Sfera-perm.ru

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

Параметрический стабилизатор тока параметры

Параметрический стабилизатор тока параметры

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Архив статей и поиск
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать — советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(500000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Викторина онлайн
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Голосования
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua


сделано в Украине

Усовершенствование параметрического стабилизатора напряжения

Параметрические стабилизаторы напряжения на стабилитронах широко применяются радиолюбителями, особенно начинающими, при разработке и постройке различных электронных устройств, хотя на смену им постепенно приходят интегральные стабилизаторы напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения показана на рис. 1. В его состав входят балластный резистор Rб и стабилитрон VD1, параллельно которому подключается нагрузка Rн.

Токи нагрузки и стабилитрона протекают через резистор Rб и его номинал должен быть таким, чтобы обеспечить как ток нагрузки, так и ток стабилитрона в пределах рабочего участка. Причем это условие должно выполняться при всех значениях питающего напряжения. По этой причине КПД и коэффициент стабилизации такого стабилизатора обычно невелики. На рис. 2 графически показаны зависимости напряжения на нагрузке от напряжения питания (входного) при указанных на схеме деталях и изменении напряжения питания от 6 до 9 В. Кривая 1 снята для сопротивления Rб = 100 Ом, а кривая 2 — для Rб = 300 Ом. В первом случае ток, потребляемый стабилизатором, изменяется от 6 до 30 мА, но при напряжении питания менее 7 В напряжение на нагрузке начинает резко уменьшаться. Во втором случае ток изменяется от 5 до 11 мА, а эффект стабилизации выражен очень слабо.

Улучшить параметры стабилизатора можно, если взамен резистора установить прибор, обладающий свойством стабилизатора тока, например, соответствующим образом включенный полевой транзистор (рис. 3).

На рис. 2 кривая 3 показывает зависимость напряжения на нагрузке от входного напряжения при использовании полевого транзистора с начальным током стока 10 мА. В этом случае потребляемый ток изменяется также от 6 до 10 мА, но стабильность напряжения на нагрузке заметно выше. Однако при напряжении питания менее 7 В напряжение на нагрузке также заметно снижается. Обусловлено это тем, что при напряжении сток-исток менее 1. 1,5 В стабилизирующие свойства полевого транзистора резко ухудшаются. Кроме того, подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами не очень просто.

Если заменить полевой транзистор на биполярный (рис. 4), то можно улучшить параметры стабилизатора и упростить установку требуемого тока подбором резистора R1.

Зависимость напряжения на нагрузке для сопротивления резистора R1 = 75 кОм показана на рис. 2 (кривая 4). При этом потребляемый ток, как и в случае с полевым транзистором, изменяется от 6 до 10 мА, но при напряжении питания менее 7 В напряжение на нагрузке изменяется меньше. Уменьшение сопротивления резистора R1 примерно в 1,5 раза (до 51 кОм) приведет к тому, что потребляемый ток будет изменяться в пределах от 9 до 16 мА, но зато стабильность напряжения на нагрузке будет заметно выше (кривая 5).

Таким образом, преимуществами стабилизатора, выполненного по схеме, показанной на рис. 4, является, во-первых, то, что стабилизатор начинает работать при разнице между напряжением питания и напряжением стабилизации стабилитрона от 0,2. 0,3 В, а во-вторых, то, что подбором резистора R1 можно установить требуемый ток через стабилитрон. Кроме того, установив конденсатор емкостью 100.. .200 мкФ между базой и эмиттером транзистора, можно значительно уменьшить пульсации напряжения на нагрузке. Это весьма важно в сетевых источниках питания. К недостаткам стабилизатора можно отнести заметное влияние температуры окружающей среды и напряжения питания на ток коллектора.

Если базовый ток транзистора сделать стабильным с помощью стабилизатора тока на полевом транзисторе (рис. 5), то стабильность напряжения на нагрузке будет еще выше. Требуемый ток коллектора устанавливают подстроечным резистором R2. Однако устройство в этом случае заметно усложняется, хотя и будет более экономичным, поскольку потребляемый ток мало меняется при изменении напряжения питания.

Читайте так же:
Стабилизатор тока для зарядного устройства автомобильных аккумуляторов

Описанные доработки параметрического стабилизатора напряжения можно внести в уже изготовленное устройство, заменив (в соответствии с рис. 4) балластный резистор транзистором и установив резистор R1 методом навесного монтажа. Для стабилизатора с маломощным стабилитроном можно применить транзисторы серий КТ208, КТ209, КТ361 с любыми буквенными индексами или аналогичные, с малым напряжением насыщения коллектор- эмиттер. Постоянные резисторы рекомендуется использовать МЛХ С2-33, подстроечный — СП3. Налаживание сводится к установке резистором R1 требуемого тока через стабилитрон.

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Параметрический стабилизатор тока параметры

Сопротивление (в Омах) балластного резистора R1 равно:

Вычисляют рассеиваемую на резисторе R1 максимальную мощность (в ваттах):

(U вх min — U вых )/R б = U вых /R н min + I ст min ; (1)
(U вх max — U вых )/R б = U вых /R н max + I ст max (2)

Итак, конкретный пример расчета.
Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения при следующих условиях: выходное напряжение U вых = 5,6В; изменение тока нагрузки 5. 15мА; изменение входного напряжения +15. -20%. Решение: 1. По заданному напряжению выберем тип стабилитрона. Заданное напряжение обеспечивает стабилитрон КС456А, имеющий следующие параметры: U ст min = 5,04В при I ст = 10мА; U ст max = 6,16В при I ст = 10мА; I ст min = 3мА; I ст max = 140мА; r д = 7Ом.
2. Зададим минимальный рабочий ток стабилитрона I ст min р = 5мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ ст max = U ст max — ΔI′ ст *r д = 6,16 — (10 — 5)*10‾ ³ *7 = 6,125В.
3. Зададим максимальный рабочий ток стабилитрона I ст mах р = 50мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ ст min = U ст min + ΔI′′ ст *r д = 5.04 + (50 — 10)*10‾ ³ *7 = 5.32В.
4. Значение номинального входного напряжения U вх ном и R б найдем из выражения (1) и (2) — (см. выше):

Здесь надо учесть, что минимальное значение нагрузки будет при максимальном потреблении тока, т.е. R н min = U вых /I ст max р = 5,6B/0.015mA = 373.333 Ом; максимальное значение нагрузки будет при минимальном потреблении тока, т.е. R н max =Uвых/Iст min р = 5.6B/0.005mA = 1120 Ом.
Выразим R б из каждого уравнения. Получим:

Теперь немного математики.

Поскольку левые части уравнений — это одно и то же, значит и правые равны между собою, т.е.

Подставив известные значения, получим:

Далее получаем: (0,8*U вх ном — 6,125)*0,055 = (1,15*U вх ном — 3,52)*0,0214. Раскрывая скобки, получим: 0,044*U вх ном — 0,337 = 0,0246*U вх ном — 0,114. Откуда 0,0194*U вх ном = 0,223. Находим U вх ном = 11,5В. Далее возвращаемся на три формулы выше и находим по любому нам понравившемуся из двух уравнений значение Rб. Оно будет около 143Ом. Выбираем ближайшее стандартное значение сопротивления, т.е. 150Ом.
5. Минимальное и максимальное входное напряжение при заданной в условии погрешности равно: U вх max = 1.15*U вх ном = 1,15*11,5 = 13,2В и U вх min = 1.15*U вх ном = 0,8*11,5 = 9,2В
6. Для найденных U вх min и U вх max при нагрузке от R н min = 373,333Ом до R н max = 1120 Ом и заданном выходном напряжении Uвых = 5,6В определим реальные токи стабилизации I ст max и I ст min :

Полученные значения лежат в рабочем диапазоне токов выбранного стабилитрона.
7. Найдем коэффициент стабилизации стабилитрона согласно выражения, оговоренного выше, а именно: К ст = (Δ Uвх / Uвх) / ( ΔU вых /U вых) = Uвых* R б / Uвх *r д , где Uвх = (U вх max + U вх min )/2

Стандартная величина коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора лежит в пределах К ст = 10. 30. Для получения коэффициента стабилизации напряжения с коэффициентом до 1000 и более применяют компенсационные стабилизаторы.

Стабилизация выпрямленного напряжения

Чтобы выпрямленное напряжение сетевого блока питания было возможно стабильнее, не изменялось из-за колебаний напряжения электросети, непостоянства тока, потребляемого нагрузкой, к выходу выпрямителя подключают стабилизатор напряжения, через который и питают нагрузку.

Основой его служит стабилитрон — кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало и очень незначительно меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и на нагрузке, подключенной к нему, поддерживается практически постоянным.

Вольтамперные характеристики нескольких наиболее часто используемых в самодельных конструкциях стабилитронов показаны на рис. 82. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого сплавного диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного направления. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растет очень медленно (на характеристике — горизонтальный участок ветвей), а затем при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-п перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике — спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС133А, например, при 3. 3,7 В, у стабилитрона Д808 — при 7. 8,5 В. В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах, соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик.
Пробой р-n перехода не ведет к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации, т. е.

(см. характеристику стабилитрона КС133А на рис. 82). Чём меньше численное значение этого параметра стабилитрона, тем стабильнее напряжение на нем при изменении тока.

Читайте так же:
Подключение таймера оттайки холодильника индезит по цвету проводов

Рис. 82. Вольтамперные характеристики некоторых стабилитронов

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации I ст. min, т.е. наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме «пробоя» устойчива, и не больше максимального тока стабилизации Iст. max — наибольшего тока, при котором температура нагрева р-п перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируются по его напряжению стабилизации Uст — напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Важнейшие параметры стабилитронов широкого применения приведены в табл. 6 приложения.

Простейший стабилизатор — параметрический, работающий как делитель нестабилизированного напряжения (рис. 83), образуют резистор Rгас, называемый гасящим или балластным, и стабилитрон V.

Нестабилизированное напряжение, подаваемое от выпрямителя на вход стабилизатора, должно быть на 40. 50% больше напряжения стабилизации используемого стабилитрона.Рабочий режим его устанавливают подбором резистора Rгас. Нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону, и напряжение на ней соответствует напряжению стабилизации использованного полупроводникового прибора. Благодаря стабилизирующим свойствам ток через стабилитрон изменяется пропорционально току нагрузки, но только в обратном порядке, поэтому общий ток, потребляемый от выпрямителя самим параметрическим стабилизатором и подключенной к нему нагрузкой, остается практически неизменным. А все изменения напряжения на входе стабилизатора, возникающие, например, из-за колебаний сетевого напряжения, гасит резистор Rгас.

Эффективность работы стабилизатора оценивают коэффициентом стабилизации напряжения Кст — числом, показывающим, во сколько раз уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения на выходе устройства по сравнению с такими же характеристиками входного напряжения.

Определить коэффициент стабилизации напряжения простейшего параметрического стабилизатора можно по упрощенной формуле:

Стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 83, можно использовать для питания многих простейших радиотехнических устройств и их узлов, при этом потребляемый ими ток не должен превышать максимальный ток через используемый стабилитрон. Так, для стабилитрона КС196 потребляемый от него ток не должен превышать 15. 18 мА при напряжении 9. 10 В (в зависимости от Uст конкретного стабилитрона).

Для питания приемника, усилителя ЗЧ или другого устройства, потребляемый ток которого превышает максимальный гок стабилитрона, в стабилизатор напряжения вводят транзисторный усилитель тока.

Примером может служить компенсационный стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 84. Здесь резистор R1 и стабилитрон VI образуют параметрический стабилизатор, поддерживающий на базе транзистора V2, называемого в данном случае регулирующим, постоянное напряжение, практически равное напряжению Ucт используемого стабилитрона. Регул л рующий транзистор включен эмиттерным повторителем.

Напряжение невыходе тако го стабилизатора, а значит, и на его нагрузке Rн равно разности напряжений стабилизации стабилитрона V7 и на эмиттерном р-п переходе транзистора V2. А так как напряжение на базе транзистора относительно эмиттера (напряжение смещения) составляет доли вольта, то можно считать, что выходное напряжение Uвых равно напряжению Uст используемого стабилитрона.

Принцип действия такого стабилизатора заключается в следующем. При повышении напряжения на входе стабилитрона Uвх, например из-за колебаний напряжения сети, напряжение на выходе стабилизатора Uвых также стремится возрасти. Это приводит к тому, что напряжение на эмиттерном переходе регулирующего транзистора V2 начинает уменьшаться и тем самым закрывать транзистор. При этом падение напряжения на участке эмиттер — коллектор транзистора возрастает настолько, что напряжение на выходе стабилитрона уменьшается до исходного уровня. Аналогично стабилизатор реагирует и иа понижение входного напряжения, но только в обратном порядке. Таким образом, регулирующий транзистор стабилизатора выполняет функцию прибора, сопротивление которого при изменении входного напряжения и тока нагрузки управляется напряжением на эмиттерном переходе, в результате чего выходное напряжение стабилизатора остается практически постоянным.

Резистор R2 не влияет на входные и выходные параметры стабилизатора, он нужен лишь для того, чтобы и при отключенной нагрузке регулирующий транзистор работал как усилитель тока. Сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы ток, текущий через него, был несколько больше начального неуправляемого тока транзистора — примерно 5. 10 мА.

Надежность работы стабилизатора и величина потребляемого тока зависят от параметров регулирующего транзистора. В частности, предельно допустимое напряжение между его эмиттером и коллектором должно быть больше максимального выходного напряжения стабилизатора, а предельно допустимый ток коллектора — больше максимального тока нагрузки. Потребляемый нагрузкой ток может быть тем больше, чем больше h21э регулирующего транзистора, но при атом его предельно допустимая мощность рассеивания должна быть на 20. 30% больше максимальной мощности, потребляемой стабилизатором от выпрямителя. Этим требованиям наиболее полно отвечают транзисторы большой мощности.

Чтобы регулирующий транзистор не перегревался во время работы, его устанавливают на радиатор.

  • 68
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

В.Г. Борисов. Кружок радиотехнического конструирования

4.3. Параметрические стабилизаторы

Ранее в этом пункте отмечалось, что при параметрическом методе режим стабилизации напряжения (тока) электропитания осуществляется за счет применения элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой [5].

Рис. 4.1.Вольтамперные характеристики нелинейных элементов.

Степень нелинейности вольт-амперных характеристик элементов, приведенных на рис. 4.1, на рабочем участке ВС оценивают отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление элемента Rcравно отношению падения напряжения на элементе U0 к величине тока I0, протекающего через элемент. Статическое сопротивление Rc– это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точкеАхарактеристики:

. (4.23)

Динамическое сопротивление элемента Rдравно отношению изменения падения напряжения на элементе DU к изменению ве­личины протекающего через элемент тока DI. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока:

.

Элементы, имеющие нелинейные вольт-амперные характеристи­ки, обладают различными величинами сопротивлений для постоянного по величине тока и для изменений тока. Разница в величинах статического и динамического сопротивлений позволяет эффективно использовать элементы с нелинейными вольт-амперными характеристиками для стабилизации напряжения или тока параметрическим способом.

Читайте так же:
Сделать самому стабилизатор тока

Очевидно, что подключение нелинейного элемента с характеристикой, подобной рис. 4.1, а (Rд Rc),последовательно с сопротивлением нагрузки позволяет уменьшить изменение тока в цепи при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки, так как изменение тока в цепи определяется наибольшим сопротивлением цепи, т. е. динамическим сопротивлением Rд >Rc.

Характеристика, приведенная на рис. 4.1, а, называется характеристикой вида RU,а характеристика, приведенная на рис. 4.1, 6 – вида RI.

Структурные схемы параметрических стабилизаторов напряжения и тока приведены на рис. 4.2. Режим стабилизации напряжения или тока осуществляется с помощью только нелинейных элементов НЭ, так как для линейного элемента ЛЭ характерна пропорциональность между входной и выходной величинами и их относительные изменения будут одинаковы.

а) б)

Рис. 4.2. Структурные схемы параметрических стабилизаторов: напряжения (а) и тока (б).

Вольт-амперными характеристиками вида RUобладает ряд нелинейных элементов, которые используются в параметрических стабилизаторах напряжения: газонаполненные cтабиловольты, кремниевые стабилитроны, некоторые типы температурочувствительных элементов (термисторы). В настоящее время для параметрической стабилизации постоянного напряжения наиболее широко применяются кремниевые стабилитроны. По сравнению с другими нелинейными элементами, используемыми для стабилизации напряжения, они обладают следующими преимуществами: малое значение дифференциального (динамического) сопротивления Rд (единицы—десятки Ом); широкий диапазон напряжения стабилизации (3,3—198) В; широкий диапазон допустимой мощности рассеяния (до 8,0 Вт); малые габариты и масса.

Рассмотрим основные соотношения в схеме параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне. Кремниевый стабилитрон является полупроводниковым плоскостным диодом, обратная ветвь вольт-амперной характеристики (рис. 4.3) которого имеет область, где величина напряжения мало зависит от величины обратного тока. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики характерна для обычногоp-n-перехода. Рабо­чим участком вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона является участок А—Б обратной ветви характеристики. При изменении тока через стабилитрон от Imin до Im напряжение на стабилитроне изменяется на величину DUc. Значения тока через стабилитрон Ic Im вызывает увеличение мощности, рассеиваемой в стабилитроне выше ее предельно допустимого значения, температура p-n-перехода при этом возрастает выше допустимой и стабилитрон выходит из строя в результате теплового пробоя.

Рис. 4.3.Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона

Рис. 4.4. Принципиальная схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, в которой в качестве нелинейного элемента используется кремниевый стабилитрон, приведена на рис. 4.4, где Rб– балластный резистор; Д– кремниевый стабилитрон с напряжением стабилизации Uст = Uвых; Rн – сопротивление нагрузки. Токи и напряжения в схеме находятся по законам Кирхгофа:

Iвх = Iст + Iн; (4.26)

Uвх = Uвых + IвхRб.

При увеличении напряжения на входе стабилизатора Uвх напряжение на его выходе Uвых также стремится к увеличению. Небольшое увеличение напряжения на стабилитроне Двызывает в соответствии с вольт-амперной характеристикой стабилитрона резкое увеличение тока через него. При этом падение напряжения на балластном резисторе Rб увеличивается за счет увеличения тока через стабилитрон Iст, который является составляющей входного тока Iвх. Напряжение на нагрузке Rнстабилизатора изменяется на величину DUст, которая тем меньше, чем меньше величина дифференциального сопротивления стабилитрона Rд. Таким образом, величина приращения напряжения на входе стабилизатора DUвх распределяется между изменением напряжения на балластном резисторе DURб и на нагрузке, равном DUст: DUвх = DURб + DUст. При Rб>>Rд, что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения на кремниевых стабилитронах, DUвх »DURб при DUст®0.

Работа стабилизатора при уменьшении входного напряжения происходит аналогично.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим параметрический стабилизатор функциональной схемой для изменений напряжения на входе. Эквивалентная схема модели стабилизатора показана на рис. 4.5. Считаем, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление Rн, изменение DUвх является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона постоянно в пределах рабочего участка характеристики стабилитрона. С уче­том сделанных допущений передаточная функция, связывающая возмущение на входе DUвх с реакцией на выходе DUвых, представляется коэффициентом деления

. (4.28)

Преобразуя (4.28), имеем

. (4.29)

Из (4.28) определяем

. (4.30)

Отношение DUвх / DUвых является дифференциальным коэффициентом стабилизации Кст.д.н, который связан с коэффициентом стабилизации Кст.н выражением (4.11).

, (4.31)

где Uвых/Uвх = К0– коэффициент передачи стабилизатора по напряжению.

Рис. 4.5. Функциональная схема модели параметрического стабилизатора постоянного напряжения при изменении напряжения.

Рис. 4.6.Функциональная схема модели параметрического стабилизатора постоянного напряжения для определения Rвых.

На практике часто пользуются упрощенным выражением дляопределения коэффициента стабилизации, учитывая, что всегда выполняются неравенства RдRб/Rн; Rб/Rд>>1. Тогда коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне

. (4.32)

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения определяется при постоянстве входного напряжения Uвх= const (или DUвх = 0).

Учитывая сказанное выше, функциональная схема модели параметрического стабилизатора для изменений напряжения на выходе, вызванных изменением тока нагрузки, принимает вид, показанный на рис. 4.6. В соответствии с этим рисунком выходное сопротивление стабилизатора напряжения

. (4.33)

Так как для стабилизаторов напряжения на кремниевых стабилитронах Rд

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:
Импульсный стабилизатор максимальный ток

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).

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.
Читайте так же:
Стабилизаторы напряжения тока реферат

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.

Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне

Для любой радиоэлектронной схемы обязательно наличие источника питания. Они могут быть постоянного и переменного тока, стабилизированными и нестабилизированными, импульсными и линейными, резонансными и квазирезонансными. Такое разнообразие дает возможность выбора источников питания для разных схем.

В наиболее простых электронных схемах, где не требуется высокая стабильность питающего напряжения или большая выходная мощность, чаще всего применяются линейные источники напряжения, отличающиеся надежностью, простотой и низкой стоимостью. Их составной частью служат параметрические стабилизаторы напряжения и тока в конструкцию которых входит элемент, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику. Типичным представителем таких элементов является стабилитрон.

Данный элемент относится к особой группе диодов, работающих в режиме обратной ветви вольтамперной характеристики в области пробоя. При включении диода в прямом направлении от анода к катоду (от плюса к минусу) с напряжением Uпор, через него начинает свободно проходить электрический ток. Если же включено обратное направление от минуса к плюсу, то через диод проходит лишь ток Iобр, составляющий всего несколько мкА. Увеличение на диоде обратного напряжения до определенного уровня приведет к его электрическому пробою. При достаточной величине силы тока диод выходит из строя под действием теплового пробоя. Работа диода в области пробоя возможна в случае ограничения тока, проходящего через диод. В различных диодах напряжение пробоя может составлять от 50 до 200В.

В отличие от диодов, вольтамперная характеристика стабилитрона имеет более высокую линейность, в условиях постоянного напряжения пробоя. Таким образом, для стабилизации напряжения с помощью этого устройства обратная ветвь вольтамперной характеристики. На участке прямой ветви работа стабилитрона происходит точно так же, как и у обычного диода.

В соответствии со своей вольтамперной характеристикой, стабилитрон обладает следующими параметрами:

  • Напряжение стабилизации – Uст. Зависит от напряжения на стабилитроне во время протекания тока Iст. Диапазон стабилизации у современных стабилитронов находится в пределах от 0,7 до 200 вольт.
  • Максимально допустимый постоянный ток стабилизации – Iст.max. Ограничивается величиной максимально допустимой рассеиваемой мощности Рmax, которая, в свою очередь тесно связана с температурой окружающей среды.
  • Минимальный ток стабилизации – Iст.min. Зависит от минимального значения тока, проходящего через стабилитрон. При этом токе должно быть полное сохранение работоспособности устройства. Вольтамперная характеристика стабилитрона между параметрами Iст.max и Iст.min имеет наиболее линейную конфигурацию, а изменение напряжения стабилизации очень незначительно.
  • Дифференциальное сопротивление стабилитрона – rст. Данная величина определяется как отношение приращения напряжения стабилизации на устройстве к малому приращению тока стабилизации, вызвавшему это напряжение (ΔUCT/ ΔiCT).
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector