В этой статье пойдёт речь о стабилизаторах постоянного напряжения на полупроводниковых приборах. Рассмотрены наиболее простые схемы стабилизаторов напряжения, принципы их работы и правила расчёта. Изложенный в статье материал полезен для конструирования источников вторичного стабилизированного питания.
Начнём с того, что для стабилизации любого электрического параметра должна быть схема слежения за этим параметром и схема управления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо наличие «эталона», с которым стабилизируемый параметр сравнивается. Если в ходе сравнения оказывается, что параметр больше эталонного значения, то схема слежения (назовём её схемой сравнения) даёт команду на схему управления «уменьшить» значение параметра. И наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то схема сравнения даёт команду на схему управления «увеличить» значение параметра. На этом принципе работают все схемы автоматического управления всех устройств и систем, которые нас окружают, от утюга, до космического аппарата, разница лишь в способе контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилизатор напряжения.
Структурная схема такого стабилизатора изображена на рисунке.
Работу стабилизатора можно сравнить с регулировкой воды, бегущей из водопроводного крана. Человек подходит к крану, открывает его, а потом, наблюдая за потоком воды, регулирует его подачу в большую, или меньшую сторону, добиваясь оптимального для себя потока. Сам человек выполняет функцию схемы сравнения, в качестве эталона выступает представление человека о том, какой поток воды должен быть, а в качестве схемы управления выступает водопроводный кран, который управляется схемой сравнения (человеком). Если человек изменит своё представление об эталоне, решив, что поток воды, бегущий из крана недостаточный, то он откроет его больше. В стабилизаторе напряжения точно так же. Если у нас появляется желание изменить выходное напряжение, тогда мы можем изменить эталонное (опорное) напряжение. Схема сравнения, заметив изменение эталонного напряжения, самостоятельно изменит и выходное напряжение.
Резонным будет вопрос: Зачем нам такое нагромождение схем, если можно на выходе использовать источник уже «готового» эталонного напряжения? Дело в том, что источник эталонного (далее по тексту – опорного) напряжения – слаботочный (низкоамперный), поэтому не способен питать мощную (низкоомную) нагрузку. Такой источник опорного напряжения можно использовать в качестве стабилизатора для питания схем и устройств, потребляющих малый ток – КМОП-микросхем, слаботочных усилительных каскадов и др.
Схема источника опорного напряжения (слаботочного стабилизатора) изображена ниже. По своей сути – это специальный делитель напряжения, описанный в статье Делитель напряжения , отличие его в том, что в качестве второго резистора используется специальный диод – стабилитрон. В чём особенность стабилитрона? Простыми словами, стабилитрон, это такой диод, который в отличие от обычного выпрямительного диода, при достижении определённого значения обратно приложенного напряжения (напряжения стабилизации) пропускает ток в обратном направлении, а при его дальнейшем повышении, уменьшая своё внутреннее сопротивление, стремится удержать его на определённом значении.
На вольтамперной характеристике (ВАХ) стабилитрона режим стабилизации напряжения изображен в отрицательной области прикладываемого напряжения и тока.
По мере увеличения обратного напряжения, прикладываемого к стабилитрону, он сначала «сопротивляется» и ток, протекающий через него минимален. При определённом напряжении, ток стабилитрона начинает увеличиваться. Достигается такая точка вольтамперной характеристики (точка 1 ), после которой дальнейшее увеличение напряжения на делителе «резистор – стабилитрон» не вызывает увеличения напряжения на p-n переходе стабилитрона. На этом участке ВАХ происходит увеличение напряжения лишь на резисторе. Ток, проходящий через резистор и стабилитрон продолжает расти. От точки 1 , соответствующей минимальному току стабилизации, до определённой точки 2 вольтамперной характеристики, соответствующей максимальному току стабилизации стабилитрон работает в требуемом режиме стабилизации (зелёный участок ВАХ). После точки 2 вольтамперной характеристики стабилитрон теряет свои «полезные» свойства, начинает греться и может выйти из строя. Участок от точки 1 до точки 2 является рабочим участком стабилизации, на котором стабилитрон выступает в качестве регулятора.
Зная, как рассчитывается простейший делитель напряжения на резисторах можно элементарно рассчитать цепь стабилизации (источник опорного напряжения). Как и в делителе напряжения, в цепи стабилизации протекают два тока – ток делителя (стабилизатора) I ст и ток нагрузочной цепи I нагр . В целях «качественной» стабилизации последний должен быть на порядок меньше первого.
Для расчётов цепи стабилизации используются значения параметров стабилитронов, публикуемые в справочниках:
- Напряжение стабилизации U ст ;
- Ток стабилизации I ст (обычно — средний);
- Минимальный ток стабилизации I ст.min ;
- Максимальный ток стабилизации I ст.max .
Для расчёта стабилизатора, как правило, используются только два первых параметра — U ст , I ст , остальные применяются для расчёта схем защиты по напряжению, в которых возможно значительное изменение входного напряжения.
Для повышения напряжения стабилизации можно использовать цепочку из последовательно соединённых стабилитронов, но для этого, допустимый ток стабилизации таких стабилитронов должен быть в пределах параметров I ст.min и I ст.max , иначе существует вероятность выхода стабилитронов из строя.
Следует добавить, что простые выпрямительные диоды также обладают свойствами стабилизации обратно приложенного напряжения, только значения напряжений стабилизации лежат на более высоких значениях обратно приложенного напряжения. Значения максимального обратно приложенного напряжения выпрямительных диодов обычно указывается в справочниках, а напряжение при котором проявляется явление стабилизации обычно выше этого значения и для каждого выпрямительного диода, даже одного типа, различно. Поэтому, используйте выпрямительные диоды в качестве стабилитрона высоковольтного напряжения только в самом крайнем случае, когда не сможете найти необходимый Вам стабилитрон, или сделать цепочку из стабилитронов. В этом случае, напряжение стабилизации определяется экспериментально. Необходимо соблюдать осторожность при работе с высоким напряжением.
Порядок расчёта стабилизатора напряжения (источника опорного напряжения)
Расчет простейшего стабилизатора напряжения мы проведём с рассмотрением конкретного примера.
Исходные, предъявляемые к схеме параметры:
1. Входное напряжение делителя — U вх (может быть стабилизированным, а может и нет). Допустим, что U вх = 25 вольт;
2. Выходное напряжение стабилизации — U вых (опорное напряжение). Допустим, что нам необходимо получить U выx = 9 вольт.
Решение:
1. Исходя из необходимого напряжения стабилизации, по справочнику подбирают необходимый стабилитрон. В нашем случае это Д814В .
2. Из таблицы находят средний ток стабилизации — I ст . По таблице он равен 5 мА.
3. Вычисляют напряжение, падающее на резисторе — U R1 , как разность входного и выходного стабилизированного напряжения.
U R1 = U вx — U выx —> U R1 = 25 – 9 = 16 вольт
4. По закону Ома делят это напряжение на ток стабилизации, протекающий через резистор, и получают значение сопротивления резистора.
R1 = U R1 / I ст —> R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ом = 3,2 кОм
Если полученного значения нет в резистивном ряде, выберите ближайший по номиналу резистор. В нашем случае это резистор номиналом 3,3 кОм .
5. Вычисляют минимальную мощность резистора, помножив падение напряжения на нём на протекающий ток (ток стабилизации).
Р R1 = U R1 * I ст —> Р R1 = 16 * 0,005 = 0,08 Вт
Учитывая, что через резистор кроме тока стабилитрона протекает ещё и выходной ток, поэтому выбирают резистор, мощностью не менее, чем в два раза больше вычисленной. В нашем случае это резистор мощностью не меньшей 0,16 Вт . По ближайшему номинальному ряду (в большую сторону) это соответствует мощности 0,25 Вт .
Вот и весь расчёт.
Как было написано ранее, простейшую цепочку стабилизатора постоянного напряжения можно использовать для питания схем, в которых используют малые токи, а для питания более мощных схем они не годятся.
Одним из вариантов повышения нагрузочной способности стабилизатора постоянного напряжения является использование эмиттерного повторителя. На схеме изображён каскад стабилизации на биполярном транзисторе. Транзистор «повторяет» приложенное к базе напряжение.
Нагрузочная способность такого стабилизатора возрастает на порядок. Недостатком такого стабилизатора, как и простейшей цепочки состоящей из резистора и стабилитрона, является невозможность регулировки выходного напряжения.
Выходное напряжение такого каскада будет меньше напряжения стабилизации стабилитрона на значение падения напряжения на p-n переходе «база – эмиттер» транзистора. В статье Биполярный транзистор , я писал, что для кремниевого транзистора оно равно – 0,6 … 0,7 вольта, для германиевого транзистора – 0,2 … 0,3 вольта. Обычно грубо считают – 0,65 вольта и 0,25 вольта.
Поэтому, например при использовании кремниевого транзистора, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет на 0,65 вольта меньше, т.е – 8,35 вольта.
Если вместо одного транзистора использовать составную схему включения транзисторов, то нагрузочная способность стабилизатора возрастёт ещё на порядок. Здесь также, как и в предыдущей схеме следует учитывать уменьшение выходного напряжения за счёт его падения на p-n
переходах «база – эмиттер» транзисторов. В данном случае, при использовании двух кремниевых транзисторов, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет уже на 1,3 вольта меньше (по 0,65 вольт на каждый транзистор), т.е – 7,7 вольта. Поэтому, при проектировании подобных схем необходимо учитывать такую особенность и подбирать стабилитрон с учётом потерь на переходах транзисторов.
R2 = U R2 / Iст.max * 50 —> R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ом
Рассчитанное таким образом сопротивление позволяет более эффективно гасить реактивную составляющую выходного транзистора и полноценно использовать мощностные способности обоих транзисторов. Не забывайте производить расчёт требуемой мощности резисторов, иначе всё сгорит в неподходящий момент. Выход из строя резистора R2 может привести к выходу из строя транзисторов и того, что Вы подключите в качестве нагрузки. Расчёт мощности стандартный, описанный на страничке Резистор .
Как выбрать транзистор для стабилизатора?
Основные параметры для транзистора в стабилизаторе напряжения: максимальный ток коллектора, максимальное напряжение «коллектор-эмитер» и максимальная мощность. Все эти параметры всегда имеются в справочниках.
1. При выборе транзистора необходимо учитывать, что паспортный (по справочнику) максимальный ток коллектора должен быть не менее, чем в полтора раза больше максимального тока нагрузки, который вы хотите получить на выходе стабилизатора. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по току нагрузки при случайных кратковременных бросках нагрузки (например короткого замыкания). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.
2. Максимальное напряжение «коллектор-эмитер» характеризует способность транзистора выдерживать определённое напряжение между коллектором и эмитером в закрытом состоянии. В нашем случае этот параметр должен также превышать не менее, чем в полтора раза напряжение подводимое к стабилизатору от цепи «трансформатор-выпрямитель-фильтр питания» вашего блока стабилизированного питания.
3. Паспортная выходная мощность транзистора должна обеспечивать работу транзистора в режиме «полуоткрытого» состояния. Всё напряжение, которое вырабатывается цепочкой «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» делится на две нагрузки: собственно нагрузка вашего блока стабилизированного питания и сопротивление коллекторно-эмитерного перехода транзистора. По обоим нагрузкам течёт один и тот же ток, поскольку они подключены последовательно, а вот напряжение делится. Из этого следует, что необходимо выбрать такой транзистор, который при заданном токе нагрузки способен выдерживать разницу между напряжением, вырабатываемым цепочкой «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» и выходным напряжением стабилизатора. Мощность вычисляется как произведение напряжения на ток (из учебника физики средней школы).
Например: На выходе цепи «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» (а значит на входе стабилизатора напряжения) напряжение равно 18 вольт. Нам необходимо получить выходное стабилизированное напряжение 12 вольт, при токе нагрузки 4 ампера.
Находим минимальное значение необходимого паспортного тока коллектора (Iк max):
4 * 1,5 = 6 ампер
Определяем минимальное значение необходимого напряжения «коллектор-эмитер» (Uкэ):
18 * 1,5 = 27 вольт
Находим среднее напряжение, которое в рабочем режиме будет «падать» на переходе «коллектор-эмитер», и тем самым поглощаться транзистором:
18 — 12 = 6 вольт
Определяем потребную номинальную мощность транзистора:
6 * 4 = 24 ватт
При выборе типа транзистора необходимо учитывать, что паспортная (по справочнику) максимальная мощность транзистора должна быть не менее, чем в два — три раза больше номинальной мощности падающей на транзисторе. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по мощности при различных бросках тока нагрузки (а следовательно и изменения падающей мощности). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.
В нашем случае необходимо выбрать транзистор с паспортной мощностью (Рк) не менее:
24 * 2 = 48 ватт
Выбираете любой транзистор, удовлетворяющий этим условиям, с учётом, что чем паспортные параметры будут намного больше расчётных, тем меньше по размерам потребуется радиатор охлаждения (а может и вообще не нужен будет). Но при чрезмерном превышении этих параметров учитывайте тот факт, что чем больше выходная мощность транзистора, тем меньше его коэффициент передачи (h21), а это ухудшает коэффициент стабилизации в источнике питания.
В следующей статье мы рассмотрим компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия . В нём используется принцип контроля выходного напряжения мостовой схемой. Он обладает меньшей пульсацией выходного напряжения, чем «эмиттерный повторитель», кроме того, он позволяет регулировать выходное напряжение в небольших пределах. На его основе будет рассчитана простая схема стабилизированного блока питания.
Для некоторых электрических цепей и схем вполне хватает обычного блока питания, не имеющего стабилизации. Источники тока такого типа обычно состоят из понижающего трансформатора, выпрямительного диодного моста и фильтрующего конденсатора. Выходное напряжение блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки на понижающем трансформаторе. Но как известно сетевое напряжение 220 вольт нестабильно. Оно может колебаться в некоторых пределах (200-235 вольт). Следовательно и выходное напряжение на трансформаторе тоже будет «плавать» (в место допустим 12 вольт будет 10-14, или около того).
Электротехника, которая особо не капризна к небольшим изменения питающего постоянного напряжения может обойтись таким вот простым блоком питания. Но вот более чувствительная электроника уже это не терпит, она от этого даже может выйти из строя. Так что возникает необходимость в дополнительный схеме стабилизации постоянного выходного напряжения. В этой статье я привожу электрическую схему достаточно простого стабилизатора постоянного напряжения, который имеет стабилитрон и транзистор. Именно стабилитрон выступает в роли опорного элемента, который определяет и стабилизирует выходное напряжения блока питания.
Теперь давайте перейдем к непосредственному разбору электрической схемы простого стабилизатора постоянного напряжения. Итак, к примеру у нас имеется понижающий трансформатор с выходным переменным напряжением в 12 вольт. Эти самые 12 вольт мы подаем на вход нашей схемы, а именно на диодный мост и фильтрующий конденсатор. Диодный выпрямитель VD1 из переменного тока делает постоянный (но скачкообразный). Его диоды должны быть рассчитаны на ту максимальную силу тока (с небольшим запасом где-то 25%), который может выдавать блок питания. Ну, и напряжение их (обратное) должно быть не ниже выходного.
Фильтрующий конденсатор C1 сглаживает эти скачки напряжения, делая форму постоянного напряжения более ровной (хотя и не идеальной). Его емкость должна быть от 1000 мкф до 10 000 мкф. Напряжение, также больше выходного. Учтите, что есть такой вот эффект - переменное напряжение после диодного моста и фильтрующего конденсатора электролита увеличивается примерно на 18%. Следовательно в итоге мы уже получим на выходе не 12 вольт, а где-то 14,5.
Теперь начинается часть стабилизатора постоянного напряжения. Основным функциональным элементом тут является сам стабилитрон. Напомню, что стабилитроны имеют способность в некоторых пределах стабильно держать на себе определенное постоянное напряжение (напряжение стабилизации) при обратном своем включении. При подачи на стабилитрон напряжения от 0 до напряжения стабилизации оно просто будет увеличиваться (на концах стабилитрона). Дойдя до уровня стабилизации напряжение будет оставаться неизменным (с незначительным ростом), а расти начнет сила тока, протекающего через него.
В нашей схеме простого стабилизатора, который на выходе должен выдавать 12 вольт, стабилитрон VD2 рассчитан на напряжение 12,6 (поставим стабилитрон на 13 вольт, это соответствует Д814Д). Почему 12,6 вольт? Потому, что 0,6 вольт осядут на транзисторном переходе эмиттер-база. А на выходе получится ровно 12 вольт. Ну, а поскольку мы ставим стабилитрон на 13 вольт, то на выходе БП будет где-то 12,4 В.
Стабилитрон VD2 (создающим место опорного постоянного напряжения) нуждается в ограничителе тока, который будет предохранять его от чрезмерного перегрева. На схеме эту роль выполняет резистор R1. Как видно он подключен последовательно стабилитрону VD2. Еще один фильтрующий конденсатор электролит C2 стоит параллельно стабилитрону. Его задача также сглаживать излишки пульсаций напряжения. Можно обойтись и без него, но все же лучше будет с ним!
Далее на схеме мы видим биполярный транзистор VT1, который подключен по схеме общий коллектором. Напомню, схемы подключения биполярных транзисторов по типу общий коллектор (это еще называется эмиттерный повторитель) характеризуются тем, что они значительно усиливают силу тока, но при этом нет никакого усиления по напряжению (даже оно немного меньше входного, именно на те самые 0,6 вольт). Следовательно мы на выходе транзистора получаем то постоянное напряжение, которое имеется на его входе (а именно напряжение опорного стабилитрона, равное 13 вольтам). И поскольку эмиттерный переход на себе оставляет 0,6 вольта, то и на выходе транзистора уже будет не 13, а 12,4 вольта.
Как вы должны знать, чтобы транзистор начал открываться (пропускать через себя управляемые токи по цепи коллектор-эмиттер) ему нужен резистор для создания смещения. Эту задачу выполняет все тот же резистор R1. Изменяя его номинал (в определенных пределах) можно менять силу тока на выходе транзистора, а значит и на выходе нашего стабилизированного блока питания. Тем, кто желает с этим поэкспериментировать советую на место R1 поставить подстроечное сопротивление номиналом около 47 килоом. Подстраивая его смотрите, как будет изменяться сила тока на выходе блока питания.
Ну, и на выходе схемы простого стабилизатора постоянного напряжения стоит еще один небольшой фильтрующий конденсатор электролит C3, сглаживающий пульсации на выходе стабилизированного блока питания. Параллельно ему припаян резистор нагрузки R2. Он замыкает эмиттер транзистора VT1 на минус схемы. Как видим схема достаточно проста. Содержит минимум компонентов. Она обеспечивает вполне стабильное напряжение на своем выходе. Для питания многой электротехники данного стабилизированного блока питания будет вполне хватать. Данный транзистор рассчитан на максимальную силу тока в 8 ампер. Следовательно для такого тока нужен радиатор, который будет отводить излишек тепла от транзистора.
P.S. Если параллельно стабилитрону поставить еще переменный резистор номиналом 10 килоом (средний вывод подсоединяем к базе транзистора), то в итоге мы получим уже регулируемый блок питания. На нем можно плавно изменять выходное напряжение от 0 до максимума (напряжение стабилитрона минус те самые 0,6 вольт). Думаю такая схема уже будет более востребована.
Расчет и проектирование параллельного стабилизатора. Особенности применения. (10+)
Параметрический параллельный стабилизатор
Принцип действия параметрического параллельного стабилизатора основан на том, то сквозь него пропускается фиксированный (или пости фиксированный) ток, заданный источником тока (это очень хорошо) или резистором (это немного хуже). Далее ток разделяется на два русла. Часть тока направляется на нагрузку. Другая часть проходит в обход нагрузки. Сила обходящего тока, а значит и сила тока нагрузки, поддерживается такой, чтобы напряжение на нагрузке равнялось заданному значению. Типичные схемы параллельных стабилизаторов приведены на рисунке.
Типичные схемы параллельных параметрических стабилизаторов
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые.
Обзор схем бестрансформаторных источников питания...
Сверхмощный импульсный усилитель звука. Площади. Вещательный. Звуковой...
Сверхмощный импульсный усилитель звука для озвучивания массовых мероприятий и пр...
Тиристорные включающие, выключающие, переключающие, коммутирующие, ком...
Управление тиристорным силовым ключом с помощью оптрона. Гальваническая развязка...
Как выбрать частоту работы контроллера и скважность для пуш-пульного преобразова...
Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации
К ст U = (ΔU вх /U вх) / (ΔU вых /U вых).
Простейшим стабилизатором напряжения является параметрический, схема которого представлена на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Параметрический стабилизатор напряжения без термокомпенсации
Расчет параметрического стабилизатора обычно сводится к расчету сопротивления балластного резистора R о и выбору типа стабилитрона.
Основными электрическими параметрами стабилитрона являются:
U ст – напряжение стабилизации;
I ст.макс – максимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной
характеристики;
I ст.мин – минимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной
характеристики;
R д – дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольт-амперной
характеристики.
Методику расчета рассмотрим на примере.
Дано: U вых = 9 В;I н = 10 мА;ΔI н = ± 2 мА;ΔU вх = ± 10%U вх. .
Порядок расчета.
1. По справочнику выбираем стабилитрон типа Д814Б с параметрами
U ст = 9 В;I ст.макс = 36 мА;I ст.мин = 3 мА;R д = 10 Ом.
2. Рассчитаем необходимое входное напряжение по формуле
U вх =n ст U вых,
где n ст – коэффициент передачи стабилизатора.
Для оптимальных условий работы стабилизатора рекомендуется выбирать n ст в пределах от 1,4 до 2.
Примем n ст = 1,6 , тогдаU вх = 1,6 · 9 = 14,4 В.
3. Рассчитаем сопротивление балластного резистора R о
R о = (U вх –U вых) / (I ст +I н).
Ток I ст выбирают из следующих соображений:I ст ≥I н.
При одновременном изменении U вх на величинуΔU вх иI н на величинуΔI н ток стабилитрона не должен выходить за пределыI ст.макс иI ст.мин.
По этой причине обычно выбирают I ст из середины диапазона допустимых значений.
Принимаем I ст = 0,015 А.
Тогда R о = (14,4 – 9) / (0,015 + 0,01) = 216 Ом.
Выберем стандартное значение сопротивления резистора R о по параметрическому ряду Е24 (см. приложение 4).
Принимаем R о = 220 Ом.
Для выбора типа резистора необходимо рассчитать рассеиваемую на корпусе резистора мощность
Р = I 2 R о; Р = (25· 10 -3) 2 · 220 = 0,138 Вт.
Принимаем стандартное значение мощности рассеяния на резисторе 0,25 Вт.
Выбираем тип резистора МЛТ-0,25-220 Ом ± 10 %.
4. Произведем проверку правильности выбора режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора напряжения:
I ст.мин = (U вх –ΔU вх –U вых) /Rо – (I н +ΔI н);
I ст.мин = (14,4 – 1,44 – 9) · 10 3 / 220 – (10 + 2) = 6 мА;
I ст.макс = (U вх +ΔU вх –U вых) /Rо – (I н –ΔI н);
I ст.макс = (14,4 + 1,44 – 9) · 10 3 / 220 – (10 – 2) = 23 мА.
Если рассчитанные значения токов I ст.мин иI ст.макс выходят за пределы допустимых значений, то необходимо или выбрать другое значениеI ст, или изменить сопротивление резистораR о, или заменить стабилитрон.
5. Коэффициент стабилизации по напряжению для параметрического стабилизатора определяется по формуле:
К ст = (R о /R д + 1) /n ст,
К ст = (220 / 10 + 1) / 1,6 = 14,3.
6. Выходное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения
R вых =R о = 10 Ом.
На рис. 1.7 представлена схема параметрического стабилизатора напряжения с температурной стабилизацией режима работы его основного элемента – стабилитрона.
Для повышения температурной стабильности выходного напряжения в этой схеме последовательно со стабилитроном включены несколько кремниевых диодов.
Температурный коэффициент напряжения (ТКН) диода по знаку противоположен ТКН стабилитрона, однако меньше по модулю. Поэтому для температурной компенсации U ст требуется несколько диодов. Кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении также могут быть использованы для термостабилизации. Количество термостабилизирующих элементов определяют по отношению модуля ТКН стабилитрона к модулю ТКН элемента (диода). Результат деления округляется до целого числа.
Численные значения ТКН стабилитронов и диодов приведены в справочниках и выражены в %/ о С. Для кремниевых диодов, включенных в прямом направлении ТКН незначительно отличаются друг от друга для разных типов и находятся в пределах
1,4…1,7 мВ/ о С. Для германиевых диодов, например у Д7А – Д7Ж, величина ТКН составляет –1,9 мВ/ о С. Для выполнения расчетов термостабилизации в РГР-1 использовать диод Д7Ж, у которого ТКН составляет –1,9 мВ/ о С.
При этом следует иметь в виду, что при большом количестве термостабилизирующих диодов (три и более) необходимо учитывать прямое падение напряжение на них и динамическое сопротивление. Для диода Д7Ж прямое напряжение составляет 0,5 В, а динамическое сопротивление 2 Ом. Общее напряжение стабилизации определяется при этом как сумма напряжений стабилитрона и диодов, а общее динамическое сопротивление определяется как сумма динамических сопротивлений стабилитрона и диодов.
Расчет такого стабилизатора производится по методике, приведенной выше.
Рис. 1.7. Параметрический стабилизатор напряжения с термокомпенсацией
Примечание:
Последовательность расчета источника вторичного электропитания следующая – сначала выполняется расчет стабилизатора напряжения, затем сглаживающего фильтра и далее - выпрямительной схемы.
Принципиальную электрическую схему устройства выполнить в соответствии с ГОСТ и с учетом структурной схемы (рис 1.1)
Контрольная работа № 2
Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе
по схеме с общим эмиттером
Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.
Обозначения:
- I к — коллекторный ток транзистора
- I н — ток нагрузки
- I б — ток базы транзистора
- I R — ток через балластный резистор
- U вх — входное напряжение
- U вых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
- U ст — падение напряжения на стабилитроне
- U бэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора
Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы ? Да почти ничем их работа не отличается, — напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока. То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.
Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора. Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода — примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.
Теперь добавим немного математики.
С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: U вых =U ст -U бэ , давайте рассчитаем R 0 и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка — кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:
Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R 0 и области нормальной работы тоже очень похожи.
Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:
U вх =U ст +I R R 0 , учитывая что I R =I ст +I б, получим
U вх =U ст +(I ст +I б)R 0 (1)
Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне всегда было в пределах от U ст min до U ст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от I ст min до I ст max . Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора :
R 0 =(U вх min -U ст min)/(I б max +I ст min) (2)
Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением I э =I б (h 21Э +1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо U ст min возьмём просто U ст), то получим, что
R 0 =(U вх min -U ст)/(I н max /(h 21Э +1)+I ст min) (3)
h 21Э +1 — это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h 21K), но поскольку h 21Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое «+1» выкидывают и считают, что h 21К =h 21Э, тогда формула (3) становится чуть проще:
R 0 =(U вх min -U ст)/(I н max /h 21Э +I ст min)
Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:
Перегруппировав это выражение, получим:
Или, по другому:
Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (U ст min и U ст max) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что I н =I э =I б h 21Э («+1» — выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора , примет следующий вид:
Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне — при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.
Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (I ст =3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до I max . Транзистор возьмём КТ815А (h 21Э =40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R 0 около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.
Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора. Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в , чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).
Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные — нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне. Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона. Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h 21Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.
Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h 21Э будет гораздо больше.
Ну и самый писк — сделать , поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много — много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, — ещё более стабильное выходное напряжение).
Есть другой вариант — можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.
На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).