ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Как известно, ни одно электронное устройство не работает без подходящего источника питания. В самом простейшем случае, в качестве источника питания может выступать обычный трансформатор и диодный мост (выпрямитель) со сглаживающим конденсатором. Однако, не всегда под рукой есть трансформатор на нужное напряжение. Да и тем более, такой источник питания нельзя назвать стабилизированным, ведь напряжение на его выходе будет зависеть от напряжения в сети.
Вариант решения этих двух проблем – использовать готовые стабилизаторы, например, 78L05, 78L12. Они удобны в использовании, но опять-таки не всегда есть под рукой. Ещё один вариант – использовать параметрический стабилизатор на стабилитроне и транзисторе. Его схема показана ниже.
Схема стабилизатора на 1 транзисторе
VD1-VD4 на этой схеме – обычный диодный мост, преобразующий переменное напряжение с трансформатора в постоянное. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения, превращая напряжение из пульсирующего в постоянное. Параллельно этому конденсатору стоит поставить плёночный или керамический конденсатор небольшой ёмкости для фильтрации высокочастотных пульсаций, т.к. при большой частоте электролитический конденсатор плохо справляется со своей задачей. Электролитические конденсаторы С2 и С3 в этой схеме стоят с этой же целью – сглаживание любых пульсаций.
Цепочка R1 – VD5 служит для формирования стабилизированного напряжения, резистор R1 в ней задаёт ток стабилизации стабилитрона. Резистор R2 нагрузочный. Транзистор в этой схеме гасит на себе всю разницу входного и выходного напряжения, поэтому на нём рассеивается приличное количество тепла. Данная схема не предназначена для подключения мощной нагрузки, но, тем не менее, транзистор стоит прикрутить к радиатору с использованием теплопроводящей пасты.
Напряжение на выходе схемы зависит от выбора стабилитрона и значения резисторов. Ниже показана таблица, в которой указаны номиналы элементов для получения на выходе 5, 6, 9, 12, 15 вольт.
Вместо транзистора КТ829А можно использовать импортные аналоги, например, TIP41 или BDX53. Диодный мост допустимо ставить любой, подходящий по току и напряжению. Кроме того, можно собрать его из отдельных диодов. Таким образом, при использовании минимума деталей получается работоспособный стабилизатор напряжения, от которого можно питать другие электронные устройства, потребляющие небольшой ток. Фото собранного мной стабилизатора:
Печатная плата находятся в архиве. Автор – Дмитрий С.
Форум по блокам питания
Обсудить статью ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Параметрические стабилизаторы напряжения и тока
Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.
Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):
Стабилизатор тока
В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:
Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током Iст (смотри рисунок выше а). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:
При этом на нагрузке будет напряжение IстRн. За этими данными подсчитывают значения Uвх , которое нужно приложить к стабилизатору:
На этом и завершается расчет стабилизатора тока.
Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:
По заданному значению U
Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:
При Kст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше Kст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.
У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.
39) Параметрические стабилизаторы напряжения: схемы, принцип действия.
Параметрические стабилизаторы напряжения изготавливаются, как правило, с применением транзисторов, стабисторов и стабилитронов.Параметрические стабилизаторы имеют простую конструкцию и высокую надежность, но имеют низкий КПД.
Схема
параметрического стабилизатора
напряжений
Iст — ток через стабилитрон; Iн — ток нагрузки; Uвых=Uст – стабилизированное напряжение на выходе; Rо – балансный резистор.
Основным свойством стабилитрона, на базе которого функционирует параметрический стабилизатор напряжения, является то, что U на нем в рабочем диапазоне (от Iст min до Iст max) остается практически прежним. При этом изменения происходят от Uст min до Uст max, однако при этом принято подразумевать, что Uст min = Uст max = Uст.
Коррекция тока нагрузки либо входного U не происходит (он сохраняет те же значения, что и на стабилитроне). Но при этом происходят изменения тока, проходящего через стабилитрон, а при изменении напряжения на входе выполняется корректировка тока, двигающегося по балластному резистору. В результате в балластном резисторе происходит гашение излишков напряжения на входе. Значение этого падения зависят от проходящего через него тока, который, в свою очередь, взаимосвязан с электротоком через стабилитрон. В силу этого любая коррекция электротока через стабилитрон напрямую отражается на величине падения U, отмечаемой в балластном резисторе.
Для описания принципа данной схемы используется уравнение:
Uвх=Uст+IRо, где с учетом I=Iст+Iн, получается, что Uвх=Uст+(Iн+Iст)Rо
Для безукоризненного функционирования параметрического стабилизатора напряжения, которое определяется U на нагрузке в пределах от Uст min до Uст max, требуется следить за тем, чтобы через стабилитрон ток всегда оставался в границах от Iст min до Iст max. В частности, минимальные параметры тока через стабилитрон взаимосвязаны с минимальным U на входе и максимальной величиной электротока нагрузки.
Сопротивление балластного резистора устанавливается следующим образом:
Rо=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min)
Максимальные параметры тока через стабилитрон взаимосвязаны с максимальным напряжением на входе и минимальной величиной электротока нагрузки.
ВАХ:
40) Компенсационные стабилизаторы напряжения: схемы, принцип действия.
Компенсационный стабилизатор напряжения является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.
Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными.
Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа:
Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа:
Р – регулирующий элемент; И – источник опорного напряжения; ЭС – элемент сравнения; У – усилитель постоянного тока.
Компенсационные стабилизаторы последовательного типа
В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения Uо и нагрузкой Rн. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение Uо распределится между Р и Rн таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах.
В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений Uоп и Uрег. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение Uрег, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.
Компенсационные стабилизаторы параллельного типа
В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента Iр изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = Uо – IвхR1 = const остаётся стабильным.
Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение.
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.