Параллельный параметрический стабилизатор, последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе. Практические расчеты.

Доброго дня уважаемые Радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “, в разделе “ “, мы продолжим рассмотрение статьи “ “. Напомню, что в прошлый раз, изучая схему источника питания радиолюбительских устройств, мы остановились на назначении и расчете сглаживающего фильтра:

Сегодня мы рассмотрим последний элемент – стабилизатор напряжения.

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки

Сегодня мы рассмотрим два простейших стабилизатора напряжения:
- параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне;
– последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе.

Полупроводниковый стабилитрон - (другое название – диод Зенера) предназначен для стабилизации постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора он выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах ему отводится только роль источника опорного напряжения.

Один из внешних видов и обозначение стабилитрона:

Как работает стабилитрон

Напряжение на стабилитрон (в отличие от диода) подают в обратной полярности (анод соединяют с минусом а катод с плюсом источника питания – Uобр ). При таком включении через стабилитрон течет обратный ток – Iобр .
При увеличении напряжения обратный ток растет очень медленно (на схеме, почти параллельно оси Uобр ), но при некотором напряжении Uобр переход стабилитрона пробивается (но разрушение стабилитрона в этот момент не происходит) и через него начинает идти обратный ток значительно большего значения. В этот момент вольтамперная характеристика стабилитрона (ВАХ ) резко идет вниз (почти параллельно оси Iобр ) – наступает режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации минимальное (Uст min ) и ток стабилизации минимальный (Iст min ).
При дальнейшем увеличении Uобр ВАХ стабилитрона опять меняет свое направление – заканчивается режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации максимальное (Uст max ) и ток стабилизации максимальный (Iст max ). С этого момента стабилитрон теряет свои свойства, начинает разогреваться, что может привести к тепловому пробою перехода стабилитрона и соответственно к его выходу из строя.

Режим стабилизации стабилитрона может быть в широких пределах, поэтому в документации на стабилитроны указывают допустимые минимальные и максимальные значения токов (Iст min и Iст max ) и напряжений стабилизации (Uст min и Uст max ). Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения – Iст и Uст . Номинальный ток стабилизации обычно устанавливается производителями на уровне 25%-35% от максимального, а номинальное значение напряжения стабилизации как среднее от максимального и минимального.

Для примера можно воспользоваться программой “ “ и воочию посмотреть какие характеристики приводятся в справочниках по стабилитронам:

К примеру стабилитрон Д814Г:
- номинальный ток стабилизации (Iст)= 5 мА;
– номинальное напряжение стабилизации (Uст)= (от 10 до 12 вольт)= 11 вольт;
– максимальный ток стабилизации (Iст max)= 29 мА.
Эти данные нам будут необходимы при расчетах простейшего стабилизатора напряжения.

Если вы не смогли найти нужный наш родной, советский, стабилитрон, то можно используя, к примеру программу, подобрать по нужным параметрам буржуйский аналог:

Как видите, стабилитрон Д814Г легко можно заменить аналогом – BZX55C11 (у которого характеристики даже немного получше)

Ну а теперь рассмотрим параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне .

Параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне применяется в слаботочных устройствах (несколько миллиампер) и представляет собой делитель напряжения (на резисторе R – балластный резистор и стабилитроне VD – который выполняет роль второго резистора) на вход которого подается нестабильное напряжение а выходное напряжение снимается с нижнего плеча делителя. При повышении (понижении) входного напряжения внутреннее сопротивление стабилитрона уменьшается (увеличивается), что позволяет удерживать выходное напряжение на заданном уровне. На балластном резисторе падает разница между входным напряжением питания и напряжением стабилизации стабилитрона.

Рассмотрим схему данного (самого простейшего) стабилизатора напряжения:

Для нормальной работы схемы ток через стабилитрон должен в несколько раз (3-10 раз) превышать ток в стабилизируемой нагрузке. Практически, так-как номинальный ток стабилизации стабилитрона в несколько раз меньше максимального, то допускается при расчетах считать, что ток нагрузки не должен превышать номинального тока стабилизации.
К примеру : ток потребляемый нагрузкой составляет 10 мА, значит нам необходимо подобрать такой стабилитрон, чтобы его номинальный ток стабилизации не был меньше 10 мА (лучше конечно, если он будет больше).

Расчет параллельного параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Дано:
Uвх – входное напряжение = 15 вольт
Uвых – выходное напряжение (напряжение стабилизации) = 11 вольт

Расчет:
1. По справочнику, приведенному выше, определяем, что для наших целей подходит стабилитрон Д814Г:
Uст (10-12в)= 11 вольт
Iст max = 29 мА
Iст номинальный = 5 мА
Исходя из сказанного выше, определяемся, что ток нагрузки не должен превышать Iст номинального – 5 мА
2. Определяем напряжение падения на балластном резисторе (R) как разность входного и выходного стабилизированного напряжения:
Uпад=Uвх – Uвых =15-11= 4 вольта
3. Используя закон Ома, определяем номинал балластного сопротивления R, деля напряжение падения Uпад на Iст стабилитрона:
R= Uпад/Iст = 4/0,005= 800 Ом
Так как резисторов номиналом 800 Ом нет, берем ближайший больший номинал – R=1000 Ом= 1 кОм
4. Определяем мощность балластного резистора R :
Pрез= Uпад*Iст = 4*0,005= 0,02 ватта
Так как через резистор протекает не только ток стабилизации стабилитрона но и ток потребляемый нагрузкой, то полученное значение увеличиваем минимум в 2 раза:
Pрез = 0,004*2= 0,008 ват, что соответствует ближайшему номиналу = 0,125 ватт.

Что делать если вы не нашли стабилитрон с нужным напряжением стабилизации.
В этом случае можно применить последовательное соединение стабилитронов . К примеру, если мы соединим последовательно два стабилитрона Д814Г, то напряжение стабилизации составит 22 вольта (11+11). Если соединим Д814Г и Д810 то получим напряжение стабилизации 20 вольт (11+10).
Допускается любое число последовательного соединения стабилитронов одной серии (как в примере – Д8**).
Последовательное соединение стабилитронов разной серии допускается только в том случае, если рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии.

Что делать, если в приведеном выше примере, ток нагрузки составляет к примеру не 5 а 25 мА?
Можно конечно все так и оставить, так как максимальный ток стабилизации (Iст max) Д814Г равен 29 мА, единственное придется пересчитать мощность балластного резистора. Но в этом случае стабилитрон будет работать на пределе своих возможностей и у вас не будет никаких гарантий, что он не выйдет из строя.
А что делать если ток нагрузки составляет, к примеру, 50 мА?

Последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе – это по сути параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключенный ко входу эммитерного повторителя.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона за счет падения напряжения на переходе база-эммитер транзистора (для кремниевых транзисторов – около 0,6 вольт, для германиевы – окло 0,25 вольт), что нужно учитывать при выборе стабилитрона.
Эммитерный повторитель (он же – усилитель тока) позволяет увеличить максимальный ток стабилизатора напряжения по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне в β (h 21э) раз (где β (h21э) – коэффициент усиления по току данного транзистора, берется наименьшее значение).

Схема последовательного стабилизатора на биполярном транзисторе :

Так-как данный стабилизатор состоит из двух частей – источник опорного напряжения (он же параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне) и усилителя тока на транзисторе (он же эммитерный повторитель), то расчет такого стабилизатора производится аналогично выше приведенному примеру.
Единственное отличие:
- к примеру нам надо получить ток нагрузки 50 мА, тогда выбираем транзистор с коэффициентом усиления β (h 21э) не менее 10 (β (h 21э) =Iнагрузки/Iст=50/5=10
– мощность балластного резистора рассчитываем по формуле: Ррез=Uпад*(Iст+Iнагрузки)

Ток нагрузки можно увеличить еще в несколько раз, если применить схему с составным тразистором (два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи):

Вот, в принципе, и все.

Стабилизатор напряжения – это устройство, к входу которого подается напряжение с неустойчивыми или неподходящими параметрами для потребителя электроэнергии. На выводе стабилизатора напряжение уже обладает нужными (устойчивыми) параметрами, которые делают возможным снабжение электроэнергией восприимчивых к изменению вольтажа потребителей. А как работает стабилизатор напряжения, и для чего он нужен?

Стабилизация напряжения постоянного тока требуется, если входящий вольтаж слишком мал или велик для потребителя. При прохождении через поддерживающее устройство оно становится больше или меньше до нужного значения. При необходимости схема стабилизатора может быть составлена так, чтобы выводимое напряжение имело полярность, противоположную поступающему.

Линейные

Линейный стабилизатор – делитель, в который подается неустойчивое напряжение. Выходит оно уже выравненное, со стабильными характеристиками. Принцип работы заключается в постоянном изменении сопротивления для поддержания на выводе постоянного вольтажа.

Преимущества:

• Простая конструкция с небольшим количеством деталей;
• В работе не наблюдаются помехи.

Недостатки:

• При большом различии входящего и выходящего вольтажа линейный преобразователь тока выдает слабый КПД, поскольку большая часть вырабатываемой мощности превращается в тепло и рассеивается на регуляторе сопротивления. Поэтому появляется необходимость в установке контролирующего устройства на радиаторе достаточного размера.

Параметрический со стабилитроном, параллельный

Для схемы стабилизирующего ток устройства, в котором контролирующий работу элемент расположен параллельно нагруженной ветви, подходят газоразрядные и полупроводниковые стабилитроны.

Через стабилитрон должен проходить ток, превышающий от 3 до 10 раз ток в R L . Поэтому механизм подходит для выравнивания напряжения только в механизмах со слабым током. Обычно его используют как составной элемент преобразователей тока с более сложной начинкой.

Последовательный с биполярным транзистором

Принцип работы стабилизатора напряжения можно рассмотреть с помощью схемы устройства.

Видно, что она объединяет в себе два элемента:

1. Уже известный нам параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне;
2. Биполярный транзистор, который увеличивает ток с постоянным коэффициентом. Его еще называют эмиттерным повторителем.

Выводимое напряжение определяется по формуле: Uout = Uz - Ube. Uz – напряжение, поддерживаемое стабилитроном. Оно почти не зависит от тока, идущего через стабилитрон. Ube – разница вольтажа выходящего и стабилизируемого стабилитроном. Она почти не зависит от тока, который подается на p-n переход. Однако разница зависит от природы вещества (для кремния Ube – 0,6 В, для германия – 0,25 В). Именно из-за сравнительной независимости этих значений выводимое напряжение устойчиво.

При прохождении через трехслойный транзистор напряжение на выводе стабилизатора увеличивается. Если использование одного транзистора не удовлетворяет запросам потребителя энергии, то берется конструкция из нескольких транзисторов для увеличения тока до нужного значения.

Последовательный компенсационный на операционном усилителе

Компенсационный – значит с обратной связью. В этом стабилизаторе выводимое напряжение всегда сопоставляется с тем, что принято за эталон. Отличие между ними необходимо для формирования и передачи сигнала механизму, контролирующему вольтаж.

С резистора R2 снимается часть выходящего напряжения Uout, которая сравнивается с Uz (напряжение опорное) на стабилитроне, обозначенном на схеме как D1. Полученная разность проходит через операционный усилитель (на схеме U1) и передается управляющему транзистору.

Устойчивая работа обеспечивается при петлевом сдвиге фаз, который приближается к 180°+n*360°. Поскольку часть выходящего напряжения подается на усилитель, то последний сдвигает фазу на развернутый угол. Транзистор, включенный по схеме усилителя тока, не вызывает сдвига фаз. При этом петлевой сдвиг остается равным 180 о.

Импульсный

Электрический ток с неустойчивыми параметрами посредством коротких импульсов подается на накопительное устройство стабилизатора (в его роли выступает индуктивная катушка или конденсатор). Запасенная электроэнергия впоследствии выходит в нагрузку уже с другими параметрами. Возможно два варианта стабилизации:

1. Путем управления продолжительностью импульсов и пауз между ними (принцип широтно-импульсной модуляции );
2. Путем сравнивания выходящего напряжения с минимально и максимально допустимыми значениями. Если оно выше максимального, то накопитель перестает накапливать энергию и разряжается. Тогда на выводе напряжение становится меньше минимального. При этом накопитель снова начинает работать (принцип двухпозиционного управления ).

В зависимости от схемы импульсный выравниватель тока может преобразовывать напряжение до достижения разных результатов. Поэтому различают его разновидности:

• Понижающий (напряжение на выводе меньше, чем на вводе, но с той же полярностью);
• Повышающий (напряжение на выводе больше, чем на вводе, но с той же полярностью);
• Понижающе-повышающий (напряжение на выводе может быть больше или меньше, чем на вводе, но полярность та же). Устройства применяется, когда U на вводе и выводе сильно отличаются, но на вводе возможны нежелательные отклонения в большую или меньшую сторону;
• Инвертирующий (напряжение на выводе больше или меньше, чем на вводе, полярность противоположная).

Преимущества:

• Низкие потери энергии.

Недостатки:

• Импульсные помехи на выводе.

Стабилизаторы переменного напряжения

Стабилизатор переменного напряжения предназначен для поддержания постоянного тока на выводе, независимо от того, какими параметрами он обладает на вводе. Выводимое напряжение должно описываться идеальной синусоидой даже при резких скачках, падении или даже обрыве на вводе. Различают накопительные и корректирующие стабилизирующие устройства.

Стабилизаторы-накопители

Это устройства, которые сначала накапливают электроэнергию от входящего источника питания тока. Затем энергия генерируется заново, но уже с постоянными характеристиками, ток направляется к выходу.

Система «двигатель – генератор»

Принцип работы заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую с помощью электродвигателя. Затем генератор обратно преобразует ее из кинетической в электрическую, но ток уже обладает конкретными и постоянными характеристиками.

Клюевой элемент системы – маховик, который накапливает в себе кинетическую энергию и стабилизирует выводимое напряжение. Маховик жестко соединен с подвижными частями двигателя и генератора. Он очень массивный и обладает большой инерцией, сохраняющей скорость, которая зависит только от фазной частоты. Поскольку скорость вращения маховика относительно постоянна, напряжение остается постоянным даже при значительных провалах и скачках на вводе.

Система «двигатель-генератор» подходит для напряжения с тремя фазами. Сегодня она используется только на стратегических объектах. Ранее применялась для запитывания быстродействующих электронных вычислительных машин.

Феррорезонансный

Устройство включает в себя:

• Индуктивная катушка с насыщенным сердечником;
• Катушка индуктивности с ненасыщенным сердечником (внутри есть магнитный зазор);
• Конденсатор.

Поскольку катушка с насыщенным сердечником имеет постоянное напряжение, независимо от тока, который по нему идет, путем подбора характеристик второй катушки и конденсатора можно добиться стабилизации напряжения в нужных пределах.

Принцип действия полученного механизма можно сравнить с качелями, которые трудно резко остановить или заставить качаться с большей скоростью. Даже нет необходимости каждый раз подталкивать качели, потому что колебательное движение – инерционный процесс. Поэтому допустимы сильные провалы и обрывы напряжения. Частоту колебаний тоже трудно поменять, поскольку у системы собственная установившаяся частота.

Феррорезонансные стабилизаторы были популярными в советские времена. Их использовали для снабжения электроэнергией телевизоров.

Инверторный

В схему инверторного стабилизатора включаются:

• Входные фильтры;
• Выпрямитель с устройством, изменяющим мощностной коэффициент;
• Конденсаторы;
• Микроконтроллер;
• Преобразователь напряжения (из постоянного в переменное).

Принцип работы основан на двух процессах:

1. Сначала входящий переменный ток преобразуется в постоянный при проходе через корректор и выпрямитель. Энергия накапливается в конденсаторах;
2. Затем постоянный ток преобразуется в переменный выходящий. Из конденсатора ток идет к инвертору, который трансформирует ток в переменный, но с неизменными параметрами.

Пример (принцип работы стабилизатора напряжения 220В): на вводе напряжение меньше или больше 220В, его форма не соответствует синусоиде. После прохождения через выпрямитель и корректор ток становится постоянным, форма напряжения – идеальная синусоида. После прохождения через инвертор к выходу устремляется переменный синусоидальный ток с частотой 50 Гц и напряжением 220В.

Благодаря высокой отдаче механизма (КПД близко к 100%) такой стабилизатор используют для дорого оборудования медицинского и спортивного назначения.

ИБП

Источники бесперебойного питания по конструкции и принципу действия аналогичны инверторным преобразующим устройствам. Сходство заканчивается на том, что накопление электроэнергии происходит не в конденсаторе, а в аккумуляторе, из которого выходит ток с нужными для потребителя параметрами.

ИБП необходимы для запитывания вычислительной техники, поскольку они не только стабилизируют напряжение, но и исключают сбой работы программ при аварийном отключении. Пример: если произойдет обрыв вольтажа, то накопленной в аккумуляторе энергии хватит для правильного завершения работы компьютера. Все данные будут сохранены, а компьютерная «начинка» останется целой.

Корректирующие

К корректирующим стабилизаторам относят преобразователи напряжения, которые изменяют его за счет добавочного потенциала, которого не доставало для получения необходимого для потребителя значения.

Электромагнитный

Другое название – ферромагнитный. От феррорезонансного отличается отсутствием конденсатора, более низкой мощностью и большими размерами.

Если линейный реактор (на схеме L1) включить последовательно с резистором Rh, а нелинейный реактор L2 включить параллельно Rh, то как бы ни менялось входящее напряжение, выводимое будет постоянным. Это обусловлено работой второго реактора в режиме насыщения, отчего вольтаж на нем не меняется при меняющемся токе. В связи с этим меняющееся напряжение на вводе не оказывает влияние на значение на выводе. Оно лишь перераспределяется между L1 и L2. Прирост от входящего значения полностью уходит на L1.

Электромеханический и электродинамический

Это два схожих по конструкции вида стабилизаторов, представляющих собой вольтодобавочный трансформатор. В них напряжение преобразуется за счет перемещения узла, снимающего ток у входа, по трансформаторной обмотке. В результате коэффициент стабилизации меняется мягко до той величины, которая нужна для выходящего напряжения.

В электромеханическом выравнивателе управление реализовывается щетками, которые быстро изнашиваются, поскольку это подвижные элементы. Снизить изнашиваемость удается в электродинамическом аналоге, в котором щетки заменены роликом.

Это единственные преобразователи тока, которые не только обеспечивают гладкую его трансформацию, но и формируют из него синусоиду. На выводе значение относительно неизменно, максимальное отклонение от номинала не превышает 3%. Такая подача энергии оптимальна для бытовой и производственной техники.

Преимущества:

• Широкий диапазон входящего напряжения (130-260В);
• Отсутствие помех на выводе;
• Возможность перегрузки до 200% на полсекунды;
• Бесшумная работа (если нет перегрузки);
• Отличная помехоустойчивость.

Недостатки:

• Нельзя применять при морозах (конструкция может работать только при непродолжительных легких заморозках и до 40 градусов тепла);
• Низкая скорость стабилизации (проблема решается путем добавления количества щеток).

К преимуществам электродинамического аналога стоит отнести его способность работать при отрицательных температурах (не более 15 градусов мороза). Еще один плюс: конструкция выдерживает перегрузки на 200% до 120 секунд.

Релейный

Принцип работы релейного стабилизатора напряжения схож с работой других автотрансформаторных преобразователей с регулировкой по ступеням за счет включения/выключения отдельных обмоток силового автоматического трансформатора с помощью электромеханических реле. Поэтому повышение и понижение выходящего напряжения – это параллельный процесс повышения и понижения на вводе поддерживающего устройства.

Особенность релейного преобразователя – выводимое значение всегда меняется в пределах ступени. Например, задан диапазон допустимых значений от 215 до 220 Вольт. Это значит, что напряжение будет постоянно меняться в этих рамках, в то время как на вводе этот диапазон может составлять 200-230 Вольт. Размах ступени зависит от количества обмоток: чем их больше, тем меньше диапазон, и тем более ровное будет напряжение на выводе.

Из этого можно сделать вывод, что качественный стабилизатор не может показывать на экране только 220 Вольт. Если же значение не меняется, можно сделать вывод, что светодиоды расположены именно в форме числа «220» и никакого другого числа они показать не могут. Так делают недобросовестные производители для уменьшения себестоимости преобразователей переменного тока.

Преимущества:

• Высокая скорость стабилизации;
• Небольшие размеры;
• Большой диапазон напряжения на вводе (от 140 до 270 Вольт);
• Низкая восприимчивость к изменениям входящего напряжения;
• Допустимая перегрузка в 110% на 4 секунды;
• Бесшумная работа;
• Возможность работы от -20 до +40 градусов Цельсия.

Недостатки:

• Ступенчатая (а не плавная) стабилизация (свет моргает при большом диапазоне ступени);
• Скорость стабилизации зависит от точности выходящего напряжения: чем точнее вольтаж, тем меньше скорость.

Электронный

Если вам нужно преобразовывать ток с неустойчивыми параметрами, то обратите внимание на электронный стабилизатор. Электронное устройство стабилизатора напряжения 220 вольт – это аналог релейного преобразователя. Разница между ними заключается только в способе смены включенной в нагруженную цепь трансформаторных обмоток.

В данной конструкции переключение происходит не благодаря наличию реле, а за счет симисторов или тиристоров. Так как механические детали отсутствуют, срок службы устройства резко возрастает. В сочетании с приемлемой стоимостью этот вариант для бытовой техники является оптимальным. В остальном преимущества и недостатки совпадают с теми, что указаны для релейного преобразователя.

Гибридный

В 2012 году в продаже появился новый вид стабилизатора – гибридный. Он представляет собой электромеханическое устройство, в конструкцию которого дополнительно входят два релейных преобразователя.

Основной элемент — электромеханический. Релейные элементы включаются в работу только тогда, когда последний уже не может выдать на выводе 220 Вольт. Это бывает, если входящее напряжение либо слишком низкое, либо слишком высокое. Так, электромеханический преобразователь работает при 144-256В. А релейный включается, когда значение опускается ниже 144В или поднимается выше 256В. Максимальный диапазон составляет 105-280 Вольт.

Гибридные преобразователи подходят для бесперебойного энергоснабжения потребителей электроэнергии в частном доме, квартире, офисе или даже магазине.

Качество и срок службы электроприборов зависит от параметров подаваемой энергии. При резких скачках, обрывах или провалах вольтажа техника выходит из строя. Противостоять этому может только бесперебойное энергоснабжение с напряжением условленного значения. Именно его позволяют получить стабилизаторы напряжения, без которых невозможна современная жизнь.

В схеме выпрямительного устройства, рассмотренного на лекции №2 (рис. 3.1) для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение рассмотрены трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. Напряжение на нагрузке поддерживается постоянным по значению с помощью стабилизатора Ст. Простейший стабилизатор напряжения – параметрический, в котором используются специальный диод – СТАБИЛИТРОН.

Стабилитрон имеет специфическую вольтамперную характеристику (ВАХ) в обратном включении (рис.3.2). При отрицательном напряжении ВАХ имеет достаточно протяженный участок, на котором напряжение изменяется мало, а ток изменяется значительно.

Рис. 3.2. Пример вольтамперной характеристики полупроводникового стабилитрона.

Стабилитрон используется в параметрическом стабилизаторе напряжения (рис.3.3а).

Рис. 3.3. Параметрический стабилизатор напряжения.

а) электрическая схема стабилизатора,

б) линейная схема замещения для малых изменений токов и напряжений (R диф =ΔU ст. / ΔI ст = ΔU Н / ΔI ст –дифференциальное сопротивление)

в) графическое представление состояния стабилитрона и принципа стабилизации напряжения на нагрузке (ΔU Н <<ΔU вх) при изменении напряжения U вх и большом сопротивлении нагрузки (R Н >> R диф).

Принцип стабилизации заключается в следующем. Напряжение на стабилитроне, т.е. на нагрузке, остается постоянным из-за изменения тока стабилитрона и вызванного этим изменения напряжения на балластном резисторе.

Схема на рис.3.3а описывается нелинейной системой уравнений:

I 0 - I ст - I н = 0 (1)

U ст (I ст) - R н I н = 0 (2)

- U вх + R б I 0 + R н I н = 0 (3)

Преобразуем систему к одному уравнения относительно тока I ст.

Из (1) имеем I н = I 0 - I ст, тогда из (3) следует

- U вх + R б I 0 + R н (I 0 - I ст) = 0 ,

отсюда I 0 =(R н I ст + U вх) / (R б + R н) и из (2) получаем

U ст (I ст) = R н [ (R н I ст + U вх) / (R б +R н) - I ст ]. (4)

Этот же результат можно получить, если применить к схеме на рис.3.3а преобразование по методу эквивалентного активного двухполюсника, в который включим источник входного напряжения U вх, балластный резистор R б и приемник R н (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Преобразование части схемы методом эквивалентного активного двухполюсника.

Эквивалентный источник имеет

ЭДС E экв = U вх R н / ( R н + R б) и

сопротивление R экв = R б R н / ( R н + R б).

После эквивалентного преобразования схема рис.3.3а приобретает вид (рис.3.5)

Из схемы на рис.3.5 получаем уравнение состояния параметрического стабилизатора:

U ст (I ст) = E экв - R экв I ст (5)

Если в (5) подставить выражения вместо E экв и R экв, то получим уравнение (4). Применение метода эквивалентного источника позволяет лучше представить физически принцип действия стабилизатора, зависимость его свойств от параметров элементов.

Уравнение (4) пригодно для анализа свойств параметрического стабилизатора при любых параметрах элементов.

Положим (наиболее частый случай), что сопротивление нагрузки R н значительно больше сопротивления балластного резистора R б. Тогда сопротивление нагрузки можно не учитывать и в схеме виден делитель входного напряжения из балластного резистора R б и стабилитрона VD (рис.3.3а). Состояние цепи устанавливается в соответствие с рис.3.3в в точке A , где пересекаются ВАХ стабилитрона и прямая линия 1, отсекающая на осях отрезки U вх1 и U вх1 /R б. При увеличении входного напряжения до U вх2 (линия 2) увеличивается ток стабилитрона (рабочая точка A ’), увеличивается напряжение на R б, а напряжение на нагрузке соответственно увеличивается на ΔU н. При этом, как видно из графиков ΔU н << ΔU вх (R диф <<R б).

Для получения простых соотношений для оценки качества параметрического стабилизатора получим линейную его схему замещения с помощью уравнения (5).

Приближенно, если рабочая точка А стабилитрона находится на участке стабилизации, ВАХ стабилитрона на участке стабилизации можно заменить прямой линией с угловым коэффициентом R диф =ΔU ст. / ΔI ст = ΔU Н / ΔI ст:

U ст (I ст) = U 0 + R диф I ст

С учетом этой линеаризации уравнение (5) можно переписать:

U 0 + R диф I ст =E экв -R экв I ст (6).

Здесь E экв = R Н U вх /(R Н + R Б) и R экв = R Б R Н /(R Б + R Н).

Из (6) следует уравнение, если учесть, что R экв >> R диф:

I ст = (E экв - U 0)/ (R экв + R диф) =(E экв - U 0)/ R экв (7).

Подставим сюда выражение для E экв и получим

I ст = (R Н U вх /(R Н + R Б) - U 0)/ R экв = U вх /R Б - U 0 / R экв

и напряжения на нагрузке принимает вид:

U н =U ст (I ст)=U 0 + R диф (U вх /R Б - U 0 / R экв) (7)

Отсюда следует, что при изменениях входного напряжения:

ΔU н =(dU ст /dU вх) * Δ U вх = R диф /R б * Δ U вх (8)

Отношение приращений напряжения на нагрузке и на входе параметрического стабилизатора равно:

ΔU н /Δ U вх = R диф /R б (8)

Если изменяется сопротивление нагрузки, то

U н = U 0 + R диф [U вх /R Б - U 0 (R Б + R Н)/ (R Б R Н)] (9)

Из уравнения (9) следует, что при изменениях сопротивления нагрузки так же будет достигаться эффект стабилизации напряжения на нагрузке

ΔU н =(dU ст /dR Н) * Δ R Н = R диф / R 2 н * U 0 Δ R Н

В практических случаях параметры схемы и стабилитрона подбираются таким образом, чтобы рабочая точка на в.а.х. стабилитрона перемещалась в пределах участка стабилизации (I ст.мин ,I ст.макс) при необходимом U ст. , которые записаны в паспорте стабилитрона.

С помощью параметрического полупроводникового стабилизатора напряжения можно получить коэффициент стабилизации, который равен отношению относительных изменений входного и выходного напряжений:

K ст. = (ΔU вх /U вх)/ (ΔU вых /U вых) <=100.

Во многих случаях это значение оказывается недостаточным и тогда применяются более сложные «компенсационные стабилизаторы напряжения», содержащие транзисторы.

Заметим так же, что в параметрическом стабилизаторе напряжения нагревание балластного резистора приводит к потерям энергии. Поэтому к.п.д. параметрического стабилизатора напряжения не превышает 30%.

Демонстрация ВАХ реального стабилитрона demo3_1 приведена на рис. 3.6

Рис. 3.6. К demo3_1.

Демонстрация работы параметрического стабилизатора напряжения demo3_2 приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7.К demo3_2.

Замечание.

Рассмотренный параметрический стабилизатор напряжения позволяет познакомиться с широко применяемым методом описания нелинейных схем с помощью линеаризованных схем замещения. Запишем систему уравнений (1)-(3), заменив в уравнении (2) ВАХ стабилитрона линеаризованным выражением:

I 0 -I ст -I н =0 (1а)

U 0 +R диф I ст -R н I н =0 (2а)

- U вх +R б I 0 +R н I н =0 (3а)

Для малых изменений токов и напряжений, вызванных изменением входного напряжения, отсюда следует:

ΔI 0 -ΔI ст -ΔI н =0 (9)

R диф ΔI ст -R н ΔI н =0 (10)

-ΔU вх +R б ΔI 0 +R н ΔI н =0 (11)

Этой системе уравнений соответствует схема замещения, приведенная на рис.3.3 б.

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.

Чтобы подобрать стабилитрон для схемы, показанной на рис. 3, нужно знать диапазон входных напряжений U1 и диапазон изменения нагрузки R Н.

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

Для примера рассчитаем сопротивление R и подберём стабилитрон для схемы на рис. 3 со следующими требованиями:

Итак, для начала рассчитаем значение сопротивления R. Минимальное напряжение на входе равно 11 В. При таком напряжении мы должны обеспечить ток на нагрузке не менее 100 мА (или 0,1 А). Закон Ома позволяет определить сопротивление резистора:

R Ц = U1 МИН / I Н.МАКС = 11 / 0,1 = 110 Ом То есть цепь для обеспечения заданного тока на нагрузке должна иметь сопротивление не более 110 Ом.

На стабилитроне падает напряжение 9 В (в нашем случае). Тогда при токе 0,1 А эквивалент нагрузки: R Э = U2 / I Н.МАКС = 9 / 0,1 = 90 Ом Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь сопротивление: R = R Ц – R Э = 110 – 90 = 20 Ом С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24 ). Но, так как стабилитрон потребляет небольшой ток, этим значением в большинстве случаев можно пренебречь.

Теперь определим максимальный ток через стабилитрон при максимальном входном напряжении и отключенной нагрузке. Расчёт нужно выполнять именно при отключенной нагрузке, так как даже если у вас нагрузка будет всегда подключена, нельзя исключить вероятность того, что какой-нибудь проводок отпаяется и нагрузка отключится.

Итак, вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении:

U R.МАКС = U1 МАКС – U2 = 15 – 9 = 6 В А теперь определим ток через резистор R из того же закона Ома: I R.МАКС = U R.МАКС / R = 6 / 20 = 0,3 А = 300 мА Так как резистор R и стабилитрон VD включены последовательно, то максимальный ток через резистор будет равен максимальному току через стабилитрон (при отключенной нагрузке), то есть I R.МАКС = I VD.МАКС = 0,3 А = 300 мА Нужно ещё рассчитать мощность рассеивания резистора R. Но здесь это мы делать не будем, поскольку данная тема подробно описана в статье Резисторы .

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем:

P МАКС = I VD.МАКС * U СТ = 0,3 * 9 = 2,7 Вт = 2700 мВт Мощность рассеяния – очень важный параметр, который часто забывают учесть. Если окажется, что мощность рассеяния на стабилитроне превысит максимально допустимую, то это приведёт к перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Хотя при этом ток может быть в пределах нормы. Поэтому мощность рассеяния как для гасящего резистора R, так и для стабилитрона VD нужно всегда рассчитывать.

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

U СТ = 9 В – номинальное напряжение стабилизации
I СТ.МАКС = 300 мА – максимально допустимый ток через стабилитрон
Р МАКС = 2700 мВт – мощность рассеяния стабилитрона при I СТ.МАКС

По этим параметрам в справочнике находим подходящий стабилитрон. Для наших целей подойдёт, например, стабилитрон Д815В.

Надо сказать, что этот расчет довольно грубый, так как он не учитывает некоторые параметры, такие, например, как температурные погрешности. Однако в большинстве практических случаев описанный здесь способ подбора стабилитрона вполне подходит.

Стабилитроны серии Д815 имеют разброс напряжений стабилизации. Например, диапазон напряжений Д815В – 7,4…9,1 В. Поэтому, если нужно получить точное напряжение на нагрузке (например, ровно 9 В), то придётся опытным путём подобрать стабилитрон из партии нескольких однотипных. Если нет желания возиться с подбором «методом тыка», то можно выбрать стабилитроны другой серии, например серии КС190. Правда, для нашего случая они не подойдут, поскольку имеют мощность рассеивания не более 150 мВт. Для повышения выходной мощности стабилизатора напряжения можно использовать транзистор. Но об этом как-нибудь в другой раз…

И ещё. В нашем случае получилась довольная большая мощность рассеивания стабилитрона. И хотя по характеристикам для Д815В максимальная мощность 8000 мВт, рекомендуется устанавливать стабилитрон на радиатор, особенно если он работает в сложных условиях (высокая температура окружающей среды, плохая вентиляция и т.п.).

Если необходимо, то ниже вы можете выполнить описанные выше рассчёты для вашего случая