Конденсатор как стабилизатор тока

Почему так важен правильный выбор конденсаторов для LDO стабилизатора. Часть 2 — Выбор конденсаторов

Окончание

Начало читайте здесь:

Выбор выходных конденсаторов для схем на LDO стабилизаторах

LDO стабилизаторы фирмы Analog Devices могут работать с небольшими керамическими конденсаторами, при условии, что последние имеют низкое значение ESR. ESR выходного конденсатора влияет на устойчивость петли обратной связи стабилизатора. Рекомендуется использовать конденсаторы с емкостью не менее 1 мкФ и ESR не более 1 Ом.

От выходного конденсатора зависит, также, реакция стабилизатора на изменения тока нагрузки. Петля обратной связи имеет ограниченную полосу пропускания для большого сигнала, поэтому во время переходного процесса функцию поставщика в нагрузку большей части тока должен принимать на себя конденсатор. Как показано на Рис. 1, при скачке тока нагрузки от 1 до 200 мА со скоростью 500 мА/мкс, конденсатор емкостью 1 мкФ не в состоянии отдать достаточный ток, что приводит к «провалу» напряжения, приблизительно на 80 мВ. Увеличение емкости до 10 мкФ уменьшает бросок напряжения до 70 мВ (Рис. 2). Конденсатор емкостью 20 мкФ позволяет стабилизатору активно отслеживать скачок тока (Рис. 3) и уменьшить влияние переходного процесса. В примере использовался стабилизатор типа ADP151 с входным напряжением 5 В и выходным 3.3 В.

Рис. 1.	Переходный процесс при COUT = 1 мкФ.

Рис. 2.	Переходный процесс при COUT = 10 мкФ.

Рис. 3.	Переходный процесс при COUT = 20 мкФ.

Входной блокировочный конденсатор

Включение конденсатора емкостью 1 мкФ между входом стабилизатора и «землей» уменьшает влияние на схему топологии печатной платы, особенно при большой длине подводящих проводников или при высоком выходном сопротивлении источника питания. Емкости выходных и входных конденсаторов следует изменять согласованно: если на выходе требуется конденсатор более 1 мкФ, емкость входного конденсатора также должна быть увеличена.

Требования, предъявляемые к свойствам входных и выходных конденсаторов

Требования к входным и выходным конденсаторам должны учитывать диапазон рабочих температур и рабочие напряжения стабилизатора. Керамические конденсаторы производятся с диэлектриками самых разных типов, и каждый характеризуется определенным поведением при изменении температуры и напряжения. Для 5-вольтовых приложений рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R на напряжения от 6.3 до 10 В. Диэлектрики Y5V и Z5U характеризуются очень сильной зависимостью от температуры и напряжения, и использоваться в LDO стабилизаторах не могут.

На Рис. 4 показана зависимость емкости от величины приложенного постоянного напряжения для конденсаторов 1 мкФ / 10 В / X5R типоразмера 0402. Рабочее напряжение и размер конденсатора сильнейшим образом влияют на зависимость его емкости от напряжения. В общем случае можно сказать, что чем больше типоразмер и допустимое напряжение конденсатора, тем меньше влияние на него напряжения смещения. Изменение емкости конденсатора с диэлектриком X5R в диапазоне температур –40 … +85 °C составляет ±15% и не зависит ни от габаритов, ни от допустимого напряжения.

Рис. 4.	Зависимость емкости от напряжения смещения.

Вычислить наихудшее изменение емкости конденсатора, в зависимости от температуры, допуска номинала и напряжения, можно с помощью Уравнения 1:

C_BIAS – номинальная емкость при рабочем напряжении;
TVAR – наихудшее изменение емкости от температуры (в долях от 1);
TOL – наибольшее отклонение номинала (в долях от 1).

TVAR = 15% в диапазоне –40°C…+85°C для диэлектрика X5R;
TOL = 10%;
C_BIAS = 0.94 мкФ при напряжении 1.8 В, как показано на Рис. 4.

Используя эти значения, можно вычислить:

В справочных данных на ADP151 минимальная входная емкость в диапазоне рабочих температур и при рабочем напряжении указана равной 0.70 мкФ, так что конденсатор удовлетворяет этим требованиям.

Заключение

Для того, чтобы гарантировать сохранение характеристик LDO при влиянии напряжения смещения, изменении температуры и разбросе номинальных значений емкости, надо выбирать конденсаторы, ясно представляя себе их свойства и особенности. Учитывать технологические особенности конденсаторов необходимо и в тех случаях, когда предъявляются требования к уровню шумов, дрейфу или целостности сигналов. Все конденсаторы в чем-то несовершенны, и выбирать их следует в строгом соответствии с областью применения.

Приложение

Рис. А.	Конденсаторы, чаще всего используемые для LDO стабилизаторов.

Сверху по часовой стрелке:

Алюминиевый конденсатор с твердым полимерным электролитом 100 мкФ/6.3 В
Танталовые конденсаторы с твердым электролитом 1 мкФ/35 В и 10 мкФ/25 В
Многослойные керамические конденсаторы 1 мкФ/25 В, 4.7 мкФ/16 В, 10 мкФ/25 В
Алюминиевые электролитические конденсаторы 10 мкФ/16 В и 22 мкФ/25 В

Таблица 1. Сравнение важнейших характеристик конденсаторов различных технологических видов

Выбор стабилизатора напряжения

Выбор стабилизатора напряжения для дома

Я уже публиковал статью про то, как определить, какой стабилизатор лучше выбрать для дома. Там в основном уделялось внимание тому, какого типа стабилизатор лучше – релейный, электромеханический, симисторный. Есть у меня и другие статьи на тему стабилизаторов, рекомендую.

Ну а в этой статье я постараюсь ответить на главный вопрос –

Как правильно выбрать стабилизатор напряжения по мощности

Выбор мощности стабилизатора напряжения при покупке, одна из важнейших задач, выполнив правильно которую вы обеспечите себе и технике спокойную долгую жизнь.

Для начала, несколько общих рекомендаций перед выбором стабилизатора.

• посмотрите какой вводной автомат у Вас на фазе. Это косвенно определяет уровень нагрузки разрешенной для Вашего объекта (дома). Нет смысла брать существенно выше номинал по мощности. Например у Вас 25 А автомат. То есть ограничение по мощность 25А*220В=5500 ВА то есть можно взять 5000 ВА или 8500 ВА стабилизатор, нет смысла брать больше. Кроме того, появляется вероятность выключения вводного автомата при включении мощного стабилизатора (высокие пусковые токи стабилизатора, в котором всегда присутствует трансформатор, “выбивают” автомат).
• Посчитайте суммарную нагрузку всех приборов. Разделите ее на две части – с двигателями и без. Это необходимо сделать для того, чтобы учесть правильно пусковые и реактивные токи

Приблизительные мощности бытовых электроприборов приведены в Таблице 1:

Таблица 1. Номинальная потребляемая мощность бытовых приборов.

Как экономить электричество на некоторых домашних электроприборах, я рассказал здесь.

Вольт-Амперы и Ватты – в чем разница?

Для чего это нужно? Дело в том, что у приборов, имеющих в своем составе индуктивности (трансформаторы, электродвигатели) мощность, выраженная в Ваттах, меньше, чем мощность, выраженная в Вольт-Амперах в cosφ раз. cosφ (косинус фи, меньше либо равен 1) – это поправочный коэффициент, учитывающий реактивную составляющую, возникающую из-за индуктивных элементов. Обычно он указывается на корпусе прибора, но если его нет, то его можно принять 0,7 – 0,8.

Можно записать такое правило:

Вт=ВА * cosφ

В Вольт-Амперах измеряется полная мощность, которая состоит из активной и реактивной составляющих. Активная мощность измеряется в Ваттах (Вт), и всегда равна или меньше реактивной мощности (ВА).

Маркетологи, чтобы представить товар в выгодном свете, потребляемую мощность электроприборов указывают, как правило, в Вт (это меньше, чем в ВА), а мощность таких приборов, как генераторы и стабилизаторы, указывают в ВА, чтобы казалось больше.

Я тоже в этой статье мощность в основном привожу в ВА, чтобы “привязаться” к мощностям стабилизаторов.

Пусковые токи

Есть еще понятие пусковых токов, это когда в момент включения устройство требует такого количества энергии, которое в несколько раз превышает потребляемую энергию в штатном режиме.

В Таблице 2 приведены средние пусковые токи на электроприборы.

Таблица 2. Пусковые токи потребителей электроэнергии.

Потребитель

Кратность
пускового
тока

Длительность
импульса
пускового
тока, с

Про пусковые токи ламп накаливания можно почитать в статье про сопротивление нити лампы накаливания

При покупке стабилизатора нужно учитывать пусковые токи только у приборов последней строчки Таблицы 2, поскольку они имеют большую длительность. Короткими пусковыми токами можно пренебречь.

Нужно учесть, что пусковые токи не действуют одновременно, и для их учета можно взять самый мощный прибор. Хотя, бывают моменты, когда при включении питания к сети подключаются сразу все приборы. Это очень вредно не только для стабилизатора, но и для электропроводки вообще. Поэтому, подавая питание, включайте приборы по очереди, это можно делать групповыми автоматами.

Выбор стабилизатора по рабочему напряжению

Очень важно, прежде чем покупать это недешёвое устройство, проанализировать причину нестабильного напряжения, а потом уже переходить к выбору модели и мощности стабилизатора.

При выборе мощности также нужно учитывать то, что при пониженном входном напряжении выходная мощность стабилизатора уменьшается. При понижении входного напряжения до 170В мощность падает на 30-50% в зависимоти от вида и КПД стабилизатора.

Эта особенность стабилизаторов приводится на графике, который обычно есть в инструкции:

Падение мощности стабилизатора в связи с падением напряжения

Если напряжение в сети обычно занижено, то надо быть готовым, что при напряжении 150 В стабилизатор на 10 кВт будет уходить в ошибку по перегрузке при выходной мощности менее 7 кВт. Энергия не может браться ниоткуда, за всё надо платить. И мощность при пониженном напряжении может повыситься только за счет повышения тока.

Эта особенность стабилизаторов усугубляет проблемы и без того изношенных сетей. Ведь чем больше люди ставят стабилизаторы, тем больше потребляется ток, и тем больше проседает напряжение у соседей, которые ещё не купили стабилизатор. Замкнутый круг, в котором выигрывает тот, кто первый вложит деньги.

После 250 В мощность стабилизатора также ограничивается из-за перегрева, что видно на графике.

Поэтому, для правильного выбора стабилизатора замерьте напряжение в сети, поизучайте как сильно оно моргает, как сильно мигают лампочки. Это дает представление о просадках (обычно лампочка “на глаз” затухающая в два раза, получает не 220 Вольт, а 170-180 В.)

Исходя из замеренных реальных напряжений в доме, нужно определиться не только с мощностью стабилизатора, но и с диапазоном работы. Например, если напряжение постоянно занижено, нужно выбрать “повышающий” стабилизатор, а если завышено – широкодиапазонный.

Теперь перейдём к конкретным случаям выбора стабилизатора – для всего дома, для котла, для холодильника, и т.д.

Выбор стабилизатора напряжения для дома

Пример: Рассмотрим дом, два этажа, одна фаза. Вводной автомат – 50А. В доме свет, стиральная машина, холодильник, телевизор, компьютер. Итак, автомат ограничивает нагрузку 50*220=11000 ВА.

Не факт, что ввод и домашняя проводка выдержит ток 50А, но для оценки максимального тока можно выбрать этот способ.

Посмотрим, что дает наша нагрузка если ее включить одновременно.
Без двигателя: свет (50+50+50+50+50) + телевизор (300) + компьютер (700) = 1250 ВА.

С двигателем: стиральная машина 2000 Вт/0,7 = 2850 ВА
Итого суммарно: 1250 + 2850 = 4100 ВА.

Замеряем напряжение вечером, допустим 190 Вольт. При выборе стабилизатора для такого дома оптимальная мощность с запасом будет 5000 ВА. Если планируете добавить нагрузку и иметь запас, то лучше взять 8500 ВА.

Выбор стабилизатора напряжения для дома. Настенный стабилизатор, вид сзади

Далее рассмотрим случаи, когда применение стабилизатора для всего дома нецелесообразно. Но для отдельных особо чувствительных потребителей стабилизатор всё же нужен. Это поможет решить проблему с напряжением и сэкономить средства.

Выбор стабилизатора напряжения для котла

Надежная и безаварийная работа газовых возможна только при соблюдении определенных условий, а именно при наличии качественного электропитания. К сожалению именно с этим непременным условием чаще всего возникают проблемы. Для решения этой проблемы необходимо установить стабилизатор напряжения для котла. Прежде всего рассмотрим причины, по которым мы хотим установить стабилизатор напряжения, а затем остановимся на таком вопросе, какой именно стабилизатор напряжения для котла нам необходим.

В чем же заключается опасность колебаний напряжения для отопительной техники?

1. Несмотря на то, что контроллер (или проще говоря компьютер, управляющий котлом) имеет свой собственный стабилизатор напряжения, его нормальное функционирование гарантировано при напряжении питающей сети 220 плюс минус 10%В. Сбой в его работе может создать аварийную ситуацию.
2. Арматура котла включает в себя электромагнитные клапаны и задвижки. Пониженное напряжение приводит к их неполному закрытию или открытию, а повышенное к выходу из строя. Эти обстоятельства так же требуют установить стабилизатор напряжения для котла.
3. Изменение режима работы вентиляторов приводит к изменению состава топливной смеси и неустойчивому горению.
4. При значительных отклонениях напряжения питающей сети вентиляторы и насосы имеют высокую степень вероятности выхода из строя.

Практически все производители отопительной техники рекомендуют установить стабилизатор напряжения котла и у многих это является одним из условий предоставления гарантии.

Кроме того, для питания котла я рекомендую применение Источника Бесперебойного Питания (UPS) типа Онлайн, чтобы при кратковременных отключениях электроэнергии котёл продолжал работать. Речь идёт о времени отключения 5-60 минут, в зависимости от емкости батареи ИБП. Кроме того, Онлайн ИБП с двойным преобразованием выдает чистую синусоиду и предохраняет электронику котла от возможных кратковременных (менее 10мс) скачков напряжения, с которыми ни один стабилизатор не успеет справится.

ИБП должен быть специальным, для котлов, со сквозным нулём – для правильной работы розжига.

Такие траты окупятся долгим сроком службы котла. Утешением может послужить то, что стабилизатор для котла должен иметь небольшую мощность – не более 500 ВА.

Выбор стабилизатора напряжения для компьютера

Компьютер состоит из системного блока и монитора. Поэтому мощность надо суммировать. Также если в стабилизатор включены еще и дополнительные приборы (сканер, принтер и т.д.) то всю мощность надо просуммировать и полученный результат сравнить с линейкой номиналов рассматриваемых стабилизаторов напряжения. Как правило, для домашнего компьютера можно выбрать стабилизатор мощностью не более 1000 Вт.

Для компьютера также рекомендую вместо стабилизатора применить Smart UPS (интерактивные ИБП). Они содержат в себе функцию стабилизации (релейного типа) и имеют аккумулятор. Таким образом, и напряжение будет относительно стабильным, и резерв обеспечен.

Стабилизатор напряжения для холодильника

В данном случае мы имеем отношение с более сложным прибором, который имеет и пусковые токи и реактивную составляющую (cosφ Выбор стабилизатора напряжения для стиральной машины

Если стиральная машина при пониженном напряжении плохо работает, когда все остальные домашние приборы чувствуют себя удовлетворительно, разумно поставить стабилизатор только для стиральной машины.

Выбор стабилизатора для стиральной машинки похож на выбор стабилизатора напряжения для холодильника, только не нужно умножать на 2, т.к. пусковые токи тут существенно меньше чем токи у компрессора холодильника.

Допустим, стиральная машина 2000 Вт. Тогда мы делим на 0,7, получаем 2857 ВА, то есть ближайший номинал – 3 кВА.

В итоге, выбор стабилизаторов напряжения – не такое уж и сложное дело.

Считаю, что стабильное напряжение – это, конечно, хорошо. Но если напряжения нет, то и стабилизировать нечего. Поэтому – советую обратить внимание на генераторы напряжения, для резервного бесперебойного питания своего дома.

Выкладываю инструкции к стабилизаторам напряжения.
• 1 Паспорт SUNTEK ЭМ электромеханический / Паспорт на электромеханические стабилизаторы Suntek СНЭТ-550, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000, 8500, 11000 автотрансформаторного типа., pdf, , скачан: 653 раз./

• 2 Паспорт на стабилизаторы напряжения SUNTEK ЭТ электронный тип_реле / Руководство по эксплуатации стабилизаторов напряжения электронного типа (на реле) СНЭТ-550, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000, 8500, 11000, pdf, , скачан: 1406 раз./

• 3 паспорт SUNTEK TT тиристорный тип / Руководство к стабилизаторам напряжения тиристорного типа SUNTEK TT (управление на тиристорных ключах), pdf, , скачан: 1295 раз./

Скачать инструкцию на стабилизаторы Энергия СНВТ .

На этом всё, читателей с вопросами и конструктивной критикой прошу в комментарии!

Стабилизаторы тока для светодиодного тюнинга. Продлеваем жизнь светодиодам.

Если мы используем в тюнинге светодиодную начинку и не хотим, чтобы лампочки через месяц начали моргать и сгорели, обязательно необходимо использовать стабилизаторы тока, чтобы продлить диодам жизнь. Причем чем больше мы ограничим ток, потребляемый диодами, тем значительнее мы увеличим их ресурс. Ограничив ток процентов на 20-30% вы увеличите ресурс раз в 10!

Кому не впадлу читать «многобукав» и разбираться в формулах может изучить эту и вот эту статью, а также даташит на используемую для стабилизации микросхему LM317. Кому лень, тот может ограничиться моими упрощенными выкладками, ибо я не буду вдаваться в глубокую теорию и объяснять физику.

Схема подключения микросхемы в качестве стабилизатора тока из даташита будет выглядеть так:

Т.е. подключать эту схему надо вот так:

Формула для расчета результирующего выходного тока будет выглядеть так:

По этой формуле вы можете легко подобрать резистор для будущей схемы стабилизации с нужным вам током, но надо иметь ввиду, что в реальности выходной ток может незначительно отличаться, он не будет на 100% соответствовать формуле.

Чтобы узнать под какой ток вам нужно подобрать резистор, надо знать какой ток вы хотите ограничить. Я хочу сказать, что нужно измерить потребление тока вашими диодами для начала. А делается это вот так:

Подключаем тестер последовательно в цепь на режиме измерения тока и смотрим номинальное потребление тока диодом(-ами) или лентой и отталкиваясь от этих значений уже выбираем ток, который мы дадим этим потребителям в итоге.

И еще один важный момент — для диодов, которые потребляют ток больше 300mА на LM-ку нужно будет ставить радиатор, ибо греться она будет ощутимо и с ростом температуры ее характеристики будут ухудшаться.

Только старайтесь, чтобы этот радиатор не соприкасался с металлическими частями кузова, ибо крепежный контакт — это тоже Output выход микросхемы и если он лежит на радиаторе без изоляции от него, то радиатор по сути становится плюсовым контактом.

Ну а те, кто хочет дико заморочаться, могут спаять полную обвязку для микросхемы согласно даташиту:

Хотя на практике оно все прекрасно живет и без нее, главное хорошо охлаждать LM-ку.

Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость — тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

По мере зарядки, лампочка начинает тусклее светиться.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Содержание / Contents

• 1 Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]
• 2 Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]
  • 2.1 Пример расчета №1
  • 2.2 Пример расчета №2
• 3 Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]
  • 3.1 Пример расчета №3
• 4 Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]
  • 4.1 Пример анализа №1
• 5 Итог
• 6 Файлы
• 7 Упомянутые источники

↑ Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R=Uст+IR, (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R.

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R с линейной Вольт — амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R, а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

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

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R(ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= RUст/rдUвх=R/Nстrд=KфКПД, (6)
где rд — динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

↑ Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R/(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

↑ Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

↑ Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для усилителя «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом [6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

↑ Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

↑ Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R.

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

↑ Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если»->Подбор параметра.

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15).

Получим R=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

↑ Файлы

↑ Упомянутые источники

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания).
2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30.
3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61.
4. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне .
5. Простые стабилизаторы напряжения и их расчет .
6. Усилитель «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом.
7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13.
8. Статья на Интерлавке — Усилитель мощности «Ланзар» .
9. Мощный усилитель «Ланзар» .
10. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 — 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.