In diesem Artikel werden Gleichspannungsstabilisatoren auf Halbleiterbauelementen besprochen. Berücksichtigt werden die einfachsten Schaltungen von Spannungsstabilisatoren, ihre Funktionsprinzipien und Berechnungsregeln. Das im Artikel vorgestellte Material ist nützlich für den Entwurf von Quellen für sekundär stabilisierte Energie.
Beginnen wir mit der Tatsache, dass es zur Stabilisierung eines elektrischen Parameters einen Schaltkreis zur Überwachung dieses Parameters und einen Schaltkreis zur Steuerung dieses Parameters geben muss. Für die Stabilisierungsgenauigkeit ist ein „Standard“ erforderlich, mit dem der stabilisierte Parameter verglichen wird. Wenn sich beim Vergleich herausstellt, dass der Parameter größer als der Referenzwert ist, gibt die Nachführschaltung (nennen wir sie Vergleichsschaltung) einen Befehl an die Steuerschaltung, den Wert des Parameters zu „reduzieren“. Und umgekehrt, wenn der Parameter kleiner als der Referenzwert ist, gibt die Vergleichsschaltung einen Befehl an die Steuerschaltung, den Wert des Parameters zu „erhöhen“. Alle automatischen Steuerungssysteme für alle Geräte und Systeme, die uns umgeben, von der Eisen- bis zur Raumsonde, funktionieren nach diesem Prinzip; der einzige Unterschied besteht in der Methode zur Überwachung und Steuerung der Parameter. Ein Spannungsstabilisator funktioniert genauso.
Das Blockschaltbild eines solchen Stabilisators ist in der Abbildung dargestellt.
Die Arbeit des Stabilisators kann mit der Regulierung des Wasserflusses aus einem Wasserhahn verglichen werden. Eine Person geht zum Wasserhahn, öffnet ihn und passt dann, während sie den Wasserfluss beobachtet, den Durchfluss nach oben oder unten an, um den für sie optimalen Durchfluss zu erreichen. Die Person selbst übernimmt die Funktion einer Vergleichsschaltung; der Maßstab ist die Vorstellung einer Person davon, wie der Wasserfluss sein sollte, und der Steuerkreis ist ein Wasserhahn, der von einer Vergleichsschaltung (einer Person) gesteuert wird. Wenn jemand seine Vorstellung von der Norm ändert und entscheidet, dass der Wasserfluss aus dem Wasserhahn nicht ausreicht, wird er ihn weiter öffnen. Der Spannungsstabilisator ist genau der gleiche. Wenn wir die Ausgangsspannung ändern möchten, können wir die Referenzspannung ändern. Wenn die Vergleichsschaltung eine Änderung der Referenzspannung erkennt, ändert sie selbstständig die Ausgangsspannung.
Eine vernünftige Frage wäre: Warum brauchen wir so ein Durcheinander an Schaltkreisen, wenn wir am Ausgang eine Quelle mit bereits „bereiter“ Referenzspannung verwenden können? Tatsache ist, dass die Quelle der Referenzspannung (im Folgenden als Referenz bezeichnet) einen niedrigen Strom (niedrige Amperezahl) hat und daher nicht in der Lage ist, eine leistungsstarke Last (niederohmige Last) zu versorgen. Eine solche Referenzspannungsquelle kann als Stabilisator für die Stromversorgung von Schaltkreisen und Geräten verwendet werden, die wenig Strom verbrauchen – CMOS-Chips, Verstärkerstufen mit geringem Stromverbrauch usw.
Das Schaltbild der Referenzspannungsquelle (Niederstromstabilisator) ist unten dargestellt. Im Kern handelt es sich um einen speziellen Spannungsteiler, der im Artikel Spannungsteiler beschrieben wird. Der Unterschied besteht darin, dass als zweiter Widerstand eine spezielle Diode, eine Zenerdiode, verwendet wird. Was ist das Besondere an einer Zenerdiode? Mit einfachen Worten ist eine Zenerdiode eine Diode, die im Gegensatz zu einer herkömmlichen Gleichrichterdiode bei Erreichen eines bestimmten Wertes der umgekehrt angelegten Spannung (Stabilisierungsspannung) den Strom in die entgegengesetzte Richtung leitet und bei weiterem Anstieg seinen internen Wert verringert Widerstand, strebt danach, ihn auf einer bestimmten Bedeutung zu halten.
Auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (Volt-Ampere-Kennlinie) einer Zenerdiode wird der Spannungsstabilisierungsmodus im negativen Bereich der angelegten Spannung und des angelegten Stroms dargestellt.
Wenn die an die Zenerdiode angelegte Sperrspannung zunimmt, leistet sie zunächst „Widerstand“ und der durch sie fließende Strom ist minimal. Ab einer bestimmten Spannung beginnt der Strom der Zenerdiode anzusteigen. Ein solcher Punkt in der Strom-Spannungs-Kennlinie ist erreicht (Punkt 1 ), danach führt ein weiterer Spannungsanstieg am Widerstand-Zener-Diodenteiler nicht zu einem Spannungsanstieg um p-n Zener-Dioden-Übergang. In diesem Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie steigt die Spannung nur am Widerstand an. Der durch den Widerstand und die Zenerdiode fließende Strom steigt weiter an. Von Punkt 1 , entsprechend dem minimalen Stabilisierungsstrom, bis zu einem bestimmten Punkt 2 Strom-Spannungs-Kennlinie entsprechend dem maximalen Stabilisierungsstrom, die Zenerdiode arbeitet im erforderlichen Stabilisierungsmodus (grüner Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie). Nach dem Punkt 2 In der Strom-Spannungs-Kennlinie verliert die Zenerdiode ihre „nützlichen“ Eigenschaften, beginnt sich zu erwärmen und kann ausfallen. Abschnitt vom Punkt 1 auf den Punkt 2 ist ein Stabilisierungsarbeitsabschnitt, in dem die Zenerdiode als Regler fungiert.
Wenn Sie wissen, wie man den einfachsten Spannungsteiler an Widerständen berechnet, können Sie einfach die Stabilisierungsschaltung (Referenzspannungsquelle) berechnen. Wie im Spannungsteiler fließen im Stabilisierungskreis zwei Ströme – der Teilerstrom (Stabilisatorstrom). Ich st. und Lastkreisstrom Ich lade. Letzterer sollte im Sinne einer „qualitativen“ Stabilisierung um eine Größenordnung kleiner sein als ersterer.
Für Berechnungen der Stabilisierungsschaltung werden die in Nachschlagewerken veröffentlichten Werte der Zenerdiodenparameter verwendet:
- Stabilisierungsspannung U st;
- Stabilisierungsstrom Ich st.(normalerweise durchschnittlich);
- Minimaler Stabilisierungsstrom Ich st.min;
- Maximaler Stabilisierungsstrom Ich st.max.
Zur Berechnung des Stabilisators werden in der Regel nur die ersten beiden Parameter verwendet - U st , Ich st., der Rest wird zur Berechnung von Spannungsschutzschaltungen verwendet, bei denen eine erhebliche Änderung der Eingangsspannung möglich ist.
Um die Stabilisierungsspannung zu erhöhen, können Sie eine Kette aus in Reihe geschalteten Zenerdioden verwenden, allerdings muss hierfür der zulässige Stabilisierungsstrom solcher Zenerdioden innerhalb der Parameter liegen Ich st.min Und Ich st.max Andernfalls besteht die Möglichkeit, dass die Zenerdioden ausfallen.
Hinzu kommt, dass einfache Gleichrichterdioden auch die Eigenschaft haben, die umgekehrt angelegte Spannung zu stabilisieren, lediglich die Werte der Stabilisierungsspannungen liegen bei höheren Werten der umgekehrt angelegten Spannung. Die Werte der maximalen rückseitig angelegten Spannung von Gleichrichterdioden werden normalerweise in Nachschlagewerken angegeben, und die Spannung, bei der das Stabilisierungsphänomen auftritt, ist normalerweise höher als dieser Wert und ist für jede Gleichrichterdiode unterschiedlich, auch für den gleichen Typ. Verwenden Sie Gleichrichterdioden als Hochspannungs-Zenerdiode daher nur als letzten Ausweg, wenn Sie die benötigte Zenerdiode nicht finden können, oder stellen Sie eine Kette von Zenerdioden her. In diesem Fall wird die Stabilisierungsspannung experimentell ermittelt. Beim Arbeiten mit Hochspannung ist Vorsicht geboten.
Das Verfahren zur Berechnung eines Spannungsstabilisators (Referenzspannungsquelle)
Wir berechnen den einfachsten Spannungsstabilisator anhand eines konkreten Beispiels.
Für die Schaltung erforderliche Anfangsparameter:
1. Teilereingangsspannung - Du bist dabei(kann stabilisiert sein oder auch nicht). Nehmen wir das an Du bist dabei= 25 Volt;
2. Stabilisierung der Ausgangsspannung - Du bist raus(Referenz Spannung). Nehmen wir an, wir müssen es bekommen U outx= 9 Volt.
Lösung:
1. Basierend auf der erforderlichen Stabilisierungsspannung wird die erforderliche Zenerdiode aus dem Nachschlagewerk ausgewählt. In unserem Fall ist es so D814V.
2. Ermitteln Sie aus der Tabelle den durchschnittlichen Stabilisierungsstrom - Ich st.. Laut Tabelle beträgt er 5 mA.
3. Berechnen Sie die am Widerstand abfallende Spannung - U R1, als Differenz zwischen der stabilisierten Eingangs- und Ausgangsspannung.
U R1 = U inx - U out -> U R1 = 25 - 9 = 16 Volt
4. Nach dem Ohmschen Gesetz wird diese Spannung durch den durch den Widerstand fließenden Stabilisierungsstrom dividiert und man erhält den Widerstandswert des Widerstands.
R1 = U R1 / I st —> R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ohm = 3,2 kOhm
Wenn der erhaltene Wert nicht in der Widerstandsreihe liegt, wählen Sie den Widerstand mit dem nächstgelegenen Nennwert. In unserem Fall handelt es sich um einen Widerstand mit Nennwert 3,3 kOhm.
5. Berechnen Sie die Mindestleistung des Widerstands, indem Sie den Spannungsabfall an ihm mit dem fließenden Strom (Stabilisierungsstrom) multiplizieren.
Р R1 = U R1 * I st —> Р R1 = 16 * 0,005 = 0,08 W
Da zusätzlich zum Zenerdiodenstrom auch der Ausgangsstrom durch den Widerstand fließt, wählen Sie daher einen Widerstand mit einer Leistung, die mindestens doppelt so hoch ist wie die berechnete. In unserem Fall handelt es sich um einen Widerstand mit nicht geringerer Leistung 0,16 W. Entsprechend der nächstliegenden Nennreihe (aufwärts) entspricht dies der Leistung 0,25 W.
Das ist die ganze Rechnung.
Wie bereits erwähnt, kann die einfachste Gleichszur Stromversorgung von Stromkreisen verwendet werden, die niedrige Ströme verwenden, sie ist jedoch nicht für die Stromversorgung leistungsstärkerer Stromkreise geeignet.
Eine Möglichkeit, die Belastbarkeit eines Gleichspannungsstabilisators zu erhöhen, ist die Verwendung eines Emitterfolgers. Das Diagramm zeigt eine Stabilisierungskaskade an einem Bipolartransistor. Der Transistor „wiederholt“ die an der Basis anliegende Spannung.
Die Belastbarkeit eines solchen Stabilisators erhöht sich um eine Größenordnung. Der Nachteil eines solchen Stabilisators sowie der einfachsten Kette bestehend aus einem Widerstand und einer Zenerdiode ist die Unmöglichkeit, die Ausgangsspannung einzustellen.
Die Ausgangsspannung einer solchen Stufe wird um den Wert des Spannungsabfalls geringer sein als die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode p-n der Basis-Emitter-Übergang des Transistors. In dem Artikel Bipolartransistor habe ich geschrieben, dass es für einen Siliziumtransistor 0,6 ... 0,7 Volt und für einen Germaniumtransistor 0,2 ... 0,3 Volt beträgt. Normalerweise grob berechnet - 0,65 Volt und 0,25 Volt.
Daher beträgt die Ausgangsspannung beispielsweise bei Verwendung eines Siliziumtransistors mit einer Zenerdioden-Stabilisierungsspannung von 9 Volt 0,65 Volt weniger, also 8,35 Volt.
Wenn Sie anstelle eines Transistors eine Verbundschaltung zum Anschluss von Transistoren verwenden, erhöht sich die Belastbarkeit des Stabilisators um eine weitere Größenordnung. Hier, wie auch in der vorherigen Schaltung, sollte man die Abnahme der Ausgangsspannung aufgrund ihres Abfalls berücksichtigen p-n Basis-Emitter-Übergänge von Transistoren. In diesem Fall beträgt bei Verwendung von zwei Siliziumtransistoren die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode 9 Volt, die Ausgangsspannung beträgt 1,3 Volt weniger (0,65 Volt für jeden Transistor), also 7,7 Volt. Daher ist es beim Entwurf solcher Schaltungen notwendig, dieses Merkmal zu berücksichtigen und eine Zenerdiode unter Berücksichtigung der Verluste an Transistorübergängen auszuwählen.
R2 = U R2 / Ist.max * 50 —> R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ohm
Mit dem so berechneten Widerstand können Sie die Blindkomponente des Ausgangstransistors effektiver unterdrücken und die Leistungsfähigkeit beider Transistoren voll ausnutzen. Vergessen Sie nicht, die erforderliche Widerstandsleistung zu berechnen, da sonst alles zur falschen Zeit durchbrennt. Widerstandsfehler R2 kann zum Ausfall von Transistoren und allem, was Sie als Last anschließen, führen. Die Leistungsberechnung ist Standard und wird auf der Seite „Widerstände“ beschrieben.
Wie wählt man einen Transistor für einen Stabilisator aus?
Die Hauptparameter für einen Transistor in einem Spannungsstabilisator sind: maximaler Kollektorstrom, maximale Kollektor-Emitter-Spannung und maximale Leistung. Alle diese Parameter sind immer in Nachschlagewerken verfügbar.
1. Bei der Auswahl eines Transistors muss berücksichtigt werden, dass der maximale Kollektorstrom (laut Nachschlagewerk) mindestens das Eineinhalbfache des maximalen Laststroms betragen darf, den Sie am Ausgang erhalten möchten Der Stabilisator. Dies geschieht, um bei zufälligen kurzfristigen Laststößen (z. B. einem Kurzschluss) einen Spielraum für den Laststrom bereitzustellen. Es ist zu berücksichtigen, dass der Kühlkörper des Transistors umso weniger massiv ist, je größer dieser Unterschied ist.
2. Die maximale Kollektor-Emitter-Spannung charakterisiert die Fähigkeit des Transistors, einer bestimmten Spannung zwischen Kollektor und Emitter im geschlossenen Zustand standzuhalten. In unserem Fall muss dieser Parameter außerdem mindestens das Eineinhalbfache der Spannung überschreiten, die dem Stabilisator vom Stromkreis „Transformator-Gleichrichter-Leistungsfilter“ Ihres stabilisierten Netzteils zugeführt wird.
3. Die Nennausgangsleistung des Transistors muss den Betrieb des Transistors im „halboffenen“ Zustand gewährleisten. Die gesamte Spannung, die von der Kette „Transformator-Gleichrichter-Brücke-Leistungsfilter“ erzeugt wird, wird in zwei Lasten aufgeteilt: die tatsächliche Last Ihres stabilisierten Netzteils und den Widerstand der Kollektor-Emitter-Verbindung des Transistors. Da beide Lasten in Reihe geschaltet sind, führen sie den gleichen Strom, die Spannung wird jedoch geteilt. Daraus folgt, dass ein Transistor ausgewählt werden muss, der bei einem bestimmten Laststrom der Differenz zwischen der von der Kette „Transformator-Gleichrichter-Brücke-Leistungsfilter“ erzeugten Spannung und der Ausgangsspannung des Stabilisators standhalten kann. Die Leistung wird als Produkt aus Spannung und Strom berechnet (aus einem Physiklehrbuch der Oberstufe).
Beispiel: Am Ausgang der Schaltung „Transformator-Gleichrichter-Brücke-Leistungsfilter“ (und damit am Eingang des Spannungsstabilisators) beträgt die Spannung 18 Volt. Wir benötigen eine stabilisierte Ausgangsspannung von 12 Volt bei einem Laststrom von 4 Ampere.
Wir ermitteln den Mindestwert des erforderlichen Kollektornennstroms (Iк max):
4 * 1,5 = 6 Ampere
Wir ermitteln den Mindestwert der erforderlichen Kollektor-Emitter-Spannung (Uke):
18 * 1,5 = 27 Volt
Wir ermitteln die durchschnittliche Spannung, die im Betriebsmodus am „Kollektor-Emitter“-Übergang „abfällt“ und dadurch vom Transistor absorbiert wird:
18 - 12 = 6 Volt
Wir ermitteln die erforderliche Nennleistung des Transistors:
6 * 4 = 24 Watt
Bei der Wahl des Transistortyps ist zu berücksichtigen, dass die auf dem Typenschild (laut Nachschlagewerk) angegebene maximale Leistung des Transistors mindestens das Zwei- bis Dreifache der auf den Transistor wirkenden Nennleistung betragen darf. Dies geschieht, um eine Leistungsreserve für verschiedene Laststromspitzen (und damit Änderungen der abfallenden Leistung) bereitzustellen. Es ist zu berücksichtigen, dass der Kühlkörper des Transistors umso weniger massiv ist, je größer dieser Unterschied ist.
In unserem Fall ist es notwendig, einen Transistor mit einer Nennleistung (Pk) von mindestens zu wählen:
24 * 2 = 48 Watt
Wählen Sie einen beliebigen Transistor, der diese Bedingungen erfüllt. Beachten Sie dabei, dass der Kühlkörper umso kleiner ist (und möglicherweise überhaupt nicht benötigt wird), je größer die Passparameter als die berechneten sind. Wenn diese Parameter jedoch übermäßig überschritten werden, ist zu berücksichtigen, dass je größer die Ausgangsleistung des Transistors ist, desto niedriger sein Übertragungskoeffizient (h21), was den Stabilisierungskoeffizienten in der Stromquelle verschlechtert.
Im nächsten Artikel werden wir uns mit einem Spannungsstabilisator mit kontinuierlicher Kompensation befassen. Es nutzt das Prinzip der Steuerung der Ausgangsspannung durch eine Brückenschaltung. Es weist eine geringere Welligkeit der Ausgangsspannung auf als der „Emitterfolger“ und ermöglicht außerdem die Regulierung der Ausgangsspannung in kleinen Grenzen. Darauf aufbauend wird eine einfache Schaltung einer stabilisierten Stromversorgung berechnet.
Für einige Stromkreise und Stromkreise reicht ein herkömmliches Netzteil ohne Stabilisierung völlig aus. Stromquellen dieser Art bestehen üblicherweise aus einem Abwärtstransformator, einem Diodenbrückengleichrichter und einem Filterkondensator. Die Ausgangsspannung des Netzteils hängt von der Windungszahl der Sekundärwicklung des Abwärtstransformators ab. Aber wie Sie wissen, ist die Netzspannung von 220 Volt instabil. Sie kann in gewissen Grenzen (200-235 Volt) schwanken. Folglich „schwebt“ auch die Ausgangsspannung am Transformator (statt beispielsweise 12 Volt beträgt sie etwa 10-14).
Elektrotechnik, die nicht besonders empfindlich auf kleine Änderungen der DC-Versorgungsspannung reagiert, kann mit einer solchen einfachen Stromversorgung auskommen. Doch empfindlichere Elektronik verträgt dies nicht mehr, sie kann dadurch sogar ausfallen. Daher besteht Bedarf an einer zusätzlichen Schaltung zur Stabilisierung der konstanten Ausgangsspannung. In diesem Artikel stelle ich einen Stromkreis eines recht einfachen Gleichspannungsstabilisators vor, der über eine Zenerdiode und einen Transistor verfügt. Es ist die Zenerdiode, die als Referenzelement fungiert und die Ausgangsspannung des Netzteils bestimmt und stabilisiert.
Kommen wir nun zu einer direkten Analyse des Stromkreises eines einfachen Gleichspannungsstabilisators. So haben wir beispielsweise einen Abwärtstransformator mit einer Wechselstrom-Ausgangsspannung von 12 Volt. Wir legen dieselben 12 Volt an den Eingang unserer Schaltung an, nämlich an die Diodenbrücke und den Filterkondensator. Der Diodengleichrichter VD1 erzeugt aus Wechselstrom konstanten (aber intermittierenden) Strom. Seine Dioden müssen für den maximalen Strom (mit einem kleinen Spielraum von etwa 25 %) ausgelegt sein, den das Netzteil erzeugen kann. Nun, ihre Spannung (umgekehrt) sollte nicht niedriger sein als die Ausgangsspannung.
Der Filterkondensator C1 glättet diese Spannungsstöße und macht die Gleichspannungswellenform glatter (wenn auch nicht ideal). Seine Kapazität sollte zwischen 1000 µF und 10.000 µF liegen. Die Spannung ist auch größer als die Leistung. Bitte beachten Sie, dass es einen solchen Effekt gibt – die Wechselspannung nach der Diodenbrücke und dem Elektrolytfilterkondensator steigt um etwa 18 %. Daher erhalten wir am Ende am Ausgang nicht 12 Volt, sondern irgendwo um die 14,5.
Jetzt kommt der Gleichspannungsstabilisatorteil. Das Hauptfunktionselement ist hier die Zenerdiode selbst. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Zenerdioden innerhalb bestimmter Grenzen die Fähigkeit haben, beim Wiedereinschalten eine bestimmte konstante Spannung (Stabilisierungsspannung) stabil aufrechtzuerhalten. Wenn an die Zenerdiode eine Spannung von 0 bis zur Stabilisierungsspannung angelegt wird, steigt diese einfach an (an den Enden der Zenerdiode). Nach Erreichen des Stabilisierungsniveaus bleibt die Spannung unverändert (mit einem leichten Anstieg) und die Stärke des durch sie fließenden Stroms beginnt zuzunehmen.
In unserer Schaltung eines einfachen Stabilisators, der am Ausgang 12 Volt erzeugen soll, ist die Zenerdiode VD2 für eine Spannung von 12,6 ausgelegt (setzen wir die Zenerdiode auf 13 Volt, das entspricht D814D). Warum 12,6 Volt? Denn am Emitter-Basis-Transistor-Übergang werden 0,6 Volt angelegt. Und der Ausgang beträgt genau 12 Volt. Da wir die Zenerdiode auf 13 Volt eingestellt haben, liegt die Ausgangsspannung des Netzteils bei etwa 12,4 V.
Die Zenerdiode VD2 (die die DC-Referenzspannung erzeugt) benötigt einen Strombegrenzer, der sie vor übermäßiger Überhitzung schützt. Im Diagramm übernimmt diese Rolle der Widerstand R1. Wie Sie sehen können, ist es in Reihe mit der Zenerdiode VD2 geschaltet. Ein weiterer Filterkondensator, Elektrolyt C2, liegt parallel zur Zenerdiode. Seine Aufgabe besteht auch darin, überschüssige Spannungswelligkeiten zu glätten. Man kann darauf verzichten, aber damit wird es trotzdem besser!
Als nächstes sehen wir im Diagramm den Bipolartransistor VT1, der nach einer gemeinsamen Kollektorschaltung angeschlossen ist. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Anschlussschaltungen für Bipolartransistoren vom Typ Common Collector (auch Emitterfolger genannt) dadurch gekennzeichnet sind, dass sie die Stromstärke deutlich erhöhen, es jedoch keine Spannungsverstärkung gibt (auch wenn sie etwas geringer ist). die Eingangsspannung, genau um die gleichen 0,6 Volt). Daher erhalten wir am Ausgang des Transistors die konstante Spannung, die an seinem Eingang verfügbar ist (nämlich die Spannung der Referenz-Zenerdiode, gleich 13 Volt). Und da der Emitterübergang 0,6 Volt an sich lässt, beträgt der Ausgang des Transistors nicht mehr 13, sondern 12,4 Volt.
Wie Sie wissen sollten, benötigt ein Transistor einen Widerstand, um eine Vorspannung zu erzeugen, damit er beginnt, sich zu öffnen (d. h. kontrollierte Ströme durch sich selbst entlang der Kollektor-Emitter-Schaltung zu leiten). Diese Aufgabe übernimmt der gleiche Widerstand R1. Durch Ändern der Nennleistung (innerhalb bestimmter Grenzen) können Sie die Stromstärke am Ausgang des Transistors und damit am Ausgang unseres stabilisierten Netzteils ändern. Wer damit experimentieren möchte, dem rate ich, R1 durch einen Abstimmwiderstand mit einem Nennwert von etwa 47 Kiloohm zu ersetzen. Durch Anpassen können Sie sehen, wie sich die Stromstärke am Ausgang des Netzteils ändert.
Nun, am Ausgang der einfachen Gleichsbefindet sich ein weiterer kleiner Filterkondensator, Elektrolyt C3, der Wellen am Ausgang der stabilisierten Stromversorgung glättet. Parallel dazu ist der Lastwiderstand R2 eingelötet. Es schließt den Emitter des Transistors VT1 mit dem Minus des Stromkreises. Wie Sie sehen, ist das Schema recht einfach. Enthält ein Minimum an Komponenten. Es stellt an seinem Ausgang eine völlig stabile Spannung bereit. Um viele elektrische Geräte mit Strom zu versorgen, wird dieses stabilisierte Netzteil völlig ausreichen. Dieser Transistor ist für einen maximalen Strom von 8 Ampere ausgelegt. Daher erfordert ein solcher Strom einen Strahler, der überschüssige Wärme vom Transistor abführt.
P.S. Wenn wir parallel zur Zenerdiode einen variablen Widerstand mit einem Nennwert von 10 Kiloohm hinzufügen (wir verbinden den mittleren Anschluss mit der Basis des Transistors), erhalten wir am Ende eine einstellbare Stromversorgung. Darauf können Sie die Ausgangsspannung stufenlos von 0 auf Maximum ändern (Zenerdiodenspannung minus 0,6 Volt). Ich denke, dass ein solches System bereits jetzt stärker nachgefragt werden wird.
Berechnung und Auslegung eines Parallelstabilisators. Merkmale der Anwendung. (10+)
Parametrischer Parallelstabilisator
Das Funktionsprinzip eines parametrischen Parallelstabilisators basiert auf der Tatsache, dass ein fester (oder nachfester) Strom durch ihn geleitet wird, der von einer Stromquelle (das ist sehr gut) oder einem Widerstand (das ist etwas schlechter) vorgegeben wird. . Anschließend wird der Strom in zwei Kanäle aufgeteilt. Ein Teil des Stroms wird zur Last geleitet. Der andere Teil umgeht die Last. Die Stärke des Bypass-Stroms und damit die Stärke des Laststroms wird so beibehalten, dass die Spannung an der Last dem angegebenen Wert entspricht. Typische Schaltungen paralleler Stabilisatoren sind in der Abbildung dargestellt.
Typische Schaltungen paralleler parametrischer Stabilisatoren
Leider werden in Artikeln immer wieder Fehler gefunden; sie werden korrigiert, Artikel ergänzt, weiterentwickelt und neue vorbereitet.
Überprüfung transformatorloser Stromversorgungskreise...
Hochleistungsschalt-Audioverstärker. Quadrate. Rundfunk. Klang...
Hochleistungs-Pulstonverstärker für die Synchronisation öffentlicher Veranstaltungen und anderer...
Thyristor einschalten, ausschalten, schalten, schalten, schalten ...
Steuerung eines Thyristor-Leistungsschalters mittels Optokoppler. Galvanische Isolierung...
So wählen Sie die Betriebsfrequenz und das Tastverhältnis des Controllers für einen Gegentaktwandler aus ...
Der Hauptparameter eines Spannungsstabilisators, anhand dessen seine Leistungsqualität beurteilt wird, ist der Stabilisierungskoeffizient
Zu st U = (ΔU in /U in) / (ΔU out /U out).
Der einfachste Spannungsstabilisator ist ein parametrischer, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 1.6.
Reis. 1.6. Parametrischer Spannungsstabilisator ohne Temperaturkompensation
Bei der Berechnung eines parametrischen Stabilisators kommt es normalerweise darauf an, den Widerstandswert des Ballastwiderstands R o zu berechnen und den Typ der Zenerdiode auszuwählen.
Die wichtigsten elektrischen Parameter der Zenerdiode sind:
U st – Stabilisierungsspannung;
I st.max – maximaler Strom der Zenerdiode im Arbeitsabschnitt des Voltampere
Eigenschaften;
I st.min – minimaler Strom der Zenerdiode im Arbeitsabschnitt des Voltampere
Eigenschaften;
R d – Differenzwiderstand im Arbeitsabschnitt der Strom-Spannung
Eigenschaften.
Schauen wir uns die Berechnungsmethode anhand eines Beispiels an.
Gegeben: U out = 9 V; I n = 10 mA; ΔI n = ± 2 mA; ΔU in = ± 10 %U in. .
Berechnungsverfahren.
1. Wählen Sie anhand des Nachschlagewerks eine Zenerdiode vom Typ D814B mit Parametern aus
U st = 9 V; I st. max = 36 mA; I st. min = 3 mA; R d = 10 Ohm.
2. Berechnen Sie die erforderliche Eingangsspannung anhand der Formel
U in =n st U out,
wobei n st der Übertragungskoeffizient des Stabilisators ist.
Für optimale Betriebsbedingungen des Stabilisators wird empfohlen, nst im Bereich von 1,4 bis 2 zu wählen.
Nehmen wir nst = 1,6, dann ist Uin = 1,6 · 9 = 14,4 V.
3. Berechnen Sie den Widerstandswert des Ballastwiderstands R o
R o = (U in –U out) / (I st +I n).
Der Strom I st wird aus folgenden Überlegungen ausgewählt: I st ≥I n.
Bei gleichzeitiger Änderung von U in um den Wert ΔU in und I n um den Wert ΔI n sollte der Zenerdiodenstrom die Grenzen von I st.max und I st.min nicht überschreiten.
Aus diesem Grund wird Ist normalerweise aus der Mitte des Bereichs akzeptabler Werte gewählt.
Wir akzeptieren I st = 0,015 A.
Dann ist R o = (14,4 – 9) / (0,015 + 0,01) = 216 Ohm.
Wählen wir den Standardwert des Widerstandswiderstands R o gemäß der Parameterreihe E24 (siehe Anhang 4).
Wir nehmen R o = 220 Ohm.
Um den Widerstandstyp auszuwählen, muss die Verlustleistung am Widerstandskörper berechnet werden
P = I 2 R o; P = (25 10 -3) 2 220 = 0,138 W.
Als Standardwert der Verlustleistung am Widerstand nehmen wir 0,25 W an.
Wir wählen den Widerstandstyp MLT-0,25-220 Ohm ± 10 %.
4. Überprüfen wir die richtige Wahl des Zenerdioden-Betriebsmodus in der Spannungsstabilisierungsschaltung:
I st.min = (U in –ΔU in –U out) / Ro – (I n +ΔI n);
I st.min = (14,4 – 1,44 – 9) · 10 3 / 220 – (10 + 2) = 6 mA;
I st.max = (U in +ΔU in –U out) / Ro – (I n –ΔI n);
I st.max = (14,4 + 1,44 – 9) · 10 3 / 220 – (10 – 2) = 23 mA.
Liegen die berechneten Stromwerte Ist.min und Ist.max außerhalb der zulässigen Werte, muss entweder ein anderer Wert für Ist gewählt, der Widerstandswert des Widerstands R o geändert oder die Zenerdiode ausgetauscht werden.
5. Der Spafür einen parametrischen Stabilisator wird durch die Formel bestimmt:
K st = (R o /R d + 1) /n st,
K st = (220 / 10 + 1) / 1,6 = 14,3.
6. Ausgangsimpedanz des parametrischen Spannungsstabilisators
R out = R o = 10 Ohm.
In Abb. Abbildung 1.7 zeigt ein Diagramm eines parametrischen Spannungsstabilisators mit Temperaturstabilisierung der Betriebsart seines Hauptelements – einer Zenerdiode.
Um die Temperaturstabilität der Ausgangsspannung zu erhöhen, sind in dieser Schaltung mehrere Siliziumdioden in Reihe zur Zenerdiode geschaltet.
Der Temperaturkoeffizient der Spannung (TCV) der Diode hat das entgegengesetzte Vorzeichen zum TCV der Zenerdiode, ist jedoch kleiner. Daher sind für die Temperaturkompensation Ust mehrere Dioden erforderlich. Zur thermischen Stabilisierung können auch in Durchlassrichtung geschaltete Silizium-Zenerdioden eingesetzt werden. Die Anzahl der thermisch stabilisierenden Elemente wird durch das Verhältnis des TKN-Moduls der Zenerdiode zum TKN-Modul des Elements (Diode) bestimmt. Das Divisionsergebnis wird auf die nächste ganze Zahl gerundet.
Numerische Werte des TKN von Zenerdioden und Dioden werden in Nachschlagewerken angegeben und in %/o C ausgedrückt. Bei in Durchlassrichtung angeschlossenen Siliziumdioden unterscheiden sich die TKN für verschiedene Typen geringfügig voneinander und liegen innerhalb
1,4...1,7 mV/o C. Für Germaniumdioden, zum Beispiel D7A - D7Zh, beträgt der TKN-Wert –1,9 mV/o C. Um thermische Stabilisierungsberechnungen in RGR-1 durchzuführen, verwenden Sie die D7Zh-Diode, für die TKN beträgt –1,9 mV/°C.
Es ist zu beachten, dass bei einer großen Anzahl thermisch stabilisierender Dioden (drei oder mehr) der direkte Spannungsabfall über ihnen und der dynamische Widerstand berücksichtigt werden müssen. Bei der D7Zh-Diode beträgt die Durchlassspannung 0,5 V und der dynamische Widerstand 2 Ohm. Die gesamte Stabilisierungsspannung ist definiert als die Summe der Spannungen der Zenerdiode und der Dioden, und der gesamte dynamische Widerstand ist definiert als die Summe der dynamischen Widerstände der Zenerdiode und der Dioden.
Die Berechnung eines solchen Stabilisators erfolgt nach der oben angegebenen Methode.
Reis. 1.7. Parametrischer Spannungsstabilisator mit Temperaturkompensation
Notiz:
Der Ablauf zur Berechnung der Sekundärstromversorgung ist wie folgt: Zuerst wird der Spannungsstabilisator berechnet, dann der Glättungsfilter und dann die Gleichrichterschaltung.
Der elektrische Schaltplan des Geräts sollte gemäß GOST und unter Berücksichtigung des Strukturdiagramms (Abb. 1.1) ausgeführt werden.
Test Nr. 2
Berechnung der Verstärkerstufe an einem Bipolartransistor
entsprechend der gemeinsamen Emitterschaltung
Rechts ist also ein Diagramm eines einfachen Transistorspannungsstabilisators.
Bezeichnungen:
- Ik – Kollektorstrom des Transistors
- I n - Laststrom
- I b - Basisstrom des Transistors
- I R – Strom durch den Ballastwiderstand
- Uin - Eingangsspannung
- U out - Ausgangsspannung (Spannungsabfall über der Last)
- U st - Spannungsabfall an der Zenerdiode
- U be – Spannungsabfall am pn-Übergang Basis-Emitter des Transistors
Wie funktioniert ein solcher Stabilisator und wie unterscheidet sich seine Arbeit von der Arbeit? Ja, ihre Arbeit ist fast nicht anders – die Spannung am Ausgang der Schaltung bleibt aufgrund des Vorhandenseins von Abschnitten auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (Zenerdiode und pn-Übergang des Basis-Emitter-Transistors) stabil, in denen die Spannung liegt Der Abfall hängt schwach vom Strom ab. Das heißt, wie bei allen parametrischen Stabilisatoren wird die Stabilität durch die inneren Eigenschaften der Komponenten erreicht.
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist der Spannungsabfall an der Last tatsächlich gleich der Differenz der Spannungsabfälle an der Zenerdiode und am pn-Übergang des BE-Transistors. Da der Spannungsabfall an der Zenerdiode schwach vom Strom abhängt (im Arbeitsabschnitt ist er gleich der Stabilisierungsspannung), hängt der Spannungsabfall am in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergang auch schwach vom Strom ab (bei einem Siliziumtransistor kann dies der Fall sein). Nimmt man etwa die gleiche Spannung wie bei einer herkömmlichen Siliziumdiode an (ca. 0,6 Volt), stellt sich heraus, dass auch die Ausgangsspannung konstant ist.
Fügen wir nun ein wenig Mathematik hinzu.
Bei der Lastspannung (Ausgangsspannung) ist alles klar: U out =U st -U be, berechnen wir R 0 und den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators. Aber zeichnen wir zunächst zwei Bilder nebeneinander – einen Teil der Schaltung unseres Stabilisators und einen Teil des einfachsten parametrischen Stabilisators auf einer Zenerdiode:
Es sieht so aus, nicht wahr? Darüber hinaus sind auch die Überlegungen und die daraus abgeleiteten Beziehungen zur Berechnung von R0 und der Normalbetriebsfläche sehr ähnlich.
Die oben herausgerissene Gleichung, die die Ströme und Spannungen für den Teil unserer Stabilisatorschaltung beschreibt:
U in =U st +I R R 0, unter Berücksichtigung von I R =I st +I b, erhalten wir
U in =U st +(I st +I b)R 0 (1)
Für den normalen Betrieb des Stabilisators (damit die Spannung an der Zenerdiode immer im Bereich von U st min bis U st max liegt) ist es erforderlich, dass der Strom durch die Zenerdiode immer im Bereich von I st min bis liegt Ich st max. Der minimale Strom durch die Zenerdiode fließt bei minimaler Eingangsspannung und maximalem Basisstrom des Transistors. Wenn wir das wissen, werden wir es finden Ballastwiderstand Widerstand:
R 0 =(U in min -U st min)/(I b max +I st min) (2)
Wenn wir berücksichtigen, dass in unserem Fall, wenn der Transistor nach einer Schaltung mit gemeinsamem Kollektor angeschlossen ist, der Basisstrom mit dem Emitterstrom durch das Verhältnis I e = I b (h 21E +1) zusammenhängt, der Emitter Wenn der Strom gleich dem Laststrom ist (da wir die Last eingeschaltet haben) und sich die Spannung an der Zenerdiode im Betriebsmodus geringfügig ändert (anstelle von U st min, nehmen wir einfach U st), erhalten wir das
R 0 =(U in min -U st)/(I n max /(h 21E +1)+I st min) (3)
h 21E +1 ist die Stromverstärkung für einen Stromkreis mit einem gemeinsamen Kollektor (h 21K), aber da h 21E normalerweise ziemlich groß ist, wird der „+1“-Term oft verworfen und es wird angenommen, dass h 21K = h 21E, dann wird die Formel (3) etwas einfacher:
R 0 =(U in min -U st)/(I n max /h 21E +I st min)
Der maximale Strom durch die Zenerdiode fließt bei einem minimalen Transistor-Basisstrom und einer maximalen Eingangsspannung. Unter Berücksichtigung dessen und dem, was oben zum Mindeststrom durch die Zenerdiode gesagt wurde, können Sie mit Gleichung (1) den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators ermitteln:
Wenn wir diesen Ausdruck umgruppieren, erhalten wir:
Oder anders ausgedrückt:
Wenn wir davon ausgehen, dass die minimale und maximale Stabilisierungsspannung (U st min und U st max) sich geringfügig unterscheiden (der erste Term auf der rechten Seite kann als gleich Null betrachtet werden) und auch, dass I n =I e =I b h 21E ( „+ 1“ – wirf es weg), dann Gleichung, die den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators beschreibt, wird die folgende Form annehmen:
Diese Formel zeigt deutlich den Vorteil eines solchen Transistorstabilisators gegenüber einem parametrischen Stabilisator auf Basis einer Zenerdiode – bei sonst gleichen Parametern kann der Ausgangsstrom eines Transistorstabilisators in einem größeren Bereich schwanken.
Nehmen wir zum Beispiel wieder die Zenerdiode KS147A (I st = 3..53mA) und schätzen wir ab, welchen maximalen Strom wir erwarten können, wenn die Spannung von 6..10V auf 5V reduziert wird, vorausgesetzt, der Ausgangsstrom kann davon abweichen Null bis I max. Nehmen wir den Transistor KT815A (h 21E = 40). Nachdem wir das Gleichungssystem (3), (4) gemeinsam gelöst haben, erhalten wir R 0 etwa 110 Ohm und einen maximalen Strom von etwa 550 mA.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Instabilität der Ausgangsspannung in diesem Fall noch schlimmer sein wird, da nun die Instabilität des Spannungsabfalls am pn-Übergang des Transistors zur Instabilität der Spannung an der Zenerdiode hinzukommt. Außerdem haben wir noch nicht berücksichtigt, dass die Ausgangsspannung um den Betrag des Spannungsabfalls am pn-Übergang geringer sein wird als bei einer Zenerdiode, also müssten wir sicherheitshalber eine Zenerdiode nehmen, die nicht bei 4,7 V liegt, sondern bei 5,1 oder sogar 5,6 Volt (ich habe speziell die gleiche Zener-Diode wie in als Beispiel genommen, damit man deutlicher erkennen kann, wie sich der Laststrom bei gleicher Zener-Diode unterscheiden würde).
Tatsächlich sind die Methoden zum Umgang mit Instabilität hier völlig ähnlich – Sie müssen die Instabilität der Spannung an der Zenerdiode irgendwie reduzieren. Dazu können Sie wie beim letzten Mal einen engeren Arbeitsabschnitt der I-V-Kennlinie der Zenerdiode verwenden. Dies führt natürlich auch zu einer Einengung des Bereichs des Normalbetriebs (da der Änderungsbereich des Betriebsstroms der Zenerdiode abnimmt), in diesem Fall jedoch, wenn der Bereich von Da der normale Betrieb bereits breiter ist als der eines parametrischen Stabilisators auf einer Zenerdiode (ungefähr das 21E-fache), können wir es uns durchaus leisten, dafür einen Teil des Ausgangsstrombereichs und/oder einen Teil des Eingangsspannungsbereichs aufzugeben Erhöhen Sie die Stabilität der Ausgangsspannung.
Sie können den Bereich des Normalbetriebs weiter vergrößern, wenn Sie zwei Transistoren verwenden, die nach einer Darlington- oder Szyklai-Schaltung verbunden sind (Abbildung links). In diesem Fall wird h 21E viel größer sein.
Nun, das Schlimmste daran ist, dies zu tun, da die Verstärkung des Operationsverstärkers nicht nur größer, sondern um ein Vielfaches größer ist als die jedes Transistors (dementsprechend können wir den Strom durch ihn ändern). (Wenn wir die Zenerdiode in einen noch engeren Bereich bringen, erhalten wir eine noch kleinere Änderungsspannung an ihr und dadurch eine noch stabilere Ausgangsspannung).
Es gibt noch eine andere Möglichkeit: Anstelle einer normalen Zenerdiode können Sie eine integrierte Zenerdiode verwenden, beispielsweise TL431. In diesem Fall erhalten wir neben einer deutlich geringeren Instabilität auch die Möglichkeit, die Ausgangsspannung zu regulieren.
Zunächst möchte ich sagen, dass ein solcher Spannungsstabilisator mit einer leichten Handbewegung in einen Stromstabilisator umgewandelt werden kann (Sie müssen lediglich die Spannung nicht an der Last, sondern an einem speziellen Strommesswiderstand stabilisieren).