Параметрический стабилизатор — основные параметры

В маломощных схемах на нагрузку до 20 миллиампер применяется устройство с малым коэффициентом действия, и называется параметрическим стабилизатором. В устройстве таких приборов имеются транзисторы, стабилитроны и стабисторы. Они применяются в основном в компенсационных устройствах стабилизации в качестве опорных источников питания. Параметрические стабилизаторы в зависимости от технических данных могут быть 1-каскадными, мостовыми и многокаскадными.

Стабилитрон в устройстве прибора подобен подключенному диоду. Но обратный пробой напряжения больше подходит для стабилитрона и является базой его нормальной работы. Эта характеристика нашла популярность для разных схем, где необходимо создавать ограничение сигнала входа по напряжению.

Такие стабилизаторы являются быстродействующими приборами, и защищают участки с повышенной чувствительностью от импульсных помех. Применение таких элементов в новых схемах является показателем их повышенного качества, которое обеспечивает постоянное функционирование в разных режимах.

Схема стабилизатора

Базой этого прибора является схема подключения стабилитрона, применяющаяся и в других видах приборов вместо источника питания.

Схема включает в себя делитель напряжения из балластного сопротивления и стабилитрона, к которому параллельно подключена нагрузка. Устройство выравнивает напряжение на выходе при переменном питании и нагрузочном токе.

Действие схемы происходит следующим образом. Напряжение, повышающееся на входе прибора, вызывает повышение тока, который проходит через сопротивление R1 и стабилитрон VD. На стабилитроне напряжение остается постоянным из-за его вольтамперной характеристики. Поэтому не меняется и напряжение на нагрузке. В итоге все преобразованное напряжение будет приходить на сопротивление R1. Такой принцип действия схемы позволяет сделать расчет всех параметров.

Принцип действия стабилитрона

Если стабилитрон сравнивать с диодом, то при подключении диода в прямом направлении по нему может проходить обратный ток, который имеет незначительную величину в несколько микроампер. При повышении обратного напряжения до некоторой величины возникнет пробой электрический, а если ток очень велик, то произойдет и тепловой пробой, поэтому диод выйдет из строя. Конечно, диод может работать при электрическом пробое при снижении тока, проходящего через диод.

Стабилитрон спроектирован так, что его характеристика на участке пробоя имеет повышенную линейность, а разность потенциалов пробоя достаточно стабильна. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона выполняется при его функционировании на обратной ветви свойства тока и напряжения, а на прямой ветке графика стабилитрон работает как обычный диод. На схеме стабилитрон обозначается:

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

• Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
• Наибольший допустимый ток стабилизации . Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
• Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
• Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

Расчет параметрического стабилизатора

Добротность функционирования прибора вычисляется по коэффициенту стабилизации, который вычисляется по формуле: Кст U = (ΔUвх / Uвх) / (ΔU вых / Uвых).

Далее расчет стабилизатора с применением стабилитрона производится в сочетании с балластным резистором в соответствии с типом применяемого стабилитрона. Для расчета используются рассмотренные ранее параметры стабилитрона.

Определим порядок расчета на примере. Возьмем исходные данные:

• U вых=9 В;
• I н =10мА;
• ΔI н = ±2мА;
• ΔU вх = ± 10% Uвх

По справочнику подбираем стабилитрон Д 814Б, свойства которого:

• U ст = 9 В;
• I ст. макс = 36 мА;
• I ст. мин = 3 мА;
• R д = 10 Ом.

Далее вычисляется входное напряжение: Uвх = nст *Uвых, где nст – коэффициент передачи. Функционирование стабилизатора станет эффективнее, если этот коэффициент будет в пределах 1,4-2. Если nст =1,6, то U вх= 1,6 * 9 = 14,4 В.

На следующем шаге производится расчет балластного резистора. Используется формула: R о = (U вх – U вых) / (I ст + I н). Величина тока I ст выбирается: I ст ≥ I н. При изменении U вх на величину Δ Uвх и Iн на ΔIн, не может быть больше тока стабилитрона величин I ст. макс и I ст. мин. Поэтому, I ст берется в качестве среднего допустимой величины в этом интервале и равно 0,015 ампер.

Значит, балластный резистор равен: R о = (14,4 – 9)/(0,015+0,01 )= 16 Ом. Ближнее стандартное значение составляет 220 Ом. Для выбора типа сопротивления, выполняется расчет рассеиваемой мощности на корпусе. Применяя формулу Р = I*2 R о, определяем величину Р = (25*10-3) * 2 * 220 = 0,138 ватт. Другими словами, стандартная мощность сопротивления равна 0,25 ватт.

Поэтому лучше подойдет сопротивление МЛТ — 0,25 — 220 Ом. После осуществления расчетов необходимо проверить правильность выбора режима действия стабилитрона в схеме параметрического прибора. В первую очередь определяется его наименьший ток: Iст. Мин = (U вх – ΔU вх – U вых) / Rо – (I н + ΔI н), с практическими параметрами определяется величина I ст.мин = (14,4–1,44–9) * 103 / 220–(10+2) = 6 миллиампер.

Такая же процедура производится для вычисления наибольшего тока: I ст. макс=(Uвх+ΔUвх–Uвых)/Rо–(Iн–ΔIн). По исходным параметрам, наибольший ток составит: Iст.макс=(14,4 + 1,44 – 9) * 103 / 220–(10 – 2)=23 миллиампер. Если в результате вычисленные значения наименьшего и наибольшего тока превосходят допустимые границы, то необходимо заменить I ст или резистор R о. Иногда требуется замена стабилитрона.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема приведена ниже):

1. Iст — ток через стабилитрон
2. Iн — ток нагрузки
3. Uвых=Uст — выходное стабилизированное напряжение
4. Uвх — входное нестабилизированное напряжение
5. R₀ — балластный (ограничительный, гасящий) резистор

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется (на самом деле конечно изменяется от Uст min до Uст max, но можно считать, что Uст min = Uст max = Uст).

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Уравнения, описывающие работу данной схемы:

Uвх=Uст+IR₀, учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R₀ (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на нагрузке всегда было в пределах от Uст min до Uст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Зная это, найдём

R₀=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) (2)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно, то первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю, тогда

   (3)

Из этой формулы сразу виден один из недостатков такого параметрического стабилизатора — мы не можем сильно менять ток нагрузки, поскольку это сужает диапазон входного напряжения схемы, более того, можно увидеть, что диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилизации стабилитрона (поскольку в этом случае правая часть уравнения вообще становится отрицательной)

Если ток нагрузки постоянен или изменяется незначительно, тогда формула для определения области нормальной работы становится совсем элементарной:

   (4)

Далее, давайте рассчитаем КПД нашего параметрического стабилизатора. Он будет определяться отношением мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности: КПД=Uст*Iн/Uвх*I. Если учесть, что I=Iн+Iст, то получим:

   (5)

Из последней формулы видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, а также чем больше ток через стабилитрон — тем хуже КПД.

Чтобы понять, что значит «хуже» и насколько вообще плохо обстоит дело с КПД у этого стабилизатора — давайте, используя формулы выше, попробуем прикинуть, что будет, если понижать напругу скажем с 6-10 Вольт до 5-ти. Возьмём самый обычный стабилитрон, скажем КС147А. Ток стабилизации у него может меняться в пределах от 3-х до 53-х мА. Чтобы при таких параметрах стабилитрона получить область нормальной работы шириной в 4 Вольта — нам нужно взять балластный резистор на 80 Ом (воспользуемся формулой 4, как будто ток нагрузки у нас постоянный, поскольку если это не так, то всё будет ещё хуже). Теперь из формулы 2 можно посчитать на какой именно ток нагрузки мы можем в этом случае рассчитывать. Получается всего 19,5 мА, а КПД в этом случае будет, в зависимости от входного напряжения, в пределах от 14% до 61%.

Если для этого же случая посчитать на какой максимальный выходной ток мы можем рассчитывать при условии, что выходной ток не постоянный, а может меняться от нуля до Imax, то решив совместно системы уравнений (2) и (3), получим R₀=110 Ом, Imax=13,5 мА. Как видите, максимальный выходной ток получился почти в 4 раза меньше максимального тока стабилитрона.

Более того, выходное напряжение, полученное на таком стабилизаторе, будет обладать значительной нестабильностью в зависимости от выходного тока (у КС147А на рабочем участке ВАХ напряжение меняется от 4,23 до 5,16В), что может оказаться неприемлемым. Единственный путь борьбы с нестабильностью в данном случае — взять более узкий рабочий участок ВАХ — такой, на котором напряжение меняется не от 4,23 до 5,16В, а скажем от 4,5 до 4,9В, но в этом случае и рабочий ток стабилитрона будет уже не 3..53мА, а скажем 17..40мА. Соответственно, и без того небольшая область нормальной работы стабилизатора станет ещё меньше.

Итак, единственный плюс такого стабилизатора — это его простота, тем не менее, как я уже говорил, такие стабилизаторы вполне себе существуют и даже находят активное применение в качестве источников опорного напряжения для более сложных схем.

Простейшая схема, позволяющая получить существенно больший выходной ток (или существенно более широкую область нормальной работы, или и то и другое) — параметрический стабилизатор на транзисторе.

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения | HomeElectronics

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_обр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_пр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U_П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Расчет параметрического стабилизатора напряжений на стабилитроне

Любой электронной схеме требуется стабилизированное напряжение, необходимое для питания входящих в её состав активных элементов (транзисторов, микросхем и т. п.). Несмотря на большое разнообразие видов линейных источников в основе всех их лежит классический параметрический стабилизатор напряжения (смотрите рис. ниже).

Упрощённая схема

При построении большинства таких устройств используется нелинейный полупроводниковый элемент – диод, называемый в этом случае стабилитроном.

Порядок включения

Классический стабилизатор на стабилитроне относится к простейшему виду устройств данного класса и является самым дешёвым и лёгким в исполнении. Своеобразная «расплата» за эту простоту – невысокий стабилизирующий эффект, сильно зависящий от величины нагрузки и наблюдаемый в очень узком диапазоне.

Входящий в состав стабилизатора напряжения полупроводниковый элемент (стабилитрон) представляет собой выпрямительный диод, включенный в обратном направлении. Благодаря этому, рабочая точка элемента может быть установлена на нелинейном участке вольтамперной характеристики (ВАХ) с резко уходящей вниз ветвью.

Дополнительная информация. Её точное положение задаётся величиной балластного резистора Rо (смотрите схему выше).

С примером типовой вольтамперной характеристики стабилитрона можно ознакомиться на приводимом ниже рисунке.

ВАХ стабилитрона

Принцип работы параметрического стабилизатора на стабилитроне (ПСН) неразрывно связан с видом обратной ветви характеристики стабилитрона, имеющей следующие особенности:

• При значительных изменениях тока через прибор напряжение на этом участке колеблется совсем в небольших пределах;
• Путём выставления величины токовой составляющей можно установить рабочую точку по центру обратной ветви;
• За счёт выбора напряжения стабилизации в фиксированной зоне ВАХ удаётся расширить динамический диапазон изменения тока стабилитрона (или его дифференциального сопротивления).

Обратите внимание! Именно из-за возможности выставления фиксированных параметров в этой схеме она получила своё название – параметрическая.

Принцип работы

Суть работы стабилизатора напряжения удобнее всего пояснить на примере диода, включённого в цепь постоянного тока. Когда напряжение на нём имеет прямую полярность (плюс подключён к аноду, а минус – к катоду), полупроводниковый переход смещён в проводящем направлении и пропускает ток.

При обратном порядке подачи полярности n-p переход закрыт и поэтому тока практически не проводит. Но если продолжать увеличивать обратное напряжение между электродами, то в соответствии с его ВАХ можно достичь точки, в которой диод вновь начинает пропускать поток электронов (но уже в другую сторону за счёт пробоя перехода).

Важно! Полупроводниковый элемент в этом случае работает в режиме обратных напряжений, значительно превышающих по величине прямое падение на нём (0,5-0,7 Вольта).

Обратный ток в данной ситуации может считаться рабочим параметром, изменяющимся в пределах регулировки напряжения, а сам диод, работающий в режиме обратного включения, носит название стабилитрона.

Основные параметры

При изучении функционирования параметрического стабилизатора напряжения особое значение придаётся техническим характеристикам самого регулирующего прибора. К ним следует отнести:

• Напряжение стабилизации, определяемое как падение потенциала на нём при протекании тока средней величины;
• Максимальное и минимальное значения тока, пропускаемого через обратно смещенный переход;
• Допустимая рассеиваемая мощность на приборе Pmax.;
• Проводимость перехода в динамическом режиме (или дифференциальное сопротивление стабилитрона).

Последний параметр определяется как отношение приращения напряжения ΔUCT к вызвавшему его изменению стабилизирующего тока ΔICT.

Относительно первых двух параметров следует заметить, что для разных образцов полупроводниковых диодов они могут сильно различаться по своей величине (в зависимости от мощности прибора). Напряжение стабилизации для большинства современных стабилитронов варьируется в диапазоне от 0,7 до 200 Вольт.

Допустимая мощность рассеяния определяется уже перечисленными ранее параметрами и также сильно зависит от типа элемента. Это же можно сказать и о дифференциальном сопротивлении, в определённой мере влияющем на эффективность процесса стабилизации.

Схема параметрического стабилизатора

Особенности схемы

Полное схемное представление стабилизатора параметрического типа, в котором стабилитрон выполняет функцию опорного элемента, приводится на размещённом ниже рисунке.

Рабочая схема стабилизатора

Эту схему можно рассматривать как делитель напряжения, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD с подключённой в параллель нагрузкой RН.

При изменениях входного потенциала соответственно будет меняться и ток через стабилитрон; при этом величина напряжения на нём (а значит и на нагрузке) останется практически неизменной. Её значение будет соответствовать напряжению стабилизации при колебаниях входного тока в некоторых пределах, определяемых характеристиками диода и величиной нагрузки.

Расчёт рабочих параметров

Исходными данными, согласно которым осуществляется расчет стабилизатора параметрического типа, являются:

• Подаваемое на вход питание Uп;
• Напряжение на выходе Uн;
• Выходной номинальный ток IH=Iст.

С учётом этой информации рассчитаем искомую величину, воспользовавшись функцией онлайн-калькулятора, например.

В качестве примера положим:

Uп=12 Вольт, Uн=5 Вольт, IH=10 мА.

Исходя из этих данных, вводимых предварительно в онлайн-калькулятор или вручную, выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL с напряжением стабилизации 5,1 Вольт и дифференциальным сопротивлением порядка 10 Ом. С учётом этого вычисляем величину балластного сопротивления R1, определяемую следующим образом:

R1= Uо–Uн/Iн+Iст =12-5/0,01+0,01= 350 Ом.

Таким образом, весь расчет параметрического стабилизатора сводится к определению номинала балластного резистора R1 и выбору типа стабилитрона (исходя из того, на какое рабочее напряжение он рассчитан).

Возможности по увеличение мощности

Выходная мощность стабилизатора параметрического типа определяется максимальным током стабилитрона и его допустимой мощностью Pmax, которую при желании можно увеличить. Для этого следует дополнить схему транзисторным элементом, включаемым параллельно или последовательно с нагрузкой. Соответственно этому различают стабилизаторы параллельного и последовательного типа, в которых транзистор выполняет функцию усилителя постоянного тока.

Рассмотрим каждую их этих схем более подробно.

Параллельный стабилизатор

В схеме стабилизатора параллельного типа транзистор используется как эмиттерный повторитель, включённый параллельно нагрузке (смотрите рисунок ниже).

Схема стабилизатора параллельного типа

Дополнительная информация. В этой схеме резистор R1 может располагаться как со стороны коллектора, так и в эмиттере транзистора.

Напряжение на нагрузочном резисторе Rн составляет:

Uн=Uст+Uбэ (транзистора).

Схема работает по принципу отвода излишков тока через открытый переход К-Э транзистора, на базе которого постоянно присутствует напряжение (Uст). В этой схеме IСТ является одновременно базовым током транзистора, вследствие чего его величина в нагрузке может в h31e раз превышать исходное значение, то есть транзистор в данном случае работает как усилитель по току.

Последовательный стабилизатор

ПСН, собранный по последовательной схеме, представляет собой тот же эмиттерный повторитель на транзисторе VT, но с сопротивлением нагрузки Rн, включённым последовательно с переходом К-Э (смотрите рисунок).

Схема последовательного ПСН

Выходное напряжение устройства в данной ситуации равно:

Uн=Uст-Uбэ.

В этой схеме любые колебания тока в нагрузке приводят к противоположным по знаку изменениям напряжения на базе транзистора. Подобная зависимость вызывает открывание или закрывание перехода Э-К, что означает автоматическую стабилизацию выходного напряжения.

В заключение описания отметим, что как в последовательной, так и в параллельной схеме ПСН стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения, а транзистор – как усилитель тока.

Видео

Параметрический стабилизатор напряжения

Содержание:

1 Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

1. Исходные данные для расчёта

Напряжение стабилизации U_стаб= …В;

Сопротивление нагрузки R_н=…кОм.

1.2 Рассчитываемая электрическая схема

Рисунок 1

1.3 Порядок расчёта

1.3.1Определяем ток, протекающий через нагрузку I_н:

(1)

1.3.2 Для расчёта стабилизатора необходимо определить максимальное U_п.мах и U_п.мин минимальное амплитудные напряжения питания. Напряжения питающей сети примерно изменяется ±5% от номинального (220В). Поэтому по этим данным рассчитываем U_п.мах и U_п.мin:

U_п.max = 1.41*209=294.7 B;

U_п.min=1.41*231=325.7 B.

3. Из справочника по полупроводниковым приборам выбираем стабилитрон VD1 … с параметрами:

— номинальное напряжение стабилизации U_ном=…В

— номинальный ток стабилизации I_{стаб.ном}=…мА

— максимальный ток стабилизации I_{стаб.мах}=…мА

— минимальный ток стабилизации I_{стаб.мин}=…мА

-дифференциальное сопротивление R_диф=…Ом

3. Определяем потребляемый ток I_пот:

I_пот= I_н + I_{стаб.ном} (2)

1.3.5 Находим падение напряжения на последовательно включённом ограничивающем резисторе: U_{Rогр.мин}, U_{Rогр.мах} по формулам:

U_Rогр.мin= U_п.мin— U_ста (3)

U_{Rогр.мах}= U_п.мах— U_стаб (4)

1.3.6Находим минимальное и максимальное значения сопротивления ограничивающего резистора R_{огр.мин}, R_{огр.мах} по формулам:

(5)

(6)

1.3.7При изменении тока нагрузки от минимального до максимального, выходное напряжение уменьшается до ΔU:

ΔU= R_диф*I_пот (7)

1.3.8Находим мощность рассеивания на стабилитроне Р_мin и Р_мах по формулам:

Р_мin=I_н· U_п.мin (8)

Р_мах=I_н· U_п.мах (9)

1.3.9Рассчитываем сопротивление ограничивающего резистора R_огр:

(10)

где (11)

(12)

1.3.10 Рассчитываем максимальную рассеиваемую мощность резистора R_огр.:

(13)

Выбираем стандартное сопротивление резистора R_огр=…

Рассчитываем диапазон изменения входного напряжения U_мin и U_мах, при котором будет обеспечена стабилизация, по формулам:

U_min=U_стаб+(I_стаб.min+I_н)R_огр (14)

U_mах=U_стаб+(I_{стаб.mах}+I_н)R_огр (15)

Таким образом, параметрический стабилизатор будет обеспечивать необходимое напряжение во всём диапазоне изменения напряжения источника питания.

11. Определяем коэффициента стабилизации по формуле:

(15)

(16)

2Расчёт компенсационного стабилизатора напряжения

1. Исходные данные для расчёта

• входное напряжение U_вх= …В;

• изменение входного напряжения ∆U _вх = … В;

• максимальный ток нагрузки I_н.мах=…А;

• коэффициент стабилизации К_ст≥…;

• напряжение источника питания E₀=…В;

• предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения от U_н.мin=…В до U_н.мах=…В.

2.2 Рассчитываемая электрическая схема

Рисунок 1

2.3 Порядок расчёта

2.3.1 Определяем максимальное напряжение на участке коллектор-эммитер регулирующего транзистора VT1:

U_кэмах=U_вх+∆ U_вх-U_н.мin (1)

2. Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на VT1:

P_K1max= U_кэмах*I_н.мах (2)

По результатам расчётов U_кэмах и P_K1max из справочника по полупроводниковым приборам выбираем транзистор VT1 для которого:

U_кэмах< U_{кэмах.доп}

I_н.мах< I_к.доп

P_K1max< P_{K1max.доп.}

выбираем транзистор … с параметрами:

U_кэ.доп=…В;

I_к.доп=…А;

P_Kmax=…Вт;

h_21э=…;

r_k1=…кОм.

2. Для создания опорного напряжения U_оп выбираем стабилитрон … с параметрами:

U_стаб= U_оп=…В;

R_д=…Ом;

I_ст.ном=…мА.

2. Определяем максимальное напряжение коллектор-эмитер U_кэ2мах усилителя на транзисторе VT2:

U_кэ2мах = U_н.мах— U_оп (3)

2. Исходя из условия

U_кэ2мах< U_{кэмах.доп}

выбираем в качестве VT2 транзистор … с параметрами:

U_кэ.мах=…В;

I_к.мах=…мА;

h_21э=….

2. Полагая, что

I_k2≈I_э2<I_к2доп. (4)

пусть I_э2=…мА находим сопротивление балансного резистора:

(5)

где (6)

2. Определяем ток входа:

(7)

где h_21эср – среднее значение коэффициента передачи тока транзистора VT1.

2. Определяем сопротивление резистора в цепи коллектора:

(8)

2.3.10 Определяем сопротивления резисторов делителя R₁,R₂,R₃. Условимся считать, что если движок потенциометра R₂ находится вверху, то U_вых минимально: U_н.мin, а Сли внизу, то U_н.мах:

U_н.мin— U_оп = I_дел·R₁ (9)

U_оп = I_дел ·R₃ (10)

U_н.мах – U_оп =(R₁+R₂) (11)

2.3.11 Выбрав ток делителя равным:

(12)

где h_21эср – среднее значение коэффициента передачи тока транзистором VT2.

2.3.12 Находим R₁, R₂, R₃:

(13)

(14)

(15)

2.3.13 Определяем коэффициент стабилизации:

(16)

Содержание отчета:

Отчет по практической работе должен содержать:

1 Название и цель работы.

2. Исходные данные для расчета согласно своему варианту.

3. Расчетную схему.

4. Выполнение расчетов, сопровождаемое пояснениями к каждому действию.

5. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1 По каким параметрам подбирают стабилитрон при расчете параметрического стабилизатора напряжения?

2. Когда применяют параметрические стабилизаторы напряжения?

3. Опишите принцип действия параметрического стабилизатора напряжения.

Таблицы выбора вариантов заданий учащихся для практической работы №3

Таблица 1

Таблица 2

3. Методика расчета полупроводникового параметрического

стабилизатора напряжения

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы напряжения имеют очень простую схему и используются для стабилизации небольших токов (до 200 мА) с относительно небольшим коэффициентом сглаживания пульсаций (до 100) и относительно высоким выходным сопротивлением (до десятков Ом). Параметрические стабилизаторы напряжения не дают возможность получать точное значение выходного напряжения, или регулировать его.

Основные параметры параметрического стабилизатора напряжения следующие:

1. Коэффициент стабилизации напряжения – это величина, которая показывает во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе меньше чем на входе при постоянном токе нагрузки:

, (3.1)

2. Коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение напряжения пульсаций на входе стабилизаторак напряжению пульсаций на его выходе:

, (3.2)

Для параметрических стабилизаторов коэффициент сглаживания пульсаций практически равен коэффициенту стабилизации.

Принцип действия полупроводниковых параметрических стабилизаторов напряжения основан на нелинейности вольтамперной характеристики кремниевых стабилитронов. Он представляет собой делитель напряжения, который состоит из балластного резистора и кремниевого стабилитрона. Нагрузка подключается к стабилитрону (рис.4).

Входными данными для расчета полупроводникового параметрического стабилизатора напряжения являются:

• выходное напряжение на нагрузке ;

• выходной ток нагрузки ;

• напряжение пульсаций на выходе стабилизатора ;

• коэффициент стабилизации .

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета полупроводникового параметрического стабилизатора напряжения следующая.

1. Находим сопротивление нагрузки:

, (3.3)

2. Согласно требуемым значениям выходного напряжения и выходного токас помощью приложения З выбирают необходимый тип кремниевого стабилитрона. Из этой таблицы для выбранного типа стабилитрона находят:

• минимальный и максимальный токи стабилизации стабилитрона ,;

• дифференциальное сопротивление стабилитрона ;

• максимальную мощность рассеивания стабилитрона .

3. Находим наибольший коэффициент стабилизации, которого можно достигнуть в данной схеме:

, (3.4)

где — заданное относительное уменьшение входного напряжения относительно номинального значения входного напряжения в %.

4. Находим напряжение на входе стабилизатора :

(3.5)

5. Находим значение сопротивления балластного резистора :

(3.6)

С помощью приложения Б выбираем номинальное значение этого резистора.

6. Находим мощность рассеивания балластного резистора:

. (3.7)

7. Находим максимальный ток, который протекает через стабилитрон :

. (3.8)

Полученное значение тока должно быть меньше чем максимально допустимый ток стабилитрона, т.е. . Иначе необходимо выбрать более мощный стабилитрон и повторить расчет.

8. Находим ток на входе стабилизатора :

. (3.9)

9. Находим максимальное напряжение пульсаций на входе стабилизатора :

. (3.10)

9. Находим мощность, которая выделяется на стабилитроне:

. (3.11)

Полученное значение мощности не должно превышать максимально допустимую мощность, которую может рассеять стабилитрон, т.е. .

11. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

12. Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.

4. Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собою систему автоматичного регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения напряжения на входе стабилизатора. Такие стабилизаторы дают возможность стабилизировать напряжение при больших токах нагрузки и значительных изменениях входного напряжения. Они имеют больший чем параметрические стабилизаторы коэффициент стабилизации напряжения и меньшее выходное сопротивление. Компенсационные стабилизаторы напряжения в данное время изготовляются в виде законченных ИМС. Параметры некоторых из них приведены в приложении 8. Схема включения таких стабилизаторов зависит от типа ИМС. Для стабилизаторов, которые рассчитываются, схема включения приведена на рис.5.

Входными данными для расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС являются:

• выходное напряжение на нагрузке ;

• выходной ток нагрузки ;

• амплитуда напряжения пульсаций на выходе стабилизатора ;

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС следующая.

1. Согласно приложению 8 по значению заданного выходного напряжения на нагрузке и заданного тока нагрузкивыбирают необходимый тип ИМС компенсационного стабилизатора. Для этой ИМС находят по таблице: коэффициент подавления пульсаций, величину опорного напряжения, величину тока управления, падение напряжения на регулирующем элементе ИМС, максимально допустимую мощность, которая рассеивается ИМС, тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусоми максимальную рабочую температуру р-п перехода.

2. Задаемся рекомендованным значением резистора в пределах 180-240 Ом, который выбирается согласно номинальному ряду значений (см. приложение 1).

3. Находим значение номинала резистора из выражения:

. (4.1)

4. Согласно приложению 1 выбирают ближайшее номинальное значение сопротивления резистора .

5. По выражению (1) рассчитывают уточненное значение выходного напряжения на нагрузке, которое не должно выходить за пределы заданного допуска . Иначе резисторделают с помощью параллельного или последовательного соединения двух резисторов с необходимым номинальным значением сопротивления.

6. Находим мощность рассеивания резисторов ,:

, (4.2)

. (4.3)

7. Далее с помощью приложения 1 выбирают номинальную мощность рассеивания этих резисторов.

8. Находим минимальное значение напряжения на входе стабилизатора:

. (4.4)

Выбираем конкретное значение этого напряжения.

9. Находим значение необходимого тока на входе стабилизатора:

. (4.5)

10. Определяем максимальную амплитуду напряжения пульсаций на входе стабилизатора из выражения:

. (4.6)

11. Выбираем значение номинала емкости конденсатора в пределах 1-100 мкФ согласно номинальному ряду (см. приложение 2).

12. Находим рабочее напряжение конденсатора :

. (4.7)

Выбираем согласно приложению 2 конденсатор с необходимой номинальной емкостью и рабочим напряжением.

13. Находим мощность, которая рассеивается не регулирующем элементе ИМС:

. (4.8)

Полученное значение должно быть меньше допустимой рассеиваемой мощности данной ИМС . Иначе необходимо выбрать более мощную ИМС компенсационного стабилизатора.

14. Определим тепловой режим работы ИМС. Для этого находим температуру р-п перехода ИМС во время работы схемы при температуре окружающей среды:

. (4.9)

Если рассчитанная температура р-п перехода во время работы ИМС не превышает предельную температуру р-п перехода, то данная ИМС может работать без дополнительного радиатора. В противном случае необходимо использование дополнительного радиатора с тепловым сопротивлением не более:

. (4.10)

В этом случае по расчету выбирается нужное тепловое сопротивление радиатора.

15. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

4. Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.