Расчет стабилизатора напряжения постоянного тока

Параметрический стабилизатор напряжения

В слаботочных схемах с нагрузками не более 20 мА используется устройство с низким коэффициентом полезного действия, известное как параметрический стабилизатор напряжения. В конструкцию данных приборов входят транзисторы, стабисторы и стабилитроны. Они используются преимущественно в компенсационных стабилизирующих устройствах как опорные источники напряжения.

1. Схема параметрического стабилизатора
2. Расчет параметрического стабилизатора
3. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне
4. Параметрический стабилизатор на транзисторе

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.

Расчет параметрического стабилизатора

Качество работы стабилизатора напряжения оценивается по его коэффициенту стабилизации, определяемого по формуле: КстU= (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uвых). Далее расчет параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне осуществляется в соответствии с сопротивлением балластного резистора Ro и типом используемого стабилитрона.

Для расчета стабилитрона применяются следующие электрические параметры: Iст.макс – максимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики; Iст.мин – минимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики; Rд – дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольтамперной характеристики. Порядок расчета можно рассмотреть на конкретном примере. Исходные данные будут следующие: Uвых= 9 В; Iн= 10 мА; ΔIн= ± 2 мА; ΔUвх= ± 10%Uвх.

В первую очередь в справочнике выбирается стабилитрон марки Д814Б, параметры которого составляют: Uст= 9 В; Iст.макс= 36 мА; Iст.мин= 3 мА; Rд= 10 Ом. После этого выполняется расчет входного напряжения по формуле: Uвх=nстUвых, в которой nст является коэффициентом передачи стабилизатора. Работа стабилизирующего устройства будет наиболее эффективной когда nст, составляет 1,4-2,0. Если nст = 1,6, то Uвх= 1,6 х 9 = 14,4В.

На следующем этапе выполняется расчет сопротивления балластного резистора (Ro). Для этого применяется следующая формула: Rо= (Uвх–Uвых) / (Iст+Iн). Значение тока Iст выбирается по принципу: Iст ≥ Iн. В случае одновременного изменения Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн, не должно быть превышения током стабилитрона значений Iст.макс и Iст.мин. В связи с этим, Iст берется как среднее допустимое значение в данном диапазоне и составляет 0,015А.

Таким образом, сопротивление балластного резистора будет равно: Rо= (14,4 – 9) / (0,015 + 0,01 ) = 216 Ом. Ближайшее стандартное сопротивление составит 220 Ом. Для того чтобы выбрать нужный тип резистора, нужно выполнить расчет мощности, рассеиваемой на его корпусе. Используя формулу Р = I2Rо, получаем значение Р = (25· 10-3)2х 220 = 0,138 Вт. То есть стандартная мощность рассеивания резистора будет 0,25Вт. Поэтому для схемы лучше всего подойдет резистор МЛТ-0,25-220 Ом ± 10 %.

После выполнения всех расчетов нужно проверить, правильно ли выбран режим работы стабилитрона в общей схеме параметрического стабилизатора. Вначале определяется его минимальный ток: Iст.мин= (Uвх–ΔUвх–Uвых) /Rо – (Iн+ΔIн), с реальными параметрами получается значение Iст.мин= (14,4 – 1,44 – 9) х 103/ 220 – (10 + 2) = 6 мА. Такие же действия выполняются для определения максимального тока: Iст.макс= (Uвх+ΔUвх–Uвых) /Rо – (Iн–ΔIн). В соответствии с исходными данными, максимальный ток составит: Iст.макс= (14,4 + 1,44 – 9) · 103/ 220 – (10 – 2) = 23 мА. Если полученные значения минимального и максимального тока выходят за допустимые пределы, то в этом случае нужно изменить Iст или сопротивление резистора Rо. В некоторых случаях требуется замена стабилитрона.

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).

Параметрический стабилизатор на транзисторе

Работа параметрического стабилизатора на транзисторах почти ничем не отличается от аналогичного устройства на стабилитроне. В каждой схеме напряжение на выходах остается стабильным, поскольку их вольтамперные характеристики затрагивают участки с падением напряжения, слабо зависящим от тока. То есть, как и в других параметрических стабилизаторах, стабильные показатели тока и напряжения достигаются за счет внутренних свойств компонентов.

Падение напряжения на нагрузке будет таким же, как и разность падения напряжения стабилитрона и р-п перехода транзистора. Падение напряжения в обоих случаях слабо зависит от тока, отсюда можно сделать вывод, что выходное напряжение также является постоянным.

Нормальная работа стабилизатора характеризуется наличием напряжения в диапазоне от Uст.max до Uст.min. Для этого необходимо, чтобы и ток, проходящий через стабилитрон, находился в пределах от Iст.max до Iст.min. Таким образом, течение максимального тока через стабилитрон будет осуществляться в условиях минимального тока базы транзистора и максимального входного напряжения. Поэтому транзисторный стабилизатор имеет существенные преимущества над обычным устройством, поскольку значение выходного тока может изменяться в широком диапазоне.

Схема стабилизатора напряжения

Что такое стабилизаторы сетевого напряжения

Стабилизатор напряжения для загородного дома

Схема подключения стабилизатора напряжения

Схема подключения стабилизатора напряжения в частном доме

Как рассчитать мощность стабилизатора?

Одним из важнейших факторов при выборе стабилизатора является расчет его мощности.

Прежде чем преступать к выбору модели стабилизатора, нужно определиться с мощностью стабилизатора.

Если устанавливать один серьезный агрегат, через который запитывается весь дом или квартира, нужно учитывать «аппетиты» одновременно работающей бытовой техники. Существуют и другие факторы, серьезно влияющие на расчеты. На некоторых сайтах есть онлайн-калькуляторы, автоматизирующие вычисления. Однако они не учитывают все факторы и часто выдают итоговое значение с большим запасом. Люди, которые безоговорочно верят им, порой серьезно переплачивают, покупая неоправданно дорогую технику.

Рассмотрим технологию расчета мощности стабилизатора без использования онлайн-калькулятора. Для начала рассмотрим каждый из факторов в отдельности. Ниже приведем пример полного расчёта мощности стабилизатора.

Итак, нам потребуется учесть следующие исходные данные:

1. Максимальное входящее напряжение (Вольт)

2. Минимальное входящее напряжение (Вольт)

3. Максимальная потребляемая и максимальная пиковая мощности (кВт)

4. Номинальные токи автоматического выключателя ввода (Ампер)

5. Сечение кабеля (кв. мм)

6. Материал изготовления кабеля (медь или алюминий)

Приведем доступные мощности для медного кабеля:

Сечение кабеля, кв. мм

Для алюминиевого кабеля:

Сечение кабеля, кв. мм

Далее приведена таблица зависимости доступной мощности от автоматического выключателя:

Получив исходные данные о материале кабеля, его сечении и о том какой установлен автомат, переходим к определению мощности которую тянут бытовые приборы. Для начала нужно выписать номинальные мощности всех электроприборов в доме. Например:

Освещение комнат – 200;
Холодильник – 200 (пиковая мощность (ПМ) – 1000 Вт);
Кондиционер – 1250 (ПМ – 2500 Вт);
Телевизор – 200;
Компьютер – 600;
Микроволновка – 1000 (ПМ – 1500 Вт);
Стиральная машинка – 1600 (ПМ – 2300 Вт);
Бойлер – 1500;
Пылесос – 1600;
Фен – 1500;
Электрический чайник – 1500.

Учитывать нужно только мощность приборов, которые домочадцы могут включать одновременно. Если в семье два человека, вряд ли когда-либо одновременно заработают телевизор, чайник, пылесос, фен и микроволновка. Поэтому не стоит прибавлять мощности всех приборов в доме. Для приборов с ПМ (это когда в конструкции имеется электродвигатель или компрессор) учитывается не номинальная, а максимальная мощность.

В расчете также будет фигурировать корректировочный коэффициент, который зависит от входящего напряжения. Приведем таблицу этих коэффициентов:

Входящее напряжение, В

Итак, получив все необходимые данные, можем приступать к расчету необходимой мощности стабилизатора. Рассмотрим расчет на следующем примере:

Имеющиеся исходные данные:

1. На вводе – медный кабель сечением 10 кв.мм

2. Автоматический выключатель на 50 А.

3. Минимальное напряжение – 175 В, максимальное – 240 В.

4. Потребляемая мощность – 6200 Вт

Максимальное отклонение напряжения идет в нижнюю сторону, поэтому для расчета коэффициента берем 175 В. Этого значения нет в таблице, но найти коэффициент легко: делим 175 на 220, и после округления получаем 0,795.

Последнее действие, общую номинальную мощность всех потребляемых одновременно приборов делим на коэффициент: 6200/0,795=7799 Вт.

Далее смотрим таблички выше: медный кабель на 10кв.мм и автоматический выключатель на 50 А означают максимально допустимую мощность в 11 кВт. Получается, что в нашем примере разумно купить стабилизатор на 8-10 кВт. Более мощный покупать не имеет смысла, т.к. автомат все равно не пропустит большую мощность. В случае выбора в пользу стабилизатора на 10 кВт запас мощности будет превышать 20 %. Это значит, что можно без проблем установить, например, еще один холодильник и телевизор. Также в этом случае стабилизатор не будет работать на пределе своих возможностей, поэтому прослужит дольше.

Расчет мощности стабилизатора напряжения

Как и любое другое устройство, нормализатор имеет свои критерии подбора и для качественно службы их нужно учитывать при покупке и подборе. Учтите, что от качества достоверности имеющихся у вас данных будет зависеть насколько качественно будет решать поставленные задачи нормализатор.

Данная статья поможет осуществить Вам выбор стабилизатора напряжения, а также произвести расчеты мощности стабилизатора. Это очень важный этап к которому необходимо отнестись со всей ответственностью, во многом именно от этого зависит как стабильно и качественно будет работать электрооборудование по нормализации электроэнергии сети.

Если вы решили приобрести автоматический стабилизатор, то наверняка Вы понимаете для каких целей он Вам необходим и какие устройства будут потреблять электроэнергию. Для правильно подсчета мощности правильно будет вычислить сумму мощности всех электрических приборов, которые могут быть одновременно задействованы. Правильный расчет общей мощности также позволит сэкономить Ваши средства выделенные на покупку, поскольку скорее всего фен для сушки волос, микроволновая печь, утюг, тостер и кухонный комбайн одновременно включатся не будут.

Чтобы не ошибиться при расчете мощности стабилизатора напряжения правильным будет выписать все без исключения потребители и проанализировать какие именно могут работать одновременно.

Формула расчета мощности стабилизатора

Правильный расчет мощности достигается при использовании несложной формулы:

P_стаб. — Мощность требуемого стабилизатора;

P_потр. — максимальная мощность одновременно включенных потребителей;

V_мин. — Минимальное сетевое напряжения.

Для Вашего удобства приведем ориентировочные нагрузки распространенных приборов в списке:

Стиральная машина автомат — 2500Вт;

Кондиционер — от 1500 до 4000Вт;

Бойлер — от 1000 до 1500Вт;

Освещение — от 200 до 600Вт;

Стационарный Компьютер — 500Вт;

Эл. обогреватель — 2000Вт;

Эл. плита — от 1000Вт; и более

Кофеварка, чайник — 1500Вт;

Микроволновая печь — 1500Вт;

Проточный водонагреватель — 5000Вт;

Пылесос — от 1000Вт;

Как вы уже могли заметить, мощность и уровень пониженного напряжения играют ключевую роль в выборе стабилизатора напряжения, именно поэтому нужны достоверные данные. Для того, чтобы Вы окончательно разобрались, как выбирать стабилизатор, мы приведем вам пример. Это довольно простое математическое действие, немного физики из школьного курса, еще не забыли?

Пример расчета мощности при выборе стабилизатора

Исходные данные:

P_потр. — максимальная мощность одновременно включенных потребителей — 4800Вт ;

V_мин. — Минимальное сетевое напряжения — 175В .

4800 X 220 / 175 ≈ 6035 (Вт)

Исходя из приведенных выше данных можно сделать вывод, что при напряжении 175В и потребляемой мощности 4800Вт необходимо выбрать стабилизатор напряжения мощностью не ниже 6000Вт .

Выбор стабилизатора напряжения по точности регулирования

После того, как известна мощность устройства, мощно приступить к выбору конкретной модели. Как известно, стабилизаторы напряжения могут быть разного класса точности. Выпускат устройства с погрешностью 220 ± 10%, 220 ± 8%, 220 ± 6%, 220 ± 5%, 220 ±3 %, 220 ±1 %, 220 ±0,75 %.

Высокая точность сетевого напряжения может быть необходима для медицинского оборудования, музыкального оборудования класса HI-END и другого восприимчивого оборудования, которое чувствительно с минимальным всплескам в электрической сети.

Заключение

В заключение данной статьи хотим отметить, что были разобраны все основные моменты, которые так или иначе могут повлиять на выбор стабилизатора напряжения. При этом, если вы испытываете недопонимание в каком-то из моментов, то просто позвоните нашим специалистам, которые окажут вам посильную помощь в выборе устройства со всеми нюансами.

Расчет параметрического стабилизатора

Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.
Входное Uвx напряжение такого стабилизатора должно быть существенно выше напряжения стабилизации Ucт стабилитрона VD1. А чтобы VD1 не вышел из строя стоит токоограничительный постоянный резистор R1.
Выходное напряжение (Uвых) будет равно напряжению Ucт, а с выходным током ситуация сложнее. Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон стабилизированого рабочего тока через него; например, минимальный — Iстmin = 5 mА, а максимальный — Iстmax = 25 mА. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё. И величина максимального значения этого тока нагрузки Iн будет зависеть и от сопротивления R1 и от Iстmin стабилитрона, — максимальный Iн будет уменьшен на Iстmin стабилитрона. Получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больше ток можно отдать в нагрузку стабилизатора.
В то же время, токоограничение через R1 не должен быть больше Iстmax. Так как, во-первых, VD1 необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, VD1 может выйти из строя при превышении Iстmax, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким токовым потреблением. Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих не более величины Iстmax. Поэтому стабилизаторы как на рис.1 используются только в стабилизаторах с небольшой токовой нагрузкой.

Если нужно обеспечить более-менее значительный Iн стабилизатора и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной Iст при помощи VT1, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).
Максимальный Iн данного стабилизатора определяется по формуле:
Iн = (Iст — Iстmin)·h21э,
где:
Iст.ср — средний ток стабилизации используемого VD1,
h21э — коэффициент передачи тока базы VT1.
Например, если использовать:
стабилитрон КС212Ж (Iст = (0,013-0,0001 )/2 = 0,00645А),
транзистор КТ815А (с h21э = 40),
мы сможем получить максимальный Iн от стабилизатора как на рис.2:
Iн = (0,006645-0,0001)·40 = 0,254 А.
К тому же, при расчетах Uвых нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже Uст, 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:
Uвх = 15V,
Uвых = 12V,
Iн = 0,5А.
Возникает вопрос, что выбрать, — стабилитрон с большим Iст.ср или транзистор с большим h21э?
Если имеется КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Iн = (Iст — Iстmin)·h21э, потребуется VD1 с разницей Iст.ср и Iст.мин — 0.0125А. По напряжению он должен быть на 0,65V больше Uвых, т.е. 12,65V.
Попробуем подобрать по справочнику. Вот, например, КС512А:
Uст = 12V,
Iстmin = 1 mА,
Iстmax = 67 mА.
Т.е. Iст.ср = 0,0ЗЗА.
В общем подходит, но Uвых будет не 12V, a 11,35V. А нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно с VD1 как показано на рисунке 3.
Теперь вычисляем сопротивление R1:
R = (15 -12) / 0.0125А = 160 Ом.
Несколько слов о выборе транзистора стабилизатора по мощности и максимальному току коллектора (Iк.max).
Iк.max должен быть не менее максимального Iн. В нашем случае — не менее 0,5А. А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность можно по следующей формуле:
Р=(Uвх — Uвых) Iвых.
В нашем случае: Р = (15-12)0,5=1,5W.
Таким образом, Iк.max должен быть не менее 0,5А, а Рmax не менее 1.5W. Выбранный КТ815А подходит с большим запасом (Iк.max.=1,5А, Рmax.=10W).

Увеличить выходной ток стабилизатора без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив транзисторный h21э. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4).
При таком включении общий h21э будет примерно равен произведению h21э обоих транзисторов. VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в стабилизаторе по рисунку 3. Но теперь у нас в стабилизаторе два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,3V. Это нужно учесть при выборе VD1, — его Uст (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,3V больше требуемого Uвых.
К тому же появился резистор R2. Его назначение — подавлять реактивную составляющую VT2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе. Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.

РК 2017/11
«Упрощенный расчет параметрического
стабилизатра напряжения на транзисторах».