тока в цепи базы транзистора VT1, который находится, следовательно, в закрытом состоянии. Транзисторы VT2 и VT3 открыты, так как в цепях их баз протекают токи — у транзистора VT2 через резистор R5, а у транзистора VT3 — через переход эмиттер-коллектор транзистора VT2.
• Транзисторы VT1 и VT2 имеют тип P—N—P, а транзисторы VT3 — N—P—N. Следовательно, при включении аккумуляторной батареи электронное реле регулятора напряжения находится во включенном состоянии, его выходной транзистор VT3 открыт и ток от аккумуляторной батареи поступает в обмотку возбуждения, обеспечивая возбуждение генератора.
• После пуска двигателя генератор вступает в работу, его напряжение возрастает до тех пор, пока напряжение на плече делителя R1, R3 не станет равным напряжению стабилизации стабилитрона VD1. При этом стабилитрон пробивается, возникает ток в базе транзистора VT1 и он открывается. Поскольку сопротивление перехода эмиттер-коллектор открытого транзистора мало, то этот переход транзистора VT1 практически накоротко соединяет базу с эмиттером транзистора VT2, шунтирует этот его переход, ток в базе транзистора VT2 прекращается и он закрывается.
• Если закрыт транзистор VT2, то закрывается и транзистор VT3, так как ток в его базовой цепи прерывается. Электронное реле регулятора переходит в выключенное состояние, ток в обмотке возбуждения уменьшается, соответственно уменьшается и напряжение генератора. При этом уменьшается напряжение на резисторах R1, R3. Как только оно становится меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрывается, VT2 и VT3 открываются, напряжение генератора возрастает, т. е. процесс повторяется.

Транзистор VT2 играет в схеме роль усилителя. Применение в схемах нескольких транзисторов связано с тем, что на входе регулятора обычно коммутируется ток в десятки миллиампер в то время, как на выходе ток современных регуляторов напряжения достигает 5 А. При этом коэффициент усиления схемы регулятора по току лежит в пределах 300—800. Такого усиления на одном транзисторе достичь невозможно.
Таким образом, регулирование напряжения генератора производится ступенчато. Электронное реле регулятора напряжения переходит от включенного к выключенному состоянию и обратно, то подключая обмотку возбуждения к источнику питания, то ее отключая. В зависимости от режима работы генератора меняется относительное время нахождения реле во включенном или выключенном состоянии, чем и обеспечивается автоматическое поддержание напряжения генератора на заданном уровне. Гасящий диод VD2 предотвращает появление опасных импульсов напряжения при запирании транзистора VT3 и прерывании тока в обмотке возбуждения.

• Появление импульса высокого напряжения предотвращается тем, что при запирании транзистора VT3 ток обмотки возбуждения имеет возможность протекать через гасящий диод, обмотка возбуждения этим диодом оказывается замкнута практически накоротко и опасных последствий прерывания тока не происходит.
• Обратные связи в схеме регулятора повышают качественные показатели его работы, увеличивают частоту переключения его электронного реле, снижают потери в транзисторах при переключении, обеспечивают разницу между напряжениями включения и выключения электронного реле регулятора и т. д.
• Через обратные связи осуществляется воздействие сигнала на выходе элемента на вход этого же или другого элемента. В этом смысле измерительный элемент регулятора, его входной делитель напряжения, является главной обратной связью в системе автоматического регулирования напряжения генератора — он подает выходное напряжение генератора на вход регулятора напряжения.
• Через резисторы в регуляторе осуществляется жесткая обратная связь, через цепи с конденсатором — гибкая. Жесткая обратная связь отличается от гибкой тем, что передает сигнал без задержки по времени.

В изображенной на рисунке схеме имеются два элемента обратной связи — цепь, состоящая из конденсатора С1 и резистора R4, а также конденсатор С2. Цепь R4, С1 связывает коллектор транзистора VT2 с базой транзистора VT1, т. е. выход транзистора VT2 с входом VT1. Эта цепь снижает потери в транзисторах VT1-VT3 при их переключении. До пробоя стабилитрона VD1 конденсатор С1 разряжается через переходэмиттер-коллектор транзистора VT2 и резисторы R4,R7.
С переходом транзистора VT1 в открытое состояние, а VT2 и VT3 в закрытое конденсатор С1 заряжается через эмиттер базовый переход транзистора VT1, резисторы R4R6, предохранитель. При этом переход база-эмиттер VT1 получает по цепи R4С1 дополнительный импульс тока, сокращающий время перехода транзистора VT1 в открытое состояние, а транзисторов VT2 и VT3 в закрытое состояние и, следовательно, снижающий потери мощности в транзисторах при их переключении. Конденсатор С2 связывает вход и выход транзистора VT1, что делает этот транзистор интегрирующим звеном, основной особенностью которого является подавление высокочастотных колебаний при их прохождении. Наличие интегрирующего звена исключает самовозбуждение схемы, влияние на регулятор посторонних электромагнитных помех. Резисторы R5—R7 обеспечивают нужный режим работы транзисторов в открытом и закрытом состояниях. Так, резистор R5 ограничивает на требуемом уровне ток базы транзистора VT2, резистор R6 позволяет транзистору VT3 закрыться полностью.

• Схема имеет два элемента защиты — предохранитель FU, который разрывает цепь при токовой перегрузке выходного транзистора, и диод VD3, защищающий регулятор от импульсов напряжения обратной полярности.