Простой стабилизатор напряжения с высоким коэффициентом стабилизации

Линейные стабилизаторы напряжения на транзисторах и интегральных
микросхемах.

Онлайн расчёт элементов схем линейных стабилизаторов с фиксированным и
регулируемым выходным напряжением.

Для поддержания стабильной работы и сохранения заявленных параметров электрооборудования его питание в большинстве случаев должно осуществляться постоянным и неподконтрольным никаким внешним воздействиям напряжением. Как правило, эта функция возлагается на устройства, называемые стабилизатором напряжения.
Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, предназначенный для поддержания уровня выходного напряжения в заданных пределах при изменениях следующих величин: входного напряжения, сопротивления нагрузки, а также в идеале — температуры и иных внешних воздействий.

Ещё не так давно подобные узлы строились на стабилитронах и транзисторах, однако с появлением специализированных микросхем, необходимость в самостоятельном конструировании подобных схем скоротечно отпочковалась, ввиду очевидной простоты реализации стабилизаторов, выполненных на интегральных микросхемах. А зря!

Там, где значения коэффициента стабилизации Кст допустимо исчислять десятками, а не сотнями-тысячами, простейший параметрический стабилизатор не только имеет право на существование, но и выигрывает у своих интегральных собратьев по такому важному параметру, как чистота выходного напряжения и отсутствие импульсных помех в момент резкого изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим такие простейшие устройства стабилизаторов напряжения.

Рис.1 а) Простейшая схема б) С эмиттерным повторителем в) С регулируемым вых. напряжением

Схема стабилизатора напряжения, приведённая на Рис.1 а), используется в основном с устройствами, через которые не протекает существенных токов. От номинала резистора Rст зависит величина тока Iвх, протекающего как через стабилитрон, так и через нагрузку. Величина этого тока рассчитывается по формуле: Rст = (Uвх — Uст)/ Iвх ,
а Iвх должен удовлетворять условию Iвх ≥ Iн. макс + Iст. мин , где Iн. макс — максимальный ток в нагрузке при заданном выходном напряжении, а Iст. мин — минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника. В стабилитронах отечественных производителей параметр Iст. мин , как правило, задан в явном виде, у зарубежных может быть не указан вообще. Куда податься бедному еврею? Я бы рекомендовал в этом случае ориентироваться на значение тока из datasheet-ов «Izk» (значение при котором стабилитрон обладает максимальным импедансом) и увеличить эту величину в 2. 3 раза. Хотя, по большому счёту, оптимальным (с точки зрения достижения максимальных параметров) током для стабилитрона является тестовый ток, при котором измеряются основные характеристики полупроводника.

Для наиболее эффективного выполнения своих задач стабилитрону довольно важно, чтобы мощность нагрузки не превышала мощности, рассеиваемой на полупроводнике. Поэтому если возникает потребность стабилизации напряжения в нагрузках, потребляющих значительную мощность, используется дополнительный усилитель тока — эмиттерный повторитель (Рис.1 б)). В этом случае нагрузкой для стабилитрона является входное сопротивление повторителя Rвх ≈ Rн x (1 + β) , т.е. ток нагрузки можно увеличить в β раз. Тут важно учитывать падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, в связи с чем напряжение на выходе стабилизатора будет на 0,6. 0,7 В (на 1,2. 1,4 В для составного транзистора) меньше напряжения стабилизации стабилитрона .

Установив параллельно стабилитрону переменный резистор (Рис.1 в)), возникает возможность изменять напряжение стабилизации в нагрузке от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона (за вычетом падения напряжения Uбэ на переходе транзистора). Естественно, что ток, протекающий через переменник, также необходимо учитывать, задаваясь его значением — не меньшим, чем входной ток эмиттерного повторителя.
Сдобрим пройденный материал калькулятором.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы компенсационных линейных стабилизаторов являются основой большинства интегральных микросхем, выполняющих функцию стабилизации напряжений и токов, и в простейшем виде могут быть выполнены на стабилитроне и паре транзисторов (Рис.2).

Рис.2 Схемы компенсационных линейных стабилизаторов напряжения

Здесь стабилитрон является источником опорного напряжения, а транзистор Т2 — устройством сравнения выходного напряжения, поступающего через резистивный делитель на его базу, с опорным значением напряжения на его эмиттере. Повысилось выходное напряжение, а вместе с ним напряжение на базе Т2, транзистор приоткрывается и притягивает напряжение на базе регулирующего транзистора Т1 к минусовой (земляной) шине, тем самым, уменьшая напряжение на его эмиттере, а соответственно и на выходе схемы. Снизилось выходное напряжение — всё то же самое, только наоборот. Компенсационные стабилизаторы на транзисторах имеют более высокий коэффициент стабилизации по сравнению с устройствами, представленными на Рис.1, но в связи наличием обратной связи имеют и свои недостатки.
В связи с этим подробно останавливаться на них мы не будем, а перейдём сразу к интегральным стабилизаторам, имеющим похожий принцип действия, но значительно более сложным по структуре, обладающих более высокими характеристиками и при этом — очень простых и удобных в реализации.

Существует два типа подобных интегральных микросхем: регулируемые стабилизаторы напряжения и стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения. Во втором случае схема стабилизатора приобретает неприлично примитивный вид, незаслуживающий какого-то серьёзного обсуждения.
В случае же стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, схема всё ещё остаётся достаточно простой, но требует некоторых умственных манипуляций, связанных с расчётом резистивного делителя для получения требуемого выходного напряжения.

Типовая схема включения большинства регулируемых микросхем приведена на Рис.3.


Рис.3

Формула для расчёта выходного напряжения имеет вид Vout = Vref x (1+R2/R1) + Iadj x R2 ,
причём номинал сопротивления R1, как правило, задаётся производителем микросхемы для достижения наилучших параметров выходных характеристик.

Отдельные бойцы для снижения пульсаций ставят дополнительные электролиты значительных величин параллельно резистору R2. Оно, конечно, бойцы эти герои, но зачем же стулья ломать?
Любое резкое увеличение тока нагрузки, приводящее к снижению выходного напряжения, не сможет моментально отработаться схемой автоматической регулировки из-за задержки в цепи обратной связи, обусловленной данным конденсатором, а это в значительной степени снизит быстродействие устройства.
И если для статических нагрузок параметр быстродействия стабилизатора по барабану, то для динамических (к примеру, таких как УНЧ) — очень даже немаловажен. Поэтому — либо эти электролиты вообще не нужны, либо (если их настоятельно рекомендует Datasheet) ставить конденсаторы небольших номиналов в строгом соответствии с рекомендациями производителя.

Для начала — справочная таблица с основными техническими характеристиками наиболее часто используемых интегральных стабилизаторов с регулировкой выходного напряжения.

Приведённая ниже таблица позволяет рассчитать номиналы резисторов делителя некоторых популярных типов микросхем регулируемых стабилизаторов, представленных разными производителями.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ — СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Если не хотите, чтобы вдруг «раздался мощный пук» — послеживайте за полярностью включения конденсатора С2. Она должна совпадать с полярностью входного (выходного) напряжения.

Отдельно хочу остановиться на МИКРОМОЩНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ С МАЛЫМ СОБСТВЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ.

Такого рода стабилизаторы окажутся совсем не лишними в хозяйстве, так как смогут обеспечить такой важнейший показатель радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов.

Здесь выбор интегральных микросхем заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому начну я с простой, но проверенной временем схемы на дискретных элементах.


Рис.2

Чем хорош КТ315 в данном включении?
На обратно смещённом переходе КТ315 при напряжении 6 — 7,5В, в зависимости от экземпляра транзистора, возникает электрический (не побоюсь этого слова) пробой, что позволяет использовать его в качестве стабилитрона на эту-же самую величину напряжения пробоя. При этом транзистор в таком включении, в отличие от многих промышленных стабилитронов, хорошо работает и при малых токах стабилизации, порядка 100 мкА.

Из относительно гуманных по цене интегральных стабилизаторов с малым собственным потреблением, могу порекомендовать LP2950, LP2951, LM2931, LM2936 и им подобные.

Схемы простых стабилизаторов напряжения

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

Читайте также  Двойной изолированный вольтметр для латра на atmega8-arduino

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 – Элемент регулировки;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – определитель напряжения выхода;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 –элемент регулирующий;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – измерительный элемент;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

  1. U вх – необработанное напряжение входа;
  2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

  • 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
  • 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
  • 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Простой стабилизатор напряжения с высоким коэффициентом стабилизации

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором R б
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем P max =1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то P max =1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор.

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Считаем сам стабилизатор.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

I б max =I max / h21 Э min

h21 Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

I б max =1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник.

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h21Э раз. h21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h21Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора R б .

R б =(Uвх-Uст)/(I б max +I ст min )

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

R б = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

P rб =(U вх -U ст )2/R б .

P rб =(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Читайте также  О причинах нестабильности частоты металлоискателей и способах ее устранения

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

C ф =3200I н /U н K н

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

C ф =3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

U обр max =2U н , то есть U обр max =2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель Линейный источник питания Импульсный источник питания
Стоимость Низкая Высока
Масса Большая Небольшая
ВЧ-шум Отсутствует Высокий
КПД 35 — 50 % 70 — 90 %
Несколько выходов Нет Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.


Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом


Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.


Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.


Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор


Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.


Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.


Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Стабилизаторы напряжения: схемы, параметры, принцип работы

Параметры стабилизаторов напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации Kст, выходное сопротивление Rвых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения Kст= [ ∆uвх/ uвх] / [ ∆uвых/ uвых]

где uвх, uвых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆uвх — изменение напряжения uвх; ∆uвых — изменение напряжения uвых, соответствующее изменению напряжения ∆uвх.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина Kст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением Rвых= | ∆uвых/ ∆iвых|

где ∆uвых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆iвых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Читайте также  Простой адаптер для записи разговора с телефонной линии

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина Rвых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора ηст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Рвх: ηст = Рн / Рвх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения uэ (на ∆uэ), а значит, и входного напряжения uвх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆uвых.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆uвх (на схеме пунктир):

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).


Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление Rб, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а).
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем.
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для iR2 в предыдущее уравнение, получим − uст/ R3· R2= uст – uвых. Следовательно, uвых = uст· ( 1 + R2/ R3)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение uст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Урок 1.12 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения, это устройство, которое при изменении входного напряжения и тока нагрузки удерживает выходное напряжение на заданном неизменном уровне.

Простейший стабилизатор напряжения, схема:

Основным элементом стабилизатора является стабилитрон, на схеме он обозначен VD. Стабилитрон, это диод, с определенным пробивным обратным напряжением. Напряжение, при котором наступает пробой, называется напряжением стабилизации. Это напряжение остается постоянным при изменении тока через стабилитрон от значения Iст мин до Iст макс. (показано на графике ниже). Величина тока стабилизации задается балластным резистором R. Именно ограничение тока не позволяет выходить из строя стабилитрону при пробивном напряжении на нем. Пробивное напряжение у стабилитрона является рабочим и называется напряжением стабилизации.

Как работает стабилизатор напряжения, рассмотрим на конкретном примере.

Допустим, на выходе нужно иметь постоянное напряжение 12 В, при напряжении на входе 220 В. Задаем диапазон допустимого изменения напряжения на входе, например ±10%. Это значит, что напряжение будет изменяться от 198 В до 242 В. Напряжение после выпрямления диодами так же будет изменяться на ±10%. Но даже уменьшенное на 10% оно должно превышать необходимое на выходе 12 В на величину падения напряжения на балластном резисторе R. С учетом этого, для работы стабилизатора выберем трансформатор, вторичная обмотка которого будет обеспечивать после диодов 15 В, при напряжении на входе трансформатора 220 В. Тогда, при изменении напряжения на входе на ±10% напряжение после выпрямления диодами будет изменяться от 13,5 В до 16,5 В. На балластном резисторе будет падать максимум 4,5 В. Ток стабилитрона возьмем приблизительно средний, 20 мА (смотри слева на вольт-амперной характеристике). Это напряжение делим на выбранный ток стабилитрона 20 мА (0,02 А) и получаем величину сопротивления балластного резистора:

4,5 : 0,02 = 225 Ом, выбираем ближайший стандартный номинал 220 Ом, мощность рассеиваемая этим резистором составит 4,5 В × 0,02 А = 0,09 Вт, ближайший стандарт 0,125 Вт.

Для наглядности сведем эти данные в таблицу:

Напряжение сети Напряжение после выпрямителя Ток стабилитрона Напряжение на нагрузке
220 В 15 В 14 мА 12 В
198 В 13,5 В 7 мА 12 В
242 В 16,5 В 20 мА 12 В

При изменении напряжения на первичной обмотке трансформатора от 198 В до 242 В, напряжение после выпрямления диодами будет меняться от 13,5 В до 16,5 В, а на выходе стабилизатора напряжение будет оставаться равным 12 В. Все лишнее напряжение будет падать на балластном резисторе R.

Другими словами при повышении напряжения ток через стабилитрон будет увеличиваться, что приведет к увеличению падения напряжения на балластном резисторе, в результате чего на выходе стабилизатора напряжение останется неизменным.

Основным недостатком рассмотренной схемы является то, что ток нагрузки не может превышать 0,1 тока через стабилитрон. В нашем примере, максимальный ток нагрузки не может превышать 20 мА × 0,1 = 2 мА. Если ток будет больше, то выходное напряжение не сможет удерживаться на заданном уровне 12 В.

Стабилизатор напряжения с усилителем на транзисторе.

Чтобы стабилизатор мог обеспечивать больший ток в нагрузке, применяют усилители на транзисторах. Ниже приводится простейшая схема стабилизатора напряжения с усилителем на одном транзисторе.

Принцип работы этого стабилизатора аналогичный описанному выше. Отличие состоит в том, что ток нагрузки не течет через стабилитрон, а течет через коллектор-эмиттер транзистора. Стабилитрон поддерживает на базе транзистора стабильное напряжение, такое же стабильное напряжение, отличающееся на небольшое (меньше 1 вольта) падение напряжения на открытом pn переходе база-эмиттер транзистора, будет и на нагрузке.

Максимальный ток нагрузки будет равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора, который может быть равен 10 и намного выше.

Для повышения коэффициента стабилизации при больших токах нагрузки может применяться несколько транзисторов. Выпускаются микросхемы, внутри которых собраны все детали стабилизатора. Эти микросхемы имеют всего три вывода для подключения: вход, общий и выход. Стабилизаторы, схемы которых построены по такому принципу, называются компенсационными.

Основной недостаток компенсационных стабилизаторов – большая мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе. При больших токах обязательно применение радиаторов для охлаждения. Такой принцип не позволяет достигать высоких значений коэффициента полезного действия (кпд).

Импульсный стабилизатор напряжения.

Для повышения кпд стабилизаторов был разработан принцип на основе широтно-импульсного модулятора.

Суть этого принципа в следующем. Переменное напряжение после выпрямления диодами подается на схему, состоящую из импульсного ключа и генератора прямоугольных импульсов частотой несколько килогерц. Эти импульсы открывают и закрывают мощный транзисторный ключ. После прохождения ключа импульсы преобразуются в постоянное напряжение. Чем больше длительность этих импульсов, тем выше постоянное напряжение. Если на выходе поставить устройство контроля за величиной постоянного напряжения и связать его с управлением длительностью импульсов генератора, то получим эффективный стабилизатор.

Например, зададим выходное напряжение 12 В. Если оно начнет по каким-либо причинам увеличиваться устройство контроля начнет уменьшать длительность импульсов генератора и вернет выходное напряжение в норму. Если выходное напряжение начнет уменьшаться, то по этой же причине длительность импульсов генератора начнет увеличиваться и компенсирует это уменьшение.

Мощный ключ в такой схеме имеет два устойчивых состояния – полностью открыт или полностью закрыт. При этом величина выходного напряжения прямо пропорциональна времени открытого состояния ключа. Падение напряжения на нем минимально и он практически не греется, что существенно повышает кпд таких стабилизаторов.

Пример структурной схемы импульсного стабилизатора напряжения показан ниже: