Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Параметрический стабилизатор расчет тока

Расчет параметрических стабилизаторов напряжения

Так как выходной усилительный каскад питается от источника питания ЕК = В, а остальным каскадам и эмиттерным повторителям необходимы другие значения напряжений источников питания, то необходимо уменьшить напряжение питания выходного каскада для остальных элементов схемы. Для решения этой задачи применяется схема параметрического стабилизатора напряжения:

Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 9:

Рис.9 Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора

Принцип действия данного стабилизатора основан на стабилизации напряжения на нагрузке (на Rн) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Данный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, одним из плечей которого является балластный резистор R1, а вторым — соединенные стабилитрон VD1 и нагрузка Rн. Расчет делителя напряжения проще всего производить, используя закон Ома для участка цепи. т.о. расчет сводится к выбору номинала и мощности балластного резистора R1.

Исходными данными для расчета являются:

a) Входное напряжение (Uвхк), в данном случае равное напряжению источника питания всего устройства или напряжению питания выходного каскада.

b) Необходимое напряжение на нагрузке (U =Ек э.п. на VTi или U =Ек ус на VTi), в данном случае равное напряжению питания для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя.

c) Ток, потребляемый нагрузкой (Iн), в данном случае равный току для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя.

1. С учетом исходных данных выбирается стабилитрон с напряжением стабилизации UVD1 (или Uст), равным или близким U , и током стабилизации Iст, большим примерно в 2 раза, чем ток, потребляемый нагрузкой. Далее, у выбранного стабилитрона сводим основные характеристики в таблицу вида:

Позиционное обозначениеТипUст min, ВUст max, ВUст ном, ВIст, A
VDi

2. Как видно из рисунка, ток протекающий через балластный резистор R1 является суммой тока стабилизации стабилитрона VD1 — Iст и тока, потребляемого нагрузкой Iн. Именно этот ток (Iн=IR1) и следует использовать в дальнейших расчетах. В качестве IR1 принимается сумма токов протекающих через эмиттерный повторитель или предварительный усилитель:

(А)

Например, для эмиттерного повторителя на VT7-VT8 значение тока IR1 определяется следующим образом:

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT5-VT6:

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT1-VT2:

Для предварительного усилителя на транзисторах VT3,VT4:

Из закона Ома для участка цепи определяем значение тока, проходящего через балластный резистор:

(А)

3. Значение балластного сопротивления определяется из предыдущего пункта т.е.:

(Ом)

Реальное значение сопротивления R1 выбирается, как ближайшее к полученному из ряда Е24.

4. Имея значение сопротивления резистора R1 и ток, протекающий через него, рассчитывается мощность рассеяния резистора R1:

(Вт)

На рисунке 10 приведена схема стабилизатора напряжения для одного из каскадов усилителя.

Рис. 10 Схема параметрического стабилизатора напряжения

Пример расчета для одного из нескольких, необходимых в схеме, параметрических стабилизаторов:

Выходной усилительный каскад питается от источника питания ЕК = 50 В, а эмиттерный повторитель №1 на транзисторах VT1- VT2 от ЕК = 9 В, то необходимо уменьшить напряжение питания.

1. Выбираем стабилитрон с подходящими параметрами:

В качестве стабилизатора VD1 выбираем:

Позиционное обозначениеТипUст min, ВUст max, ВUст ном, ВIст ном, A
VD1КС482А8,510,20,005

Рассчитаем сопротивление R41:

R43 = (В), где

2. Определяем значение суммы токов, протекающих через балластный резистор:

IR43 = Iст + (А)

тогда IR43 = Iст + =5+3,314 = 8,314 мА

UR43 = Eк — 9 = 50 — 9 =41 В

3. Определяем значение сопротивления балластного резистора:

R43 = кОм

Принимаем: R43 = 5,1 кОм

4. Определяем мощность рассеяния резистора R41:

Расчет радиаторов

Радиаторы предназначены для отвода тепла от транзисторов в схеме, при мощности, превышающей 1,5 Вт. Т.о. те транзисторы, на которых рассеивается мощность более 1,5 Вт необходимо вынести за разъем, а также рассчитать для каждого площадь радиатора.

Площадь радиатора определим следующим образом:

(см 2 ) , где

sТ-коэффициент теплоизлучения от теплоотвода в окружающую среду (для дюралюминия sТ = 1,5 ( мВт / см 2 ×°С );

RТп-с – тепловое сопротивление переход-среда, определяется следующим образом:

(К/Вт), где

Тс — температура среды (в техническом задании задан диапазон рабочих температур усилителя – от 10 до 30 °С , выбираем верхнее значение этого диапазона → Тс=30°С);

Тп — температура р-п — перехода, (определяется исходя из справочных данных, можно принять в пределах от 125 до 200 °С);

Рс – мощность, которую необходимо рассеять.

Затем необходимо привести рисунок радиатора с указанием его линейных размеров (в см).

В качестве выходных транзисторов VT12 и VT13 выбраны транзисторы типа КТ928Г . У них температура p-n-перехода Тп = 150°С (данные из справочника). Необходимо рассеять мощность Pк = 19,14 ( Вт ). Произведем расчет теплового сопротивления переход-среда:

К/Вт

Определим площадь радиатора из дюралюминия:

см 2

Рисунок: (Необходимо привести рисунок радиатора по тем размерам, которые получились в расчете).

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-17; Просмотров: 369; Нарушение авторского права страницы

Исследование параметрического стабилизатора

1. Измерить и построить вольт-амперную характеристику стабилитрона;

2. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона RДИФ;

3. Рассчитать параметрический стабилизатор и исследовать его работу;

4. Сделать выводы.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитроном называется специальный тип диода, работающий на участке электрического пробоя, на котором для всего рабочего диапазона токов падение напряжения на стабилитроне остается практически неизменным.

Читайте так же:
Микросхема импульсного стабилизатор напряжения тока

На самом деле при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем изменяется на небольшую величину. Это изменение может быть определено по формуле ΔUСТ = RДИФΔIСТ, где RДИФ называется дифференциальным сопротивлением стабилитрона, и явлется справочным параметром. Обычно величина RДИФ достаточно мала и составляет единицы Ом, что обуславливает небольшое отклонение стабилизированного напряжения от своего номинального значения.

Главной особенностью стабилитрона является наличие у его ВАХ эффекта стабилизации, что используется в устройстве, называемом параметрическим стабилизатором.

Параметрический стабилизатор предназначен для поддержания заданной величины напряжения на нагрузке при воздействии на него возмущающих внешних факторов, таких как нестабильность входного напряжения и нестабильность тока нагрузки.

Работа параметрического стабилизатора (ПС) основана на том, что протекающий через стабилитрон ток может изменяться в зависимости от типа воздействующих на ПС внешних факторов. Так, например, при увеличении входного напряжения увеличивается сила тока, протекающего через резистор RОГР. Если при этом ток нагрузки не изменился, то это приводит к увеличению тока в ветви стабилитрона, но если это увеличение не выводит стабилитрон из рабочего участка токов, то напряжение на стабилитроне практически не меняется. Этот процесс и является стабилизацией напряжения на нагрузке.

Главным параметром ПС являетя коэффициент стабилизации KСТ, который определяется как отношение относительных отклонений входного и выходного напряжений и может быть измерен экспериментально. Так, например, если при относительном отклонеии выходного напряжения на 10%, относительное отклонение выходного напряжения равно 0,5 %, то коэффициент стабилизации для такого устройства равен KСТ = 10%/0,5% = 20.

При последовательном включении двух стабилитронов возможно увеличение величины напряжения стабилизации, поскольку новое значение напряжения стабилизации будет определяться по формуле: UСТ = UСТ1 + UСТ2. Однако при таком включении следует помнить, что для нормальной работы каждого из стабилитронов следует обеспечить требуемый для него диапазон токов и эти диапазоны могут не совпадать. В этом случае, при включении двух стабилитронов, в качестве нового токового диапазона следует брать максимальное из двух величин IСТmin1 и IСТmin2 и минимальное из двух величин IСТmax1 и IСТmax2. Недостатком такого включения является возрастание дифференциального сопротивления, поскольку RДИФ = RДИФ1 + RДИФ2. Это приводит к увеличению изменения напряжения на стабилитроне при изменении протекающего через него тока, что снижает коэффициент стабилизации всего параметрического стабилизатора.

При параллельном включении двух стабилитронов имеется возможность для увеличения токового диапазона работы параметрического стабилизатора. Такое включение имеет существенное преимущество, поскольку расширение диапазона IСТmin … IСТmax позволяет увеличить величину тока нагрузки.

Параллельное включение также снижает величину дифференциального сопротивления в два раза, что уменьшает величину изменения напряжения на каждом стабилитроне при измении протекающего через него тока. Однако параллельное включение сильно снижает КПД стабилизатора, поэтому включение более, чем двух стабилитронов на практике применяется редко.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для построения ВАХ стабилитрона следует собрать схему, представленную на рис. 2.1. Задавая значения тока, протекающего через стабилитрон, следует измерять приложенное к нему напряжение. Результаты измерений необходимо занести в табл. 2.1.

2. Для исследования работы параметрического стабилизатора следует собрать схему, представленную на рис. 2.2. Задавая различные значения входного напряжения UВХ, следует измерять соответствующие им напряжения на выходе стабилизатора. Результаты измерений следует занести в табл. 2.2.

Для каждого из значений UВХ необходимо рассчитать величину коэффициента стабилизации КСТ по следующей формуле:

где UВХ НОМ следует сделать раным величине UВХ при токе стабилитрона, равном 30 мА (см. табл. 2.2).

Рассчитанные значения KСТ необходимо также занести в табл. 2.2.

Рис. 2.1 Схема для измерения ВАХ стабилитрона

Табл. 2.1 Данные для построения ВАХ стабилитрона

Для определения величины RДИФ следует воспользоваться формулой:

где точки A и B следует выбрать в начале и в конце прямого участка ВАХ.

Рис. 2.2 Схема для исследования параметрического стабилизатора

Табл. 2.2 Данные для расчета коэффициента стабилизации

1. Благодаря уникальному свойству ВАХ стабилитрон обладает эффектом стабилизации, что позволяет собирать на его основе параметрический стабилизатор.

2. Номинальный коэффициент стабилизации может быть получен лишь в определенном интервале токов, протекающих через стабилизатор. Снижение величны IСТ приводит к ухудшению стабилизирующих свойств, а его увеличение может привести к перегреву стабилитрона и утрате стабилизационных свойств.

3. Недостатком параметрического стабилизатора является ограниченность тока нагрузки, который не превышает десятков миллиампер. По этой причине для стабилизации больших токов применяются схемы, работающие по другому принципу.

1. ВАХ стабилитрона, построенная по данным табл. 2.1.

2. Величина RДИФ, рассчитанная по ВАХ стабилитрона.

3. Значения KСТ, рассчитанные по данным табл. 2.2.

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Читайте так же:
Регулируемый стабилизатор тока для зарядных устройств

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

ЗАПРЕЩЕННАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ

Стабилизация напряжения с помощью стабилитронов

хорошо знакома многим и основным элементом стабилизации в схемах является стабилитрон. В качестве стабилитрона могут выступать разные радиоэлементы имеющие пороговые свойства. Хотя иногда стабилизаторами становятся и компоненты для этого изначально не предназначенные,- к примеру транзисторы и неоновые лампочки.

Суть стабилизации пороговыми элементами

сводится к пропусканию ими тока при достижении критического напряжения. Именно ток протекающий через стабилитрон стабилизирует напряжение в схеме. Вот тут как раз и кроется причина возникновения парадоксов и запретных загадок. Слабый стабилитрон пропуская через себя большие токи может легко выйти из строя, а вот увеличить ток и мощность стабилизации можно применив схему с транзистором рассчитанным на пороговые токи стабилизации.

Для увеличения стабилизируемого напряжения

применяется последовательное включение стабилитронов

Очень часто я встречаю решение по увеличению мощности тока стабилизации в схемах опубликованных и рассказанных на радиолюбительских сайтах в виде параллельно поставленных стабилитронов. Логически параллельное соединение увеличивает мощность схемы стабилизации, НО практически это в корне не верно.

Да , ставить стабилитроны ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО можно

тем самым увеличивая напряжение стабилизации, но
паралельно НЕЛЬЗЯ!

Простой опыт с неоновыми лампочками включенными по упрощенной схеме ПАРАЛЕЛЬНОГО включения показывает, что ток при превышении заданного напряжения стабилизации будет протекать только через один пороговый элемент в то время как второй просто будет «отдыхать».

В результате схема будет работать до поры до времени, но в определенный момент один из стабилитронов просто выйдет из строя сгорев и замкнув цепь питания.

Вывод: Параллельное включение стабилитронов категорически ЗАПРЕЩЕНО!

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,
  • выходное напряжение Uвых = 12V,
  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схемы включения TL431

Микросхема стабилитрон TL431 может использоваться не только в схемах питания. На базе TL431 можно сконструировать всевозможные световые и звуковые сигнализаторы. При помощи таких конструкций возможно контролировать множество разнообразных параметров. Самый основной параметр — контроль напряжения.

Переведя какой-нибудь физический показатель при помощи различных датчиков в показатель напряжения, возможно изготовить прибор, отслеживающий, например, температуру, влажность, уровень жидкости в емкости, степень освещенности, давление газа и жидкости. ниже приведем несколько схем включения управляемого стабилитрона TL431.

Читайте так же:
Схемы стабилизаторов тока для автомобильного аккумулятора

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Стабилизатор тока на TL431

Данная схема является стабилизатором тока. Резистор R2 выполняет роль шунта, на котором за счет обратной связи устанавливается напряжения 2,5 вольт. В результате этого на выходе получаем постоянный ток равный I=2,5/R2.

Индикатор повышения напряжения

Работа данного индикатора организована таким образом, что при потенциале на управляющем контакте TL431 (вывод 1) меньше 2,5В, стабилитрон TL431 заперт, через него проходит только малый ток, обычно, менее 0,4 мА. Поскольку данной величины тока хватает для того чтобы светодиод светился, то что бы избежать этого, нужно просто параллельно светодиоду подсоединить сопротивление на 2…3 кОм.

В случае превышения потенциала, поступающего на управляющий вывод, больше 2,5 В, микросхема TL431 откроется и HL1 начнет гореть. Сопротивление R3 создает нужное ограничение тока, протекающий через HL1 и стабилитрон TL431. Максимальный ток проходящий через стабилитрон TL431 находится в районе 100 мА. Но у светодиода максимально допустимый ток составляет всего 20 мА. Поэтому в цепь светодиода необходимо добавить токоограничивающий резистор R3. Его сопротивление можно рассчитать по формуле:

R3 = (Uпит. – Uh1 – Uda)/Ih1

где Uпит. – напряжение питания; Uh1 – падение напряжения на светодиоде; Uda – напряжение на открытом TL431 (около 2 В); Ih1 – необходимый ток для светодиода (5…15мА). Также необходимо помнить, что для стабилитрона TL431 максимально допустимое напряжение составляет 36 В.

Величина напряжения Uз при котором срабатывает сигнализатор (светится светодиод), определяется делителем на сопротивлениях R1 и R2. Его параметры можно подсчитать по формуле:

R2 = 2,5 х Rl/(Uз — 2,5)

Если необходимо точно выставить уровень срабатывания, то необходимо на место сопротивления R2 установить подстроечный резистор, с бОльшим сопротивлением. После окончания точной настройки, данный подстроичник можно заменить на постоянный.

Иногда необходимо проверять несколько значений напряжения. В таком случае понадобятся несколько подобных сигнализатора на TL431 настроенных на свое напряжение.

Проверка исправности TL431

Вышеприведённой схемой можно проверить TL431, заменив R1 и R2 одним переменным резистором на 100 кОм. В случае, если вращая движок переменного резистора светодиод засветится , то TL431 исправен.

Индикатор низкого напряжения

Разница данной схемы от предшествующей в том, что светодиод подключен по-иному. Данное подключение именуется инверсным, так как светодиод светится только когда микросхема TL431 заперта.

Если же контролируемое значение напряжения превосходит уровень, определенный делителем Rl и R2, микросхема TL431 открывается, и ток течет через сопротивление R3 и выводы 3-2 микросхемы TL431. На микросхеме в этот момент существует падение напряжения около 2В, и его явно не хватает для свечения светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его цепь дополнительно включены 2 диода.

В момент, когда исследуемая величина окажется меньше порога определенного делителем Rl и R2, микросхема TL431 закроется, и на ее выходе потенциал будет значительно выше 2В, вследствие этого светодиод HL1 засветится.

Индикатор изменения напряжения

Если необходимо следить всего лишь за изменением напряжения, то устройство будет выглядеть следующим образом:

В этой схеме использован двухцветный светодиод HL1. Если потенциал ниже порога установленного делителем R1 и R2, то светодиод горит зеленым цветом, если же выше порогового значения, то светодиод горит красным цветом. Если же светодиод совсем не светится, то это означает что контролируемое напряжение на уровне заданного порога (0,05…0,1В).

Работа TL431 совместно с датчиками

Если необходимо отслеживать изменение какого-нибудь физического процесса, то в этом случае сопротивление R2 необходимо поменять на датчик, характеризующейся изменением сопротивления вследствие внешнего воздействия.

Пример такого модуля приведен ниже. Для обобщения принципа работы на данной схеме отображены различные датчики. К примеру, если в качестве датчика применить фототранзистор, то в конечном итоге получится фотореле, реагирующее на степень освещенности. До тех пор пока освещение велико, сопротивление фототранзистора мало.

Вследствие этого напряжение на управляющем контакте TL431 ниже заданного уровня, из-за этого светодиод не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление фототранзистора. По этой причине увеличивается потенциал на контакте управления стабилитрона TL431. При превышении порога срабатывания (2,5В) HL1 загорается.

Данную схему можно использовать как датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно подсоединить два нержавеющих электрода, которые втыкают в землю на небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию микросхемы TL431, светодиод загорается.

Если же в качестве датчика применить терморезистор, то можно сделать из данной схемы термостат. Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством резистора R1.

TL431 в схеме со звуковой индикацией

Помимо приведенных световых устройств, на микросхеме TL431 можно смастерить и звуковой индикатор. Схема подобного устройства приведена ниже.

Данный звуковой сигнализатор можно применить в качестве контроля за уровнем воды в какой-либо емкости. Датчик представляет собой два нержавеющих электрода расположенных друг от друга на расстоянии 2-3 мм.

Как только вода коснется датчика, сопротивление его понизится, и микросхема TL431 войдет в линейный режим работы через сопротивления R1 и R2. В связи с этим появляется автогенерация на резонансной частоте излучателя и раздастся звуковой сигнал.

Читайте так же:
Стабилизаторы тока для телевизоров

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стабилизатор напряжения на транзисторе (параметрический стабилизатор).

Когда речь заходит о регулируемых стабилизаторах напряжения, то как правило, первым делом вспоминают о таких популярных решениях как LM317 или LM78xx.

Сегодня же речь пойдет о так называемом параметрическом стабилизаторе, устройстве состоящем из дух частей: непосредственно стабилизатора (стабилитрон и балластный резистор) и эмиттерного повторителя — транзистора выполняющего роль силового элемента. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рисунке №1.


Рисунок №1. Принципиальная схема стабилизатора.

За сохранение на выходе стабильного напряжения отвечает стабилитрон D1, однако он способен выдать небольшой выходной ток, как правило не превышающий пары десятков миллиампер, поэтому в схеме и необходим транзистор являющейся «умощнителем» выходного напряжения, то есть вся нагрузка проходит через него.

Для примера рассчитаем стабилизатор с выходным напряжением 12 вольт и током 1 ампер. Первым делом следует учесть, что входное напряжение должно быть на 2-3 вольта выше чем выходное, это необходимо для нормальной работы стабилитрона и компенсации потерь на переходе коллектор-эмиттер транзистора. В нашем примере входное напряжение будет равно 15-ти вольтам.

При выборе транзистора следует учесть, что его предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше входного, а максимальный ток коллектора должен быть больше выходного тока стабилизатора. В качестве силового элемента я буду использовать распространенный транзистор средней мощности КТ817А.

Еще один параметр транзистора который нам понадобиться это минимальный коэффициент передачи тока транзистора (обозначается как h21э), в моем случае это 25. Этот параметр необходим для расчета тока базы транзистора который должен обеспечить стабилитрон, рассчитывается по формуле:

I базы = I max вых. / коэффициент h21э

I базы = 1 / 25 = 0,04 А

Теперь перейдем к выбору стабилитрона, напряжение стабилизации которого должно быть равно выходному напряжению всей схемы, а ток не менее 40 миллиампер ( рассчитанный нами ток базы транзистора). Я буду использовать 1N5349 с током стабилизации 100 миллиампер.

Осталось посчитать необходимое сопротивление резистора R1 по следующей формуле:

R = (U вх. — И стаб.) / (I базы тр. + I стабилитрона)

R = (15 — 12) / (0.040 + 0.100) =22 ом.

и необходимую мощность резистора по формуле:

P = (U вх. — И стаб.) * (I базы тр. + I стабилитрона)

P = (15 — 12) * (0.040 + 0.100) =0.42 ватт.

Исходя из расчетов следует взять резистор мощностью 0.5 ватт или более мощный.

Что делать если ток стабилизации превышает ток базы транзистора? В этом случае в схему необходимо добавить еще один маломощный транзистор, назовем его «управляющим транзистором». Такой транзистор позволит существенно снизить нагрузку на стабилитрон (рис. 2).


Рисунок №2. Схема с дополнительный транзистором.

Еще необходимо сказать о возможности регулирования выходного напряжения такого стабилизатора от 0 до напряжения стабилизации стабилитрона, для этого необходимо добавить в схему переменный резистор (рис. 3).


Рисунок №3. Регулируемый стабилизатор.

Следует помнить, что чем меньше выходное напряжение относительно входного, тем больше мощность которая будет рассеиваться на транзисторе. При больших токах транзистор необходимо установить на радиатор. Посчитать мощность можно по формуле:

P = (U вход. — U вых.) * I вых.

Таким образом в случае входного напряжения 15 вольт, а выходного 12 вольт при токе нагрузки 0.1 ампер, мощность рассеиваемая на транзисторе составит 0.3 ватта. Однако при тех же параметрах и током нагрузки в 1 ампера мощность составит уже 3 ватта и в таком случае не обойтись без радиатора.

И в конце стоит сказать о том, что на практике выходное напряжение всей схемы будет немного ниже напряжения стабилизации стабилитрона. Это связано с тем, что часть напряжения потеряется на транзисторе при переходе база-эмиттер, поэтому следует выбирать стабилитрон с небольшим запасом по напряжению стабилизации.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Читайте так же:
Диодный стабилизатор тока 1n5296

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,
  • выходное напряжение Uвых = 12V,
  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон обеспечивает гораздо более высокий уровень стабильности питания, чем может быть достигнут, например, с помощью одной только схемы выпрямителя и фильтрующего конденсатора. В частности, за счет соответствующего легирования полупроводников можно получить практически вертикальный наклон кривой, получая стабилизированное напряжение с незначительной и постоянной пульсацией, которая не изменяется при изменении входного напряжения.

Далее показана схема простейшего стабилизатора напряжения, основанного на стабилитроне. Использовался стабилитрон с VZ = 12 В, а значение последовательного резистора R можно определить по формуле, как показано на рисунке, где Vi — входное напряжение, Vo — стабилизированное выходное напряжение (в данном случае 12 В), а IL — ток, потребляемый нагрузкой.

Без нагрузки (IL = 0) весь ток из схемы будет проходить через стабилитрон, который, в свою очередь, рассеивает его до максимальной своей мощности. Следовательно необходимо тщательно выбирать значение последовательного сопротивления, чтобы не превышать максимальную мощность, которую стабилитрон может рассеять когда к нему не подключена нагрузка. Эта схема способна генерировать ток не более десятков миллиампер, она часто используется для смещения базы транзистора или в качестве входа в операционный усилитель, тем самым получая более высокий выходной ток от стабилизатора.

На схеме показан стабилизатор на шунтирующем транзисторе, способный увеличивать мощность, подаваемую на нагрузку. Выходное напряжение VO определяется формулой: VO = VZ + VBE.

Схема параметрического стабилизатора

В зависимости от технических характеристик, параметрические стабилизаторы могут быть однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Стабилитрон, находящийся в составе конструкции, напоминает обратно включенный диод. Однако пробой напряжения в обратном направлении, характерный для стабилитрона, является основой его нормального функционирования. Данное свойство широко применяется для различных схем, в которых нужно создать ограничение входного сигнала по напряжению.

Параметрические стабилизаторы относятся к быстродействующим устройствам, они защищают чувствительные участки схем от импульсных помех. Использование этих элементов в современных схемах стало показателем их высокого качества, обеспечивающего стабильную работу оборудования в различных режимах. Основой параметрического стабилизатора является схема включения стабилитрона, использующаяся также и в других типах стабилизаторов в качестве источника опорного напряжения.

Стандартная схема состоит из делителя напряжения, который, в свою очередь включает в себя балластный резистор R1 и стабилитрон VD. Параллельно стабилитрону включается сопротивление нагрузки RH. Данная конструкция стабилизирует выходное напряжение при изменяющемся напряжении питания Uп и токе нагрузки Iн.

Работа схемы происходит в следующем порядке. Напряжение, увеличивающееся на входе стабилизатора, вызывает увеличение тока, проходящего через резистор R1 и стабилитрон VD. Напряжение стабилитрона остается неизменным за счет его вольтамперной характеристики. Соответственно, не изменяется и напряжение на сопротивлении нагрузки. В результате, все измененное напряжение будет поступать на резистор R1. Принцип работы схемы дает возможность для расчетов всех необходимых параметров.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию