Acest articol va discuta stabilizatorii de tensiune DC pe dispozitivele semiconductoare. Sunt luate în considerare cele mai simple circuite ale stabilizatorilor de tensiune, principiile funcționării lor și regulile de calcul. Materialul prezentat în articol este util pentru proiectarea surselor de putere secundară stabilizată.
Să începem cu faptul că pentru a stabiliza orice parametru electric trebuie să existe un circuit pentru monitorizarea acestui parametru și un circuit pentru controlul acestui parametru. Pentru precizia stabilizării, este necesar să existe un „standard” cu care să fie comparat parametrul stabilizat. Dacă în timpul comparării se dovedește că parametrul este mai mare decât valoarea de referință, atunci circuitul de urmărire (să-l numim circuit de comparație) dă o comandă circuitului de control pentru a „reduce” valoarea parametrului. Și invers, dacă parametrul este mai mic decât valoarea de referință, atunci circuitul de comparație dă o comandă circuitului de control pentru a „crește” valoarea parametrului. Toate schemele de control automat pentru toate dispozitivele și sistemele care ne înconjoară, de la un fier la o navă spațială, funcționează pe acest principiu; singura diferență este metoda de monitorizare și control al parametrului. Un stabilizator de tensiune funcționează exact în același mod.
Schema bloc a unui astfel de stabilizator este prezentată în figură.
Munca stabilizatorului poate fi comparată cu reglarea apei care curge de la robinet. O persoană merge la robinet, îl deschide și apoi, urmărind curgerea apei, își reglează debitul în sus sau în jos, realizând debitul optim pentru sine. Persoana însăși îndeplinește funcția unui circuit de comparație; standardul este ideea unei persoane despre ceea ce ar trebui să fie debitul de apă, iar circuitul de control este un robinet de apă, care este controlat de un circuit de comparație (o persoană). Dacă o persoană își schimbă ideea despre standard, hotărând că debitul de apă care curge de la robinet este insuficient, atunci îl va deschide mai mult. Stabilizatorul de tensiune este exact același. Dacă vrem să schimbăm tensiunea de ieșire, atunci putem schimba tensiunea de referință. Circuitul de comparație, observând o modificare a tensiunii de referință, va schimba independent tensiunea de ieșire.
O întrebare rezonabilă ar fi: de ce avem nevoie de o astfel de aglomerație de circuite dacă putem folosi o sursă de tensiune de referință deja „gata” la ieșire? Faptul este că sursa tensiunii de referință (denumită în continuare referință) este de curent scăzut (amperi scăzut) și, prin urmare, nu este capabilă să alimenteze o sarcină puternică (cu impedanță scăzută). O astfel de sursă de tensiune de referință poate fi utilizată ca stabilizator pentru alimentarea circuitelor și dispozitivelor care consumă curent scăzut - cipuri CMOS, etape de amplificare cu curent scăzut etc.
Schema circuitului sursei de tensiune de referință (stabilizator de curent scăzut) este prezentată mai jos. La bază, este un divizor de tensiune special, descris în articolul Divizor de tensiune, diferența sa este că o diodă specială, o diodă zener, este folosită ca un al doilea rezistor. Ce este special la o diodă zener? Cu cuvinte simple, o diodă zener este o diodă care, spre deosebire de o diodă redresoare convențională, atunci când este atinsă o anumită valoare a tensiunii aplicate invers (tensiunea de stabilizare), trece curentul în sens opus și, odată cu creșterea sa în continuare, reducându-și interiorul. rezistență, se străduiește să-l mențină la un anumit sens.
Pe caracteristica curent-tensiune (caracteristica volt-ampere) a unei diode zener, modul de stabilizare a tensiunii este reprezentat în regiunea negativă a tensiunii și curentului aplicate.
Pe măsură ce tensiunea inversă aplicată diodei zener crește, aceasta „rezistă” inițial, iar curentul care trece prin ea este minim. La o anumită tensiune, curentul diodei Zener începe să crească. Este atins un astfel de punct în caracteristica curent-tensiune (punctul 1 ), după care o creștere suplimentară a tensiunii pe divizorul rezistor-diodă zener nu provoacă o creștere a tensiunii cu p-n Tranziție diodă Zener. În această secțiune a caracteristicii curent-tensiune, tensiunea crește numai pe rezistor. Curentul care trece prin rezistor și dioda zener continuă să crească. Din punct de vedere 1 , corespunzător curentului minim de stabilizare, până la un anumit punct 2 caracteristică curent-tensiune corespunzătoare curentului maxim de stabilizare, dioda zener funcționează în modul de stabilizare necesar (secțiunea verde a caracteristicii curent-tensiune). După punct 2 În caracteristica curent-tensiune, dioda zener își pierde proprietățile „utile”, începe să se încălzească și poate eșua. Secțiune din punct 1 până la punctul 2 este o secțiune de lucru de stabilizare, în care dioda zener acționează ca un regulator.
Știind cum să calculați cel mai simplu divizor de tensiune pe rezistențe, puteți calcula pur și simplu circuitul de stabilizare (sursa de tensiune de referință). Ca și în divizorul de tensiune, în circuitul de stabilizare curg doi curenți - curentul divizor (stabilizator). eu st.și curentul circuitului de sarcină incarc. În scopul stabilizării „calitative”, aceasta din urmă ar trebui să fie cu un ordin de mărime mai mică decât prima.
Pentru calculele circuitului de stabilizare, se folosesc valorile parametrilor diodei zener publicate în cărțile de referință:
- Tensiunea de stabilizare U st;
- Curent de stabilizare eu st.(de obicei mediu);
- Curent minim de stabilizare eu st.min;
- Curent maxim de stabilizare I st.max.
Pentru a calcula stabilizatorul, de regulă, sunt utilizați numai primii doi parametri - U st , eu st., restul sunt folosite pentru calcularea circuitelor de protecție a tensiunii în care este posibilă o modificare semnificativă a tensiunii de intrare.
Pentru a crește tensiunea de stabilizare, puteți utiliza un lanț de diode zener conectate în serie, dar pentru aceasta, curentul de stabilizare admisibil al unor astfel de diode zener trebuie să fie în parametri. eu st.minȘi I st.max, în caz contrar, există posibilitatea ca diodele zener să se defecteze.
Trebuie adăugat că diodele redresoare simple au și proprietățile de stabilizare a tensiunii aplicate invers, doar valorile tensiunilor de stabilizare se află la valori mai mari ale tensiunii aplicate invers. Valorile tensiunii maxime aplicate înapoi a diodelor redresoare sunt de obicei indicate în cărțile de referință, iar tensiunea la care are loc fenomenul de stabilizare este de obicei mai mare decât această valoare și este diferită pentru fiecare diodă redresoare, chiar și de același tip. Prin urmare, utilizați diode redresoare ca diodă zener de înaltă tensiune doar ca ultimă soluție, atunci când nu puteți găsi dioda zener de care aveți nevoie sau faceți un lanț de diode zener. În acest caz, tensiunea de stabilizare este determinată experimental. Trebuie avut grijă când lucrați cu tensiune înaltă.
Procedura de calcul a unui stabilizator de tensiune (sursă de tensiune de referință)
Vom calcula cel mai simplu stabilizator de tensiune luând în considerare un exemplu specific.
Parametrii inițiali necesari pentru circuit:
1. Tensiune de intrare divizor - U in(poate fi sau nu stabilizat). Să presupunem că U in= 25 volți;
2. Stabilizarea tensiunii de ieșire - Ieși(tensiune de referință). Să spunem că trebuie să obținem U outx= 9 volți.
Soluţie:
1. Pe baza tensiunii de stabilizare necesare, dioda zener necesară este selectată din cartea de referință. În cazul nostru este D814V.
2. Din tabel, găsiți curentul mediu de stabilizare - eu st.. Conform tabelului, este egal cu 5 mA.
3. Calculați tensiunea căzută pe rezistor - U R1, ca diferență între tensiunea stabilizată de intrare și de ieșire.
U R1 = U inx - U out -> U R1 = 25 - 9 = 16 volți
4. Conform legii lui Ohm, această tensiune este împărțită la curentul de stabilizare care curge prin rezistor și se obține valoarea rezistenței rezistorului.
R1 = U R1 / I st —> R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ohm = 3,2 kOhm
Dacă valoarea obținută nu este în seria rezistivă, selectați rezistența cu cea mai apropiată valoare nominală. În cazul nostru, acesta este un rezistor cu o valoare nominală 3,3 kOhmi.
5. Calculați puterea minimă a rezistorului înmulțind căderea de tensiune pe acesta cu curentul care curge (curent de stabilizare).
Р R1 = U R1 * I st —> Р R1 = 16 * 0,005 = 0,08 W
Având în vedere că, pe lângă curentul diodei zener, prin rezistor trece și curentul de ieșire, prin urmare, alegeți un rezistor cu o putere de cel puțin două ori mai mare decât cea calculată. În cazul nostru, acesta este un rezistor cu o putere nu mai mică 0,16 W. Conform celui mai apropiat rând nominal (în sus) aceasta corespunde puterii 0,25 W.
Acesta este tot calculul.
După cum a fost scris mai devreme, cel mai simplu circuit stabilizator de tensiune DC poate fi folosit pentru a alimenta circuite care utilizează curenți scăzuti, dar nu sunt potrivite pentru alimentarea circuitelor mai puternice.
O opțiune pentru creșterea capacității de încărcare a unui stabilizator de tensiune DC este utilizarea unui emițător de urmărire. Diagrama prezintă o cascadă de stabilizare pe un tranzistor bipolar. Tranzistorul „repetă” tensiunea aplicată bazei.
Capacitatea de încărcare a unui astfel de stabilizator crește cu un ordin de mărime. Dezavantajul unui astfel de stabilizator, precum și al celui mai simplu lanț format dintr-un rezistor și o diodă zener, este imposibilitatea ajustării tensiunii de ieșire.
Tensiunea de ieșire a unei astfel de etape va fi mai mică decât tensiunea de stabilizare a diodei Zener cu valoarea căderii de tensiune cu p-n tranziția bază-emițător a tranzistorului. În articolul Tranzistor bipolar, am scris că pentru un tranzistor cu siliciu este egal cu 0,6 ... 0,7 volți, pentru un tranzistor cu germaniu - 0,2 ... 0,3 volți. De obicei calculate aproximativ - 0,65 volți și 0,25 volți.
Prin urmare, de exemplu, atunci când se utilizează un tranzistor de siliciu cu o tensiune de stabilizare a diodei Zener de 9 volți, tensiunea de ieșire va fi cu 0,65 volți mai mică, adică 8,35 volți.
Dacă în loc de un tranzistor utilizați un circuit compozit pentru conectarea tranzistorilor, atunci capacitatea de încărcare a stabilizatorului va crește cu un alt ordin de mărime. Aici, ca și în circuitul anterior, ar trebui să se țină cont de scăderea tensiunii de ieșire din cauza căderii acesteia p-n tranziții bază-emițător ale tranzistoarelor. În acest caz, când se utilizează două tranzistoare de siliciu, tensiunea de stabilizare a diodei zener este egală cu 9 volți, tensiunea de ieșire va fi cu 1,3 volți mai mică (0,65 volți pentru fiecare tranzistor), adică 7,7 volți. Prin urmare, la proiectarea unor astfel de circuite, este necesar să se țină cont de această caracteristică și să se selecteze o diodă Zener, ținând cont de pierderile la tranzițiile tranzistorului.
R2 = U R2 / Ist.max * 50 —> R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ohm
Rezistența calculată în acest fel vă permite să suprimați mai eficient componenta reactivă a tranzistorului de ieșire și să utilizați pe deplin capacitățile de putere ale ambelor tranzistoare. Nu uitați să calculați puterea necesară a rezistenței, altfel totul se va arde la momentul nepotrivit. Defecțiunea rezistenței R2 poate duce la defectarea tranzistorilor și a tot ceea ce conectați ca sarcină. Calculul puterii este standard, descris pe pagina Rezistor.
Cum să alegi un tranzistor pentru un stabilizator?
Parametrii principali pentru un tranzistor într-un stabilizator de tensiune sunt: curentul maxim de colector, tensiunea maximă colector-emițător și puterea maximă. Toți acești parametri sunt întotdeauna disponibili în cărțile de referință.
1. Atunci când alegeți un tranzistor, este necesar să țineți cont de faptul că curentul maxim de colector al pașaportului (conform cărții de referință) nu trebuie să fie mai mic de o dată și jumătate față de curentul maxim de sarcină pe care doriți să îl primiți la ieșirea lui. stabilizatorul. Acest lucru se face pentru a oferi o marjă de curent de sarcină în timpul supratensiunilor de sarcină aleatorii pe termen scurt (de exemplu, un scurtcircuit). Trebuie avut în vedere că, cu cât această diferență este mai mare, cu atât radiatorul de răcire necesită mai puțin masiv.
2. Tensiunea maximă colector-emițător caracterizează capacitatea tranzistorului de a rezista la o anumită tensiune între colector și emițător în stare închisă. În cazul nostru, acest parametru trebuie să depășească, de asemenea, de cel puțin o dată și jumătate tensiunea furnizată stabilizatorului din circuitul „transformator-redresor-filtru de putere” al sursei de alimentare stabilizate.
3. Puterea nominală de ieșire a tranzistorului trebuie să asigure funcționarea tranzistorului în starea „pe jumătate deschisă”. Toată tensiunea care este generată de lanțul „transformator-redresor punte-filtru de putere” este împărțită în două sarcini: sarcina reală a sursei de alimentare stabilizate și rezistența joncțiunii colector-emițător a tranzistorului. Ambele sarcini transportă același curent deoarece sunt conectate în serie, dar tensiunea este împărțită. De aici rezultă că este necesar să se selecteze un tranzistor care, la un curent de sarcină dat, este capabil să reziste la diferența dintre tensiunea generată de lanțul „transformator-redresor punte-filtru de putere” și tensiunea de ieșire a stabilizatorului. Puterea este calculată ca produsul dintre tensiune și curent (dintr-un manual de fizică de liceu).
De exemplu: La ieșirea circuitului „filtru de putere punte transformator-redresoare” (și, prin urmare, la intrarea stabilizatorului de tensiune) tensiunea este de 18 volți. Trebuie să obținem o tensiune de ieșire stabilizată de 12 volți, cu un curent de sarcină de 4 amperi.
Găsim valoarea minimă a curentului nominal de colector necesar (Ik max):
4 * 1,5 = 6 amperi
Determinăm valoarea minimă a tensiunii necesare colector-emițător (Uke):
18 * 1,5 = 27 volți
Găsim tensiunea medie care, în modul de funcționare, va „cădea” la joncțiunea „colector-emițător” și, prin urmare, va fi absorbită de tranzistor:
18 - 12 = 6 volți
Determinăm puterea nominală necesară a tranzistorului:
6 * 4 = 24 wați
Atunci când alegeți tipul de tranzistor, este necesar să țineți cont de faptul că puterea maximă de pe plăcuța de identificare (conform cărții de referință) a tranzistorului nu trebuie să fie mai mică de două până la trei ori puterea nominală care cade pe tranzistor. Acest lucru se face pentru a oferi o rezervă de putere pentru diferite supratensiuni ale curentului de sarcină (și, prin urmare, modificări ale puterii în scădere). Trebuie avut în vedere că, cu cât această diferență este mai mare, cu atât radiatorul de răcire necesită mai puțin masiv.
În cazul nostru, este necesar să selectați un tranzistor cu o putere nominală (Pk) de cel puțin:
24 * 2 = 48 wați
Alegeți orice tranzistor care îndeplinește aceste condiții, ținând cont că cu cât parametrii pașaportului sunt mult mai mari decât cei calculati, cu atât radiatorul de răcire va fi mai mic (și poate să nu fie deloc necesar). Dar dacă acești parametri sunt depășiți excesiv, luați în considerare faptul că, cu cât puterea de ieșire a tranzistorului este mai mare, cu atât coeficientul său de transmisie (h21) este mai mic, iar acest lucru înrăutățește coeficientul de stabilizare în sursa de alimentare.
În articolul următor ne vom uita la un stabilizator de tensiune cu compensare continuă. Utilizează principiul controlului tensiunii de ieșire printr-un circuit de punte. Are mai puțină ondulație a tensiunii de ieșire decât „aderarea emițătorului”, în plus, vă permite să reglați tensiunea de ieșire în limite mici. Pe baza acestuia, se va calcula un circuit simplu al unei surse de alimentare stabilizate.
Pentru unele circuite și circuite electrice este suficientă o sursă de alimentare convențională care nu are stabilizare. Sursele de curent de acest tip constau de obicei dintr-un transformator coborâtor, un redresor cu punte cu diodă și un condensator de filtru. Tensiunea de ieșire a sursei de alimentare depinde de numărul de spire ale înfășurării secundare de pe transformatorul coborât. Dar după cum știți, tensiunea rețelei de 220 de volți este instabilă. Poate fluctua in anumite limite (200-235 volti). În consecință, tensiunea de ieșire de pe transformator va „pluti” (în loc să spunem 12 volți, va fi 10-14 sau cam așa ceva).
Ingineria electrică care nu este deosebit de sensibilă la mici modificări ale tensiunii de alimentare DC se poate descurca cu o sursă de alimentare atât de simplă. Dar electronicele mai sensibile nu mai tolerează acest lucru; ca rezultat chiar poate eșua. Deci, este nevoie de un circuit suplimentar de stabilizare a tensiunii de ieșire constantă. În acest articol vă prezint un circuit electric al unui stabilizator de tensiune DC destul de simplu, care are o diodă zener și un tranzistor. Este dioda zener care acționează ca element de referință care determină și stabilizează tensiunea de ieșire a sursei de alimentare.
Acum să trecem la o analiză directă a circuitului electric al unui stabilizator de tensiune DC simplu. Deci, de exemplu, avem un transformator descendente cu o tensiune de ieșire AC de 12 volți. Aplicăm același 12 volți la intrarea circuitului nostru, și anume la puntea de diode și la condensatorul de filtru. Redresorul cu diodă VD1 produce curent constant (dar intermitent) din curent alternativ. Diodele sale trebuie proiectate pentru curentul maxim (cu o marjă mică de aproximativ 25%) pe care îl poate produce sursa de alimentare. Ei bine, tensiunea lor (invers) nu ar trebui să fie mai mică decât tensiunea de ieșire.
Condensatorul de filtru C1 netezește aceste supratensiuni, făcând forma de undă a tensiunii continue mai netedă (deși nu este ideală). Capacitatea sa ar trebui să fie de la 1000 µF la 10.000 µF. Tensiunea este, de asemenea, mai mare decât ieșirea. Vă rugăm să rețineți că există un astfel de efect - tensiunea alternativă după puntea de diode și condensatorul filtrului electrolit crește cu aproximativ 18%. Prin urmare, până la urmă vom ajunge la ieșire nu 12 volți, ci undeva pe la 14,5.
Acum vine partea stabilizatorului de tensiune DC. Principalul element funcțional aici este dioda zener în sine. Permiteți-mi să vă reamintesc că diodele zener au capacitatea, în anumite limite, de a menține stabil o anumită tensiune constantă (tensiune de stabilizare) atunci când sunt repornite. Când se aplică o tensiune diodei Zener de la 0 la tensiunea de stabilizare, aceasta va crește pur și simplu (la capetele diodei Zener). După ce a atins nivelul de stabilizare, tensiunea va rămâne neschimbată (cu o ușoară creștere), iar puterea curentului care curge prin ea va începe să crească.
În circuitul nostru de stabilizator simplu, care ar trebui să producă 12 volți la ieșire, dioda zener VD2 este proiectată pentru o tensiune de 12,6 (să punem dioda zener la 13 volți, aceasta corespunde cu D814D). De ce 12,6 volți? Deoarece se vor depune 0,6 volți la joncțiunea emițător-bază tranzistorului. Și ieșirea va fi exact 12 volți. Ei bine, din moment ce am setat dioda zener la 13 volți, ieșirea sursei de alimentare va fi undeva în jur de 12,4 V.
Dioda Zener VD2 (care creează tensiunea de referință DC) are nevoie de un limitator de curent care o va proteja de supraîncălzirea excesivă. În diagramă, acest rol este jucat de rezistența R1. După cum puteți vedea, este conectat în serie cu dioda zener VD2. Un alt condensator de filtru, electrolitul C2, este paralel cu dioda Zener. Sarcina sa este, de asemenea, de a netezi ondulațiile de tensiune în exces. Te poți descurca fără el, dar tot va fi mai bine cu el!
În continuare, în diagramă, vedem tranzistorul bipolar VT1, care este conectat conform unui circuit colector comun. Permiteți-mi să vă reamintesc că circuitele de conectare pentru tranzistoarele bipolare de tip colector comun (aceasta se mai numește și emițător adept) se caracterizează prin faptul că măresc semnificativ puterea curentului, dar nu există un câștig de tensiune (chiar că este puțin mai mic decât tensiunea de intrare, exact cu aceeași 0,6 volți). Prin urmare, la ieșirea tranzistorului primim tensiunea constantă disponibilă la intrarea acestuia (și anume, tensiunea diodei zener de referință, egală cu 13 volți). Și deoarece joncțiunea emițătorului lasă 0,6 volți pe sine, atunci ieșirea tranzistorului nu va mai fi de 13, ci de 12,4 volți.
După cum ar trebui să știți, pentru ca un tranzistor să înceapă să se deschidă (trecând curenți controlați prin el însuși de-a lungul circuitului colector-emițător), are nevoie de un rezistor pentru a crea o polarizare. Această sarcină este efectuată de același rezistor R1. Schimbându-și ratingul (în anumite limite), puteți modifica puterea curentului la ieșirea tranzistorului și, prin urmare, la ieșirea sursei noastre de alimentare stabilizate. Pentru cei care doresc să experimenteze acest lucru, vă sfătuiesc să înlocuiți R1 cu o rezistență de acordare cu o valoare nominală de aproximativ 47 kilo-ohmi. Prin reglarea acestuia, vedeți cum se modifică puterea curentului la ieșirea sursei de alimentare.
Ei bine, la ieșirea circuitului simplu stabilizator de tensiune DC există un alt condensator de filtru mic, electrolitul C3, care netezește ondulațiile la ieșirea sursei de alimentare stabilizate. Rezistorul de sarcină R2 este lipit în paralel cu acesta. Închide emițătorul tranzistorului VT1 la minusul circuitului. După cum puteți vedea, schema este destul de simplă. Conține un minim de componente. Oferă o tensiune complet stabilă la ieșire. Pentru a alimenta multe echipamente electrice, această sursă de alimentare stabilizată va fi suficientă. Acest tranzistor este proiectat pentru un curent maxim de 8 amperi. Prin urmare, un astfel de curent necesită un radiator care va elimina excesul de căldură din tranzistor.
P.S. Dacă adăugăm un rezistor variabil cu o valoare nominală de 10 kilo-ohmi în paralel cu dioda zener (conectăm terminalul din mijloc la baza tranzistorului), atunci în final vom obține o sursă de alimentare reglabilă. Pe el puteți schimba ușor tensiunea de ieșire de la 0 la maxim (tensiunea diodei Zener minus aceeași 0,6 volți). Cred că o astfel de schemă va fi deja mai solicitată.
Calculul și proiectarea unui stabilizator paralel. Caracteristicile aplicației. (10+)
Stabilizator paralel paralel
Principiul de funcționare al unui stabilizator paralel parametric se bazează pe faptul că prin el trece un curent fix (sau post-fix), specificat de o sursă de curent (aceasta este foarte bună) sau de un rezistor (aceasta este puțin mai rău) . În continuare, curentul este împărțit în două canale. O parte din curent este direcționată către sarcină. Cealaltă parte ocolește sarcina. Puterea curentului de bypass și, prin urmare, puterea curentului de sarcină, este menținută astfel încât tensiunea pe sarcină să fie egală cu valoarea specificată. Circuitele tipice ale stabilizatorilor paraleli sunt prezentate în figură.
Circuite tipice ale stabilizatorilor parametrici paraleli
Din păcate, erorile se găsesc periodic în articole, acestea sunt corectate, articolele sunt completate, dezvoltate și sunt pregătite altele noi.
Revizuirea circuitelor de alimentare fără transformator...
Amplificator audio de comutare de mare capacitate. Pătrate. Difuzare. Sunet...
Amplificator de sunet cu impulsuri de rezistență pentru dublarea evenimentelor publice și a altor...
Pornirea tiristorului, oprirea, comutarea, comutarea, comutarea...
Controlul unui comutator de alimentare cu tiristor folosind un optocupler. izolare galvanica...
Cum să alegeți frecvența de funcționare a controlerului și ciclul de lucru pentru un convertor push-pull...
Parametrul principal al unui stabilizator de tensiune, prin care se evaluează calitatea performanței acestuia, este coeficientul de stabilizare
To st U = (ΔU în /U în) / (ΔU afară /U afară).
Cel mai simplu stabilizator de tensiune este unul parametric, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 1.6.
Orez. 1.6. Stabilizator parametric de tensiune fără compensare de temperatură
Calculul unui stabilizator parametric se reduce de obicei la calcularea rezistenței rezistorului de balast R o și alegerea tipului de diodă zener.
Principalii parametri electrici ai diodei Zener sunt:
U st – tensiune de stabilizare;
I st.max – curentul maxim al diodei zener în secțiunea de lucru a volt-amperi
caracteristici;
I st.min – curent minim al diodei zener în secțiunea de lucru a volt-amperi
caracteristici;
R d – rezistență diferențială în secțiunea de lucru a curent-tensiune
caracteristici.
Să ne uităm la metoda de calcul folosind un exemplu.
Dat: U out = 9 V; I n = 10 mA; ΔI n = ± 2 mA; ΔU in = ± 10%U in. .
Procedura de calcul.
1. Folosind cartea de referință, selectați o diodă zener tip D814B cu parametri
U st = 9 V; I st. max = 36 mA; I st. min = 3 mA; R d = 10 Ohm.
2. Calculați tensiunea de intrare necesară folosind formula
U in =n st U out,
unde n st este coeficientul de transmisie al stabilizatorului.
Pentru condiții optime de funcționare a stabilizatorului, se recomandă să alegeți nst în intervalul de la 1,4 la 2.
Să luăm nst = 1,6, apoi Uin = 1,6 9 = 14,4 V.
3. Calculaţi rezistenţa rezistorului de balast R o
R o = (U în –U afară) / (I st +I n).
I st curent este selectat din următoarele considerente: I st ≥I n.
Cu o modificare simultană a U in cu valoarea ΔU in și I n cu valoarea ΔI n, curentul diodei zener nu trebuie să depășească limitele I st.max și I st.min.
Din acest motiv, Ist este de obicei ales din mijlocul intervalului de valori acceptabile.
Acceptăm I st = 0,015 A.
Atunci R o = (14,4 – 9) / (0,015 + 0,01) = 216 Ohm.
Să selectăm valoarea standard a rezistenței rezistenței R o conform seriei parametrice E24 (vezi Anexa 4).
Luăm R o = 220 Ohm.
Pentru a selecta tipul de rezistență, este necesar să se calculeze puterea disipată pe corpul rezistenței
P = I 2 R o; P = (25 10 -3) 2 220 = 0,138 W.
Considerăm că valoarea standard a disipării puterii pe rezistor este de 0,25 W.
Selectăm tipul de rezistență MLT-0,25-220 Ohm ± 10%.
4. Să verificăm alegerea corectă a modului de funcționare al diodei zener în circuitul stabilizator de tensiune:
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.
Dacă valorile curente calculate Ist.min și Ist.max sunt în afara valorilor permise, atunci este necesar fie să selectați o valoare diferită pentru Ist, fie să schimbați rezistența rezistorului R o, fie să înlocuiți dioda zener.
5. Coeficientul de stabilizare a tensiunii pentru un stabilizator parametric este determinat de formula:
K st = (R o /R d + 1) /n st,
K st = (220 / 10 + 1) / 1,6 = 14,3.
6. Impedanța de ieșire a stabilizatorului parametric de tensiune
R out = R o = 10 Ohm.
În fig. Figura 1.7 prezintă o diagramă a unui stabilizator de tensiune parametric cu stabilizarea temperaturii a modului de funcționare al elementului său principal - o diodă Zener.
Pentru a crește stabilitatea temperaturii tensiunii de ieșire, mai multe diode de siliciu sunt conectate în serie cu dioda Zener în acest circuit.
Coeficientul de temperatură al tensiunii (TCV) al diodei este opus ca semn TCV al diodei Zener, dar mai mică ca mărime. Prin urmare, compensarea temperaturii Ust necesită mai multe diode. Diodele Zener din silicon conectate în direcția înainte pot fi folosite și pentru stabilizarea termică. Numărul de elemente de stabilizare termică este determinat de raportul dintre modulul TKN al diodei zener și modulul TKN al elementului (dioda). Rezultatul împărțirii este rotunjit la cel mai apropiat număr întreg.
Valorile numerice ale TKN ale diodelor și diodelor Zener sunt date în cărțile de referință și sunt exprimate în %/o C. Pentru diodele de siliciu conectate în direcția înainte, TKN diferă ușor unul de celălalt pentru diferite tipuri și se încadrează în
1,4...1,7 mV/o C. Pentru diodele cu germaniu, de exemplu, D7A - D7Zh, valoarea TKN este –1,9 mV/o C. Pentru a efectua calcule de stabilizare termică în RGR-1, utilizați dioda D7Zh, pentru care TKN este de –1,9 mV/o C.
Trebuie avut în vedere faptul că, cu un număr mare de diode de stabilizare termică (trei sau mai multe), este necesar să se țină cont de căderea de tensiune directă pe ele și de rezistența dinamică. Pentru dioda D7Zh, tensiunea directă este de 0,5 V și rezistența dinamică este de 2 ohmi. Tensiunea totală de stabilizare este definită ca suma tensiunilor diodei și diodelor Zener, iar rezistența dinamică totală este definită ca suma rezistențelor dinamice ale diodelor și diodelor Zener.
Calculul unui astfel de stabilizator se efectuează conform metodei prezentate mai sus.
Orez. 1.7. Stabilizator parametric de tensiune cu compensare de temperatură
Notă:
Secvența de calcul a sursei de alimentare secundară este următoarea: mai întâi se calculează stabilizatorul de tensiune, apoi filtrul de netezire și apoi circuitul redresor.
Schema circuitului electric al dispozitivului trebuie realizată în conformitate cu GOST și ținând cont de schema structurală (Fig. 1.1)
Testul nr. 2
Calculul etajului amplificatorului pe un tranzistor bipolar
conform circuitului emițător comun
Deci, în dreapta este o diagramă a unui stabilizator simplu de tensiune a tranzistorului.
Denumiri:
- Ik - curent de colector al tranzistorului
- I n - curent de sarcină
- I b - curent de bază a tranzistorului
- I R - curent prin rezistorul de balast
- Uin - tensiune de intrare
- U out - tensiune de ieșire (căderea de tensiune pe sarcină)
- U st - căderea de tensiune pe dioda zener
- U be - căderea de tensiune la baza-emițător de joncțiune p-n a tranzistorului
Cum funcționează un astfel de stabilizator și cum diferă funcționarea lui de lucru? Da, munca lor nu este aproape deloc diferită - tensiunea la ieșirea circuitului rămâne stabilă ca urmare a prezenței secțiunilor pe caracteristicile curent-tensiune (dioda Zener și joncțiunea p-n a tranzistorului bază-emițător) în care tensiunea scăderea depinde slab de curent. Adică, ca toți stabilizatorii parametrici, stabilitatea este obținută prin proprietățile interne ale componentelor.
Într-adevăr, după cum se poate observa din figură, căderea de tensiune pe sarcină este egală cu diferența de căderi de tensiune pe dioda Zener și la joncțiunea p-n a tranzistorului BE. Deoarece căderea de tensiune pe dioda zener depinde slab de curent (în secțiunea de lucru este egală cu tensiunea de stabilizare), căderea de tensiune pe joncțiunea p-n polarizată direct depinde, de asemenea, slab de curent (pentru un tranzistor de siliciu poate să fie luate aproximativ la fel ca pentru o diodă de siliciu convențională - aproximativ 0, 6 volți), se dovedește că tensiunea de ieșire este, de asemenea, constantă.
Acum să adăugăm puțină matematică.
Totul este clar cu tensiunea de sarcină (tensiunea de ieșire): U out =U st -U fie, să calculăm R 0 și aria de funcționare normală a stabilizatorului. Dar mai întâi, să desenăm două imagini una lângă alta - o bucată din circuitul stabilizatorului nostru și o bucată din cel mai simplu stabilizator parametric pe o diodă zener:
Arată așa, nu-i așa? Mai mult, raționamentul și relațiile derivate din acestea pentru calcularea R0 și zona normală de funcționare sunt, de asemenea, foarte asemănătoare.
Ecuația care descrie curenții și tensiunile pentru piesa circuitului nostru stabilizator ruptă mai sus:
U în =U st +I R R 0, ținând cont de faptul că I R =I st +I b, obținem
U în =U st +(I st +I b)R 0 (1)
Pentru funcționarea normală a stabilizatorului (astfel încât tensiunea de pe dioda Zener să fie întotdeauna în intervalul de la U st min la U st max), este necesar ca curentul prin dioda Zener să fie întotdeauna în intervalul de la I st min la I st max. Curentul minim prin dioda zener va curge la tensiunea de intrare minimă și curentul de bază maxim al tranzistorului. Știind asta, vom găsi rezistența rezistenței de balast:
R 0 =(U în min -U st min)/(I b max +I st min) (2)
Dacă luăm în considerare că în cazul nostru, atunci când tranzistorul este conectat după un circuit cu un colector comun, curentul de bază este raportat la curentul emițătorului prin raportul I e = I b (h 21E +1), emițătorul curentul este egal cu curentul de sarcină (pentru că avem sarcina este pornită), iar tensiunea de pe dioda zener în modul de funcționare se modifică ușor (în loc de U st min, să luăm doar U st), obținem asta
R 0 =(U în min -U st)/(I n max /(h 21E +1)+I st min) (3)
h 21E +1 este câștigul de curent pentru un circuit cu un colector comun (h 21K), dar deoarece h 21E este de obicei destul de mare, termenul „+1” este adesea eliminat și se presupune că h 21K = h 21E, atunci formula (3 ) devine puțin mai simplă:
R 0 =(U în min -U st)/(I n max /h 21E +I st min)
Curentul maxim prin dioda zener va curge la un curent minim de bază a tranzistorului și o tensiune de intrare maximă. Ținând cont de acest lucru și de cele spuse mai sus cu privire la curentul minim prin dioda zener, folosind ecuația (1) puteți găsi zona de funcționare normală a stabilizatorului:
Regrupând această expresie, obținem:
Sau, într-un alt mod:
Dacă presupunem că tensiunea de stabilizare minimă și maximă (U st min și U st max) diferă ușor (primul termen din partea dreaptă poate fi considerat egal cu zero), și, de asemenea, că I n =I e =I b h 21E ( „+ 1” - aruncați-l), atunci ecuație care descrie zona de funcționare normală a stabilizatorului, va lua următoarea formă:
Această formulă arată clar avantajul unui astfel de stabilizator de tranzistor față de un stabilizator parametric bazat pe o diodă zener - cu toți ceilalți parametri egali, curentul de ieșire al unui stabilizator de tranzistor poate varia într-un interval mai larg.
De exemplu, să luăm din nou dioda zener KS147A (I st = 3..53mA) și să estimăm la ce curent maxim ne putem aștepta atunci când tensiunea este redusă de la 6..10V la 5V, cu condiția ca curentul de ieșire să poată varia de la zero la I max. Să luăm tranzistorul KT815A (h 21E = 40). După ce am rezolvat împreună sistemul de ecuații (3), (4), obținem R 0 aproximativ 110 Ohmi și un curent maxim de aproximativ 550 mA.
Cu toate acestea, este de remarcat faptul că instabilitatea tensiunii de ieșire în acest caz va fi și mai gravă, deoarece acum instabilitatea căderii de tensiune la joncțiunea p-n a tranzistorului se va adăuga instabilității tensiunii de pe dioda zener. În plus, încă nu am luat în considerare faptul că tensiunea de ieșire va fi mai mică decât la o diodă Zener cu cantitatea de cădere de tensiune pe joncțiunea p-n, așa că pentru o măsură bună ar trebui să luăm o diodă Zener nu la 4,7 V, dar la 5,1 sau chiar 5,6 volți (am luat în mod special ca exemplu aceeași diodă zener ca în, astfel încât să se poată vedea mai clar cum ar diferi curentul de sarcină cu aceeași diodă zener).
De fapt, metodele de a face față instabilității aici sunt complet similare - trebuie să reduceți cumva instabilitatea tensiunii pe dioda Zener. Pentru a face acest lucru, puteți, ca ultima dată, să luați o secțiune de lucru mai îngustă a caracteristicii I-V a diodei zener. Acest lucru, desigur, va duce, de asemenea, la o îngustare a zonei de funcționare normală (deoarece intervalul de modificare a curentului de funcționare al diodei zener va scădea), dar în acest caz, când zona de funcționarea normală este deja mai largă decât cea a unui stabilizator parametric pe o diodă zener (aproximativ h 21E ori), ne putem permite să renunțăm la o parte din domeniul de curent de ieșire și/sau o parte din domeniul de tensiune de intrare pentru a crește stabilitatea tensiunii de ieșire.
Puteți crește și mai mult zona de funcționare normală dacă utilizați doi tranzistori conectați conform unui circuit Darlington sau Szyklai (figura din stânga). În acest caz, h 21E va fi mult mai mare.
Ei bine, cel mai scârțâitor lucru este de făcut, deoarece câștigul amplificatorului operațional nu este doar mai mare, ci semnificativ, mult, de multe, de multe ori mai mare decât cel al oricărui tranzistor (în consecință, vom putea schimba curentul prin dioda zener într-un interval și mai îngust, vom obține o tensiune de schimbare și mai mică pe ea și, ca urmare, o tensiune de ieșire și mai stabilă).
Există o altă opțiune - în loc de o diodă zener obișnuită, puteți lua o diodă zener integrală, de exemplu, TL431. În acest caz, pe lângă o instabilitate semnificativ mai mică, obținem și capacitatea de a regla tensiunea de ieșire.
Pentru început, voi spune că, cu o mișcare ușoară a mâinii, un astfel de stabilizator de tensiune poate fi transformat într-un stabilizator de curent (trebuie doar să stabilizați tensiunea nu la sarcină, ci la un rezistor special de măsurare a curentului).