Для работы электронной аппаратуры необходимо напряжение, обладающие точно заданными характеристиками. Но в промышленной сети напряжение постоянно меняется. Его уровень зависит от подключенных в систему предприятий, зданий и оборудования. Функционирование любого прибора напрямую зависит от напряжения, колебания данного параметра влияют на качество работы, например, при перепадах приемник может начать хрипеть или гудеть. Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе.

Стабилизатор импульсного типа

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.

Схема и график работы стабилизатора

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

Два простых стабилизатора

Принципы расчета характеристик

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:

Uвх=Uвых+ 3, где 3 – это коэффициент падения напряжение на переходе коллектор – эмиттер.

Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.

Далее следует рассчитать максимальную мощность Pmax, которую будет рассеивать транзистор:

• Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax=1.3(17-14)=3.9 Вт;
• Pmax=1.3(Uвх-Uвых1)Imax=1.3(17-1.5)=20,15 Вт.

Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ817.

Важно! Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток – больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Схема на полевом транзисторе

Теперь нужно учесть Iб max – ток базы самого транзистора:

Iб max=Imax/h31Э min, где h31Э min – коэффициент передачи тока (в нашем случае эта величина равна 25).

Iб max=1/25=0.04 А.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле – 0.04 А. По этим показателям подходит Д814Д, но в этом случае ток базы будет составлять 0,005 А, то есть надо понизить выходные значение. Для этого используется второй транзистор (КТ315). За счет его использования нагрузка уменьшится на величину максимального коэффициента передачи тока второго транзистора (у нас h31Э=30). Таким образом, ток будет составлять 0,04/30=0,00133 мА.

Теперь определим показатели для Rб – балластного резистора:

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)=(17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом, где:

• Iст min – ток стабилизации;
• Uст – напряжение стабилизации стабилитрона.

Затем считаем балластную мощность:

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб=(17-14)2/473=0,02 Вт.

Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом.

Компенсационные стабилизаторы

Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне. Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями. Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа

На схеме:

• Р – регулирующий элемент;
• И – источник опорного (эталонного) напряжения;
• ЭС – элемент сравнения;
• У – усилитель постоянного тока.

Выходное напряжение для последовательного стабилизатора определяется по вышеуказанной формуле, где R4’ и R4’’, соответственно, верхняя и нижняя величина резистора R4. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Между базой и эмиттером VT2 напряжение определяется как разность UОП и UРЕГ. Если на нагрузке идет рост напряжения, то UРЕГ увеличивает и эмиттерные, и коллекторные токи VT2. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5. Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона.

Типовая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа

В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением. Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:

U1=U0–IBXR1=const.

Важно! КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко.

Импульсные стабилизаторы

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Схема импульсного стабилизатора

Алгоритм работы следующий:

1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео

с использованием диода Зенера

ВВЕДЕНИЕ:

Обычно мы используем стабилизаторы напряжения для обеспечения постоянного напряжения от источника постоянного тока через нагрузку. Стабилитрон можно использовать в качестве регулятора напряжения.
Правильно легированный кристаллический диод с резким напряжением пробоя известен как стабилитрон. Он всегда работает в режиме обратного смещения в зоне пробоя. Пробой стабилитрона
происходит в очень тонких контактах.Когда обе области P и n сильно легированы, слой обеднения становится очень узким. В очень тонком обедненном слое электрическое поле через истощающий слой достигает 107 Вм-1 при небольшом приложенном напряжении. Электрическое поле такой большой величины оказывает большую силу на валентные электроны атомов в обедненном слое. Следовательно, ковалентные связи разрушаются и образуется большое количество электронно-дырочных пар. Эти носители затем ускоряются приложенным напряжением.Следовательно, обратный ток быстро увеличивается. Этот процесс, посредством которого ковалентные связи в области истощения непосредственно разрушаются сильным электрическим полем, называется пробоем стабилизации, а обратное напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением стабилизации (Vz).

Благодаря тщательной настройке легирования характеристика за пределами пробивного напряжения получается почти вертикальной. Другими словами, в этой области обратное напряжение на диоде остается почти постоянным для большого изменения обратного тока.Таким образом, стабилитрон можно использовать в качестве стабилизатора напряжения. Поэтому интересно найти изменение выходного напряжения в зависимости от входного напряжения в стабилизаторе напряжения.

AIM
Построить стабилизатор напряжения и изучить его характеристики.

МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ
Соединения выполняются, как показано на рисунке.

Рисунок-1
R — это резистор ограничения тока, который удерживает ток через стабилитрон в допустимых пределах, а RL — это нагрузка, через которую мы получаем регулируемый выход.Для этого требуется внешний источник постоянного тока, реостат, два вольтметра, стабилитрон, резистор и ключ.
Входное (постоянное) напряжение подается на стабилитрон. Так что диод имеет обратное смещение. Напряжение на RL всегда будет Vz, напряжение стабилитрона на диоде, входное напряжение не опускается ниже Vz, стабилитрон напряжение. Измерение выходного напряжения для различных входных напряжений через стабилитрон производится.

COLLETED DATA
Выходные напряжения на стабилитроне для различных входных напряжений приведены ниже:
Напряжение стабилитрона = 6 В
Сопротивление резистора = 330?

Таблица-1

Из вышеприведенного наблюдения мы можем понять, что напряжение на RL (нагрузка) всегда будет Vz (здесь ˜6 В), напряжение стабилитрона диода при условии, что входное напряжение не опускается ниже Vz, напряжение стабилитрона ,Если входное напряжение меньше напряжения стабилитрона, на выходе отображается то же напряжение, что и на входе. Но если входное напряжение больше, чем у напряжения Зенера, выход выдает только напряжение Зенера. Таким образом, стабилитрон может быть использован в качестве регулятора напряжения для обеспечения постоянного напряжения от источника постоянного тока через нагрузочную линию.

? Предположим, что входное напряжение Vi превышает Vz. Так как стабилитрон находится в области пробоя. Напряжение на стабилитроне и, следовательно, выходное напряжение на нагрузке остается постоянным, как Vz.Избыточное напряжение, Vi-Vz. падает через токоограничивающий резистор R. если I — ток от источников.
VivV = IR
Другими словами, когда Vi превышает Vz, I = IL + IZ увеличивается. Стабилизатор будет проводить увеличение тока в I, в то время как ток нагрузки IL остается постоянным. Следовательно, выходное напряжение на RL = I L X RL остается постоянным независимо от изменения входного напряжения Vi.

? Предположим, что сопротивление нагрузки RL изменяется. Кроме того, выходное напряжение остается постоянным при Vz.

В случае, если нагрузка Rl увеличивается, происходит уменьшение тока источника I при постоянной VI
. Можно показать, что ток нагрузки. IL уменьшается и уменьшается за счет уменьшения общего тока I и увеличения тока Зенера. Таким образом, напряжение на нагрузке остается постоянным, как VZ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стабилизаторы напряжения (стабилитроны) могут использоваться в качестве регулятора напряжения для обеспечения постоянного напряжения от источника постоянного тока на нагрузке RL.
Используя стабилизаторы напряжения, мы можем значительно экономить наше электрооборудование. Потому что всякий раз, когда входное напряжение в цепи увеличивается, из-за грома, короткого замыкания или любым другим способом, стабилитрон отдает только напряжение стабилитрона на устройство в качестве выходного напряжения. В противном случае приборы сгорят из-за высокого напряжения.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

• Стабилитрон должен быть обратным смещением.
• Слой истощения должен быть очень тонким.
• Стабилитрон должен подключаться параллельно нагрузке.
• Используя стабилизаторы напряжения в электрических приборах, мы можем в значительной степени уберечь их от грохота, короткого замыкания и т. Д. —

ССЫЛКИ

Основы ФИЗИКИ КЛАСС XII BY Была публикация.
Практические занятия по физике XI и XII. Автор sunil A Pillai — Anamika Publication.
NCERT Текст класса XII.
Плюс две физики Ксавье и Роя.