Параметрический стабилизатор напряжения. Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL) Как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне
Параметрическим стабилизатором называется устройство, в котором выходное напряжение или ток поддерживается на уровне заданного значения за счет параметров радиоэлектронных элементов. В них используются нелинейные свойства характеристик (вольтамперных, ампервольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.). В качестве примера таких приборов можно назвать такие электронные элементы, как стабилитроны, терморезисторы, дроссели насыщения и т.д.
Параметрические стабилизаторы могут стабилизировать постоянное или переменное напряжение, однако и в том и в другом случае они обладают достаточно плохими параметрами. В старой аппаратуре они применялись из-за простой, и, следовательно, дешевой схемы. В настоящее время практически вытеснены интегральными компенсационными стабилизаторами или источниками бесперебойного питания. Тем не менее, для того, чтобы понять, как работают компенсационные и напряжения необходимо знать принципы работы параметрического стабилизатора.
В качестве примера параметрических стабилизаторов рассмотрим стабилизаторы напряжения. В них обычно используются полупроводниковые стабилитроны, которые работают в области электрического пробоя на обратном участке вольтамперной характеристики. Поэтому стабилитрон включается в обратном направлении. Выход из строя данного диода не происходит из-за того, что ток, протекающий через диод, ограничивается внешним резистором. Классическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Cхема стабилизатора напряжения на стабилитроне
Мы обсудим в следующей статье, а сейчас подробнее рассмотрим параметры стабилитрона. Пример его вольтамперной характеристики приведен на рисунке 2
Рисунок 2. Вольтамперная характеристика стабилитрона
В параметрах стабилитрона приводится минимальный ток стабилизации, при котором начинается пробой и максимальный ток стабилизации, при котором еще не происходит разрушение pn-перехода за счет его теплового нагрева. Основными параметрами стабилитрона являются:
- напряжение стабилизации U ст и пределы его изменения ΔU ст;
- номинальный ток I ном и пределы его изменения I ст min ... I ст max ;
- максимальная допустимая мощность рассеивания P доп = U ст ×I ст max ;
- дифференциальное сопротивление на рабочем участке r d ;
- температурный коэффициент напряжения (ТКН) α T .
Наиболее важным параметром стабилитрона является его напряжение стабилизации . Стабилитроны производят на напряжение от 3 до 400 В. Оно зависит от толщины p-n перехода. При этом в зависимости от толщины перехода пробой бывает лавинным или туннельным. Если требуется стабилизировать напряжение меньше трех вольт, то применяются стабисторы. У них для стабилизации используется прямая ветвь амплитудно-частотной характеристики. Поэтому схема параметрического стабилизатора напряжения меняется. Она приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема параметрического стабилизатора на стабисторе
Дифференциальное сопротивление стабилитрона обычно определяется омическим сопротивлением полупроводника. По вольтамперной характеристике его можно определить следующим образом:
(1)
Именно дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет зависимость выходного напряжения параметрического стабилизатора от тока потребления нагрузки.
Не менее важным параметром является температурный коэффициент напряжения . Полупроводниковые диоды очень чувствительны к температуре и их вольтамперная характеристика смещается при нагреве. Пример изменения вольтамперной характеристики стабилитрона приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Изменение вольтамперной характеристики под воздействием температуры
Для полупроводникового диода, который используется в качестве стабилизатора, ТКН α T = 0,1% на градус Цельсия. Для прецизионных стабилизаторов напряжения это слишком большая величина. В то же самое время, отрицательный или положительный будет ТКН зависит от типа пробоя. При напряжении стабилизации меньше 6,2 В он отрицательный, а при напряжении стабилизации больше этого значения — положительный. Поэтому прецизионные стабилитроны выполняются на это напряжение. При несколько большем напряжении можно воспользоваться прямой ветвью вольтамперной характеристики, где падение напряжения уменьшается с ростом температуры. Если стабилитроны включить встречно, как это показано на рисунке 5, то зависимость напряжения стабилизации от температуры можно значительно снизить (например, отечественный стабилитрон КС170).
Рисунок 5. Внутренняя схема прецизионного стабилитрона
Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона приведено на рисунке 6.
Рисунок 6. Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона
В схеме включения данного стабилитрона можно не опасаться неправильного включения, т.к. симметричные стабилитроны обладают одинаковым напряжением стабилизации.
Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы. Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – полупроводниковый прибор обладающий свойством стабилизации напряжения. В отличии от обычного диода работает в обратной полярности (на катод подается плюс), в режиме лавинного пробоя. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.
Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.
Принцип работы стабилизатора на стабилитроне
Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.
Стабилизатор на одном транзисторе
Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.
Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе
Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня. При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.
Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ
В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.
Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.
Принцип работы защиты стабилизатора
Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.
Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением
В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.
Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения
Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.
Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке. Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.
На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.
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...
Содержание:
В слаботочных схемах с нагрузками не более 20 мА используется устройство с низким коэффициентом полезного действия, известное как параметрический стабилизатор напряжения. В конструкцию данных приборов входят транзисторы, стабисторы и стабилитроны. Они используются преимущественно в компенсационных стабилизирующих устройствах как опорные источники напряжения. В зависимости от технических характеристик, параметрические стабилизаторы могут быть однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.
Стабилитрон, находящийся в составе конструкции, напоминает обратно включенный диод. Однако пробой напряжения в обратном направлении, характерный для стабилитрона, является основой его нормального функционирования. Данное свойство широко применяется для различных схем, в которых нужно создать ограничение входного сигнала по напряжению. Параметрические стабилизаторы относятся к быстродействующим устройствам, они защищают чувствительные участки схем от импульсных помех. Использование этих элементов в современных схемах стало показателем их высокого качества, обеспечивающего стабильную работу оборудования в различных режимах.
Схема параметрического стабилизатора
Основой параметрического стабилизатора является схема включения стабилитрона, использующаяся также и в других типах стабилизаторов в качестве источника опорного напряжения.
Стандартная схема состоит из , который, в свою очередь включает в себя балластный резистор R1 и стабилитрон VD. Параллельно стабилитрону включается сопротивление нагрузки RH. Данная конструкция стабилизирует выходное напряжение при изменяющемся напряжении питания Uп и токе нагрузки Iн.
Работа схемы происходит в следующем порядке. Напряжение, увеличивающееся на входе стабилизатора, вызывает увеличение тока, проходящего через резистор R1 и стабилитрон VD. Напряжение стабилитрона остается неизменным за счет его вольтамперной характеристики. Соответственно, не изменяется и напряжение на сопротивлении нагрузки. В результате, все измененное напряжение будет поступать на резистор R1. Принцип работы схемы дает возможность для расчетов всех необходимых параметров.
Расчет параметрического стабилизатора
Качество работы стабилизатора напряжения оценивается по его коэффициенту стабилизации, определяемого по формуле: КстU= (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uвых). Далее расчет параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне осуществляется в соответствии с сопротивлением балластного резистора Ro и типом используемого стабилитрона.
Для расчета стабилитрона применяются следующие электрические параметры: Iст.макс - максимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики; Iст.мин - минимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики; Rд - дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольтамперной характеристики. Порядок расчета можно рассмотреть на конкретном примере. Исходные данные будут следующие: Uвых= 9 В; Iн= 10 мА; ΔIн= ± 2 мА; ΔUвх= ± 10%Uвх.
В первую очередь в справочнике выбирается стабилитрон марки Д814Б, параметры которого составляют: Uст= 9 В; Iст.макс= 36 мА; Iст.мин= 3 мА; Rд= 10 Ом. После этого выполняется расчет входного напряжения по формуле: Uвх=nстUвых, в которой nст является коэффициентом передачи стабилизатора. Работа стабилизирующего устройства будет наиболее эффективной когда nст, составляет 1,4-2,0. Если nст = 1,6, то Uвх= 1,6 х 9 = 14,4В.
На следующем этапе выполняется расчет сопротивления балластного резистора (Ro). Для этого применяется следующая формула: Rо= (Uвх-Uвых) / (Iст+Iн). Значение тока Iст выбирается по принципу: Iст ≥ Iн. В случае одновременного изменения Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн, не должно быть превышения током стабилитрона значений Iст.макс и Iст.мин. В связи с этим, Iст берется как среднее допустимое значение в данном диапазоне и составляет 0,015А.
Таким образом, сопротивление балластного резистора будет равно: Rо= (14,4 - 9) / (0,015 + 0,01) = 216 Ом. Ближайшее стандартное сопротивление составит 220 Ом. Для того чтобы выбрать нужный тип резистора, нужно выполнить расчет мощности, рассеиваемой на его корпусе. Используя формулу Р = I2Rо, получаем значение Р = (25· 10-3)2х 220 = 0,138 Вт. То есть стандартная мощность рассеивания резистора будет 0,25Вт. Поэтому для схемы лучше всего подойдет резистор МЛТ-0,25-220 Ом ± 10 %.
После выполнения всех расчетов нужно проверить, правильно ли выбран режим работы стабилитрона в общей схеме параметрического стабилизатора. Вначале определяется его минимальный ток: Iст.мин= (Uвх-ΔUвх-Uвых) /Rо - (Iн+ΔIн), с реальными параметрами получается значение Iст.мин= (14,4 - 1,44 - 9) х 103/ 220 - (10 + 2) = 6 мА. Такие же действия выполняются для определения максимального тока: Iст.макс= (Uвх+ΔUвх-Uвых) /Rо - (Iн-ΔIн). В соответствии с исходными данными, максимальный ток составит: Iст.макс= (14,4 + 1,44 - 9) · 103/ 220 - (10 - 2) = 23 мА. Если полученные значения минимального и максимального тока выходят за допустимые пределы, то в этом случае нужно изменить Iст или Rо. В некоторых случаях требуется замена стабилитрона.
Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне
Для любой радиоэлектронной схемы обязательно наличие источника питания. Они могут быть постоянного и переменного тока, стабилизированными и нестабилизированными, и линейными, резонансными и квазирезонансными. Такое разнообразие дает возможность выбора источников питания для разных схем.
В наиболее простых электронных схемах, где не требуется высокая стабильность питающего напряжения или большая выходная мощность, чаще всего применяются линейные источники напряжения, отличающиеся надежностью, простотой и низкой стоимостью. Их составной частью служат параметрические стабилизаторы напряжения и тока в конструкцию которых входит элемент, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику. Типичным представителем таких элементов является стабилитрон.
Данный элемент относится к особой группе диодов, работающих в режиме обратной ветви вольтамперной характеристики в области пробоя. При включении диода в прямом направлении от анода к катоду (от плюса к минусу) с напряжением Uпор, через него начинает свободно проходить электрический ток. Если же включено обратное направление от минуса к плюсу, то через диод проходит лишь ток Iобр, составляющий всего несколько мкА. Увеличение на диоде обратного напряжения до определенного уровня приведет к его электрическому пробою. При достаточной величине силы тока диод выходит из строя под действием теплового пробоя. Работа диода в области пробоя возможна в случае ограничения тока, проходящего через диод. В различных диодах напряжение пробоя может составлять от 50 до 200В.
В отличие от диодов, вольтамперная характеристика стабилитрона имеет более высокую линейность, в условиях постоянного напряжения пробоя. Таким образом, для стабилизации напряжения с помощью этого устройства обратная ветвь вольтамперной характеристики. На участке прямой ветви работа стабилитрона происходит точно так же, как и у обычного диода.
В соответствии со своей вольтамперной характеристикой, стабилитрон обладает следующими параметрами:
- Напряжение стабилизации - Uст. Зависит от напряжения на стабилитроне во время протекания тока Iст. Диапазон стабилизации у современных стабилитронов находится в пределах от 0,7 до 200 вольт.
- Максимально допустимый постоянный ток стабилизации - Iст.max. Ограничивается величиной максимально допустимой рассеиваемой мощности Рmax, которая, в свою очередь тесно связана с температурой окружающей среды.
- Минимальный ток стабилизации - Iст.min. Зависит от минимального значения тока, проходящего через стабилитрон. При этом токе должно быть полное сохранение работоспособности устройства. Вольтамперная характеристика стабилитрона между параметрами Iст.max и Iст.min имеет наиболее линейную конфигурацию, а изменение напряжения стабилизации очень незначительно.
- Дифференциальное сопротивление стабилитрона - rст. Данная величина определяется как отношение приращения напряжения стабилизации на устройстве к малому приращению тока стабилизации, вызвавшему это напряжение (ΔUCT/ ΔiCT).
Параметрический стабилизатор на транзисторе
Работа параметрического стабилизатора на транзисторах почти ничем не отличается от аналогичного устройства на стабилитроне. В каждой схеме напряжение на выходах остается стабильным, поскольку их вольтамперные характеристики затрагивают участки с падением напряжения, слабо зависящим от тока. То есть, как и в других параметрических стабилизаторах, стабильные показатели тока и напряжения достигаются за счет внутренних свойств компонентов.
Падение напряжения на нагрузке будет таким же, как и разность падения напряжения стабилитрона и р-п перехода транзистора. Падение напряжения в обоих случаях слабо зависит от тока, отсюда можно сделать вывод, что выходное напряжение также является постоянным.
Нормальная работа стабилизатора характеризуется наличием напряжения в диапазоне от Uст.max до Uст.min. Для этого необходимо, чтобы и ток, проходящий через стабилитрон, находился в пределах от Iст.max до Iст.min. Таким образом, течение максимального тока через стабилитрон будет осуществляться в условиях минимального тока базы транзистора и максимального входного напряжения. Поэтому транзисторный стабилизатор имеет существенные преимущества над обычным устройством, поскольку значение выходного тока может изменяться в широком диапазоне.
Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.
Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):
Стабилизатор тока
В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:
Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током I ст (смотри рисунок выше а ). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:
При этом на нагрузке будет напряжение I ст R н. За этими данными подсчитывают значения U вх, которое нужно приложить к стабилизатору:
На этом и завершается расчет стабилизатора тока.
Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:
По заданному значению U ст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют I min и I max . По этим данным подсчитывают ток I ст = (I min + I max)/2. Общий ток I вх равен I ст + U ст/ R н. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке U ст = I ст R н при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе U вх выбирают процентов на 20 выше чем U ст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе R б, величину которого найдем по формуле:
Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:
При K ст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше K ст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.
У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.