Site Loader

Содержание

Линейный стабилизатор напряжения | Volt-info

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение. После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным.

При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.

Стабилизаторы напряжения на транзисторах: схема на стабилитроне

Радиоэлектронные устройства для нормальной работы требуют питания стабилизированным напряжением. Подходы к стабилизации различаются в зависимости от предъявляемых требований, потребляемой мощности нагрузки.

Стабилизатор переменного напряжения

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

  • Параметрические;
  • Компенсационные;
  • Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Простейшая конструкция содержит всего два элемента:

  • Стабилизирующий диод – стабилитрон;
  • Токоограничительный резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если дополнить конструкцию со стабилитроном эмиттерным повторителем, получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитроне с лучшими параметрами в отношении тока нагрузки.

В данной схеме напряжение на нагрузке определяется разностью между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.

Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Вst раз, где Вst – статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно еще больше увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема Дарлингтона

Схема параметрического стабилизатора напряжения на транзисторе обладает недостатками. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации конструкции в целом. Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума вызывает повышение выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0.6 Вольт, поскольку ток базы становится равным нулю).

Принципы расчета характеристик

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

  • Напряжение питания;
  • Ток нагрузки;
  • Выходное напряжение.

Порядок расчета:

  1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
  2. Выбирается ключевой элемент по критериям:
  • Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
  • Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
  • Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение эталонного (опорного) потенциала с выходным. Разница через контур отрицательной обратной связи поступает на базу ключевого транзистора, управляя величиной его открытия.

Точность стабилизации зависит от точности формирования опорного напряжения. Так как устройство сравнения потребляет малый ток, то опорный потенциал можно сформировать при помощи параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Компенсационная схема

Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя источник тока вместо токоограничительного резистора. В качестве такого источника наиболее удобно применять полевой транзистор. Компенсационные устройства обладают хорошими характеристиками, поэтому большинство производителей элементной базы выпускает готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимумом элементов.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Схема на двух транзисторах

Используя два транзистора, можно собрать схему компенсационного стабилизатора, в котором один из триодов является ключевым, а второй служит для управления обратной связью. Такая конструкция легко позволяет регулировать величину выхода. Правильный стабилизатор также должен предусматривать защиту от перегрузки.

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Видео

Стабилитроны в стабилизаторах напряжения — РАДИОСХЕМЫ

Позвольте уважаемые предложить ещё немного полезной теории, так как практических конструкций на сайте Радиосхемы более чем достаточно. Рассмотрим стабилитроны в стабилизаторах напряжения. При смещении в прямом направлении стабилитрон ведет себя как обычный кремниевый диод с PN переходом, позволяя току течь от анода к катоду. Но в отличие от обычного диода, который блокирует ток при обратном смещении, при достижении определенного порога обратного напряжения стабилитрон начинает проводить ток в противоположном направлении. Пороговое напряжение для этого явления и называется напряжением стабилитрона. Давайте проанализируем несколько аспектов моделирования этих типов схем, которые используются в качестве стабилизаторов напряжения.

Когда напряжение приложенное к стабилитрону превышает пороговое значение, характерное для данного элемента, возникает в области обеднения полупроводников процесс, известный как лавинный пробой. В результате через него протекает большой ток, который ограничивает дальнейшее повышение напряжения. Во время этого процесса создаются электрические заряды в результате столкновения свободных электронов с атомами полупроводника, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла и возможности необратимого повреждения устройства.

Но если диод изготовлен с очень тонкой и сильно легированной обедненной областью, можно генерировать обратный ток, создавая достаточно сильное электрическое поле в переходе. Этот процесс полностью обратимый и не повредит его. Точка на горизонтальной оси, от которой начинается стабилизация напряжения на стабилитроне, соответствует так называемому напряжению стабилитрона (VZ), значение которого может быть от единиц до нескольких сотен вольт. Наклон кривой проводимости и минимальное значение обратного тока, с которого запускается процесс, можно точно контролировать во время производственного процесса с допуском менее 1%, изменяя параметры легирования и изготовления.

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон обеспечивает гораздо более высокий уровень стабильности питания, чем может быть достигнут, например, с помощью одной только схемы выпрямителя и фильтрующего конденсатора. В частности, за счет соответствующего легирования полупроводников можно получить практически вертикальный наклон кривой, получая стабилизированное напряжение с незначительной и постоянной пульсацией, которая не изменяется при изменении входного напряжения.

Далее показана схема простейшего стабилизатора напряжения, основанного на стабилитроне. Использовался стабилитрон с VZ = 12 В, а значение последовательного резистора R можно определить по формуле, как показано на рисунке, где Vi — входное напряжение, Vo — стабилизированное выходное напряжение (в данном случае 12 В), а IL — ток, потребляемый нагрузкой.

Без нагрузки (IL = 0) весь ток из схемы будет проходить через стабилитрон, который, в свою очередь, рассеивает его до максимальной своей мощности. Следовательно необходимо тщательно выбирать значение последовательного сопротивления, чтобы не превышать максимальную мощность, которую стабилитрон может рассеять когда к нему не подключена нагрузка. Эта схема способна генерировать ток не более десятков миллиампер, она часто используется для смещения базы транзистора или в качестве входа в операционный усилитель, тем самым получая более высокий выходной ток от стабилизатора.

На схеме показан стабилизатор на шунтирующем транзисторе, способный увеличивать мощность, подаваемую на нагрузку. Выходное напряжение VO определяется формулой: VO = VZ + VBE.

Стандартные напряжения стабилитронов

В продаже представлены стабилитроны с характеристическим напряжением от чуть более 1 В до нескольких сотен вольт. Для каждого значения напряжения обычно доступно одно или несколько значений мощности в диапазоне от чуть менее 0,5 Вт до более 5 Вт. Среди наиболее распространенных семейств стабилитронов — серия маломощных BZX55 с напряжением VZ от 2,4 В до 75 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 500 мВт. Семейство силовых стабилитронов BZX85 также широко используется с напряжением VZ от 2,7 до 100 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 1300 мВт. Про отечественные Д814 и Д815 говорить смысла нет, так как они уже сошли с радиолюбительской сцены.

Регулятор напряжения со стабилитроном

А это показан простейший пример стабилизатора со стабилитроном. Транзистор подключен как повторитель напряжения, а выходное напряжение примерно на 0,7 В ниже напряжения стабилитрона. Резистор R должен быть выбран таким образом, чтобы стабилитрон всегда был правильно смещен, а базовый ток Q1 был достаточным для перевода его в проводящее состояние. Чтобы ток на стабилитроне не упал до значения, не позволяющего проявиться свойствам стабилитрона, маломощный транзистор 2N2222 можно заменить транзистором Дарлингтона.

Что такое стабилизатор напряжения? Это усилитель постоянного тока с низким выходным сопротивлением, усиливающий опорное напряжение.

Стабилитрон это опорное напряжение, а эмиттерный повторитель является усилителем постоянного тока с коэффициентом усиления меньше 1. Обычно тут применяют транзисторы, но можем добиться большего используя операционный усилитель в качестве усилителя постоянного тока. Так получим намного лучшие параметры стабилизатора.

Это схема — повторитель — с очень точным коэффициентом усиления 1. Вход неинвертирующий не потребляет ток, поэтому он не влияет на значение тока стабилитрона.

Можно конечно при необходимости сделать усилитель с коэффициентом усиления больше 1. Далее показана схема с коэффициентом усиления 3. Коэффициент
усиления определяется по формуле:

ku = R1 + R2 / R2

Тут Ku = 3. Таким образом, выходное напряжение равно + Uz x 3. Изменяя номиналы резисторов, можем изменить коэффициент усиления и можем установить желаемое выходное напряжение. Номиналы резисторов не являются критичными, они могут быть в диапазоне от 1k до 100k, потому что инвертирующий вход тоже не потребляет ток.

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах


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

Доброго дня уважаемые Радиолюбители! Сегодня на сайте “Радиолюбитель“, в разделе “Практикум начинающего радиолюбителя“, мы продолжим рассмотрение статьи “Источники питания радиолюбительских устройств“. 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.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стандартные напряжения стабилитронов

В продаже представлены стабилитроны с характеристическим напряжением от чуть более 1 В до нескольких сотен вольт. Для каждого значения напряжения обычно доступно одно или несколько значений мощности в диапазоне от чуть менее 0,5 Вт до более 5 Вт. Среди наиболее распространенных семейств стабилитронов — серия маломощных BZX55 с напряжением VZ от 2,4 В до 75 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 500 мВт. Семейство силовых стабилитронов BZX85 также широко используется с напряжением VZ от 2,7 до 100 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 1300 мВт. Про отечественные Д814 и Д815 говорить смысла нет, так как они уже сошли с радиолюбительской сцены.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h31э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h31э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h31 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,
  • выходное напряжение Uвых = 12V,
  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h31э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h31э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h31э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

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

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Принципы расчета характеристик

Параметрический стабилизатор напряжения

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

  • Напряжение питания;
  • Ток нагрузки;
  • Выходное напряжение.

Порядок расчета:

  1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
  2. Выбирается ключевой элемент по критериям:
  • Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
  • Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
  • Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.

Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.


Микросхема импульсных устройств

Что такое стабилитрон, где используется и какие бывают

Стабилитрон, или диод Зенера (по имени американского ученого, первым изучившим и описавшим свойства этого полупроводникового прибора), представляет собой обычный диод с p-n переходом. Его особенность – работа на участке характеристики с отрицательным смещением, то есть, когда напряжение прикладывается в обратной полярности. Используется такой диод в качестве самостоятельного стабилизатора, поддерживающего напряжение потребителя постоянным вне зависимости от изменения тока нагрузки и колебаний входного напряжения. Также узлы на стабилитронах применяются в качестве источников опорного напряжения для других стабилизаторов с развитой схемой. Реже диод с обратным включением используется в качестве элемента формирования импульсов или защитного ограничителя от перенапряжений.

Существуют обычные стабилитроны и двуханодные. Двуханодный стабилитрон — это два диода, включенные встречно в одном корпусе. Его можно заменить двумя отдельными приборами, включив их по соответствующей схеме.

↑ Схема и описание конструкции


Резистором R6 можно регулировать напряжение стабилизации от 6 до 16 В.
Было изготовлено два таких устройства. В первом варианте в качестве транзисторов VT1 и VT2 применены КТ803, но внутреннее сопротивление было слишком велико, так при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 8 А – 16 В.

Во втором варианте использованы составные транзисторы КТ827, так при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 10 А – 12,4 В.

Коллекторы транзисторов VT1 и VT2 электрически можно соединить с корпусом. Вентилятор М1 служит для охлаждения радиатора, на котором установлены транзисторы VT1 и VT2, при замыкании контактов выключателя SA1 увеличивается производительность вентилятора. Светодиод HL1 служит для индикации работы устройства.

Само устройство собрано в корпусе от компьютерного блока питания, использован штатный вентилятор М1, транзисторы VT1 и VT2 установлены на радиаторе площадью не менее 250 см кв. Диод VD1 на ток 10 – 20 А служит для защиты схемы от переполюсовки. Стабилитрон VD1 на напряжение стабилизации 3 – 6 В.

↑ Настройка

После проверки правильности монтажа, аналог мощного стабилитрона подключают к источнику тока на 1 – 2 А и резистором R6 устанавливают напряжение для разряженного кислотного аккумулятора, скажем 11 В. Увеличивают ток до 10 – 12 А, при этом напряжение не должно возрасти более чем на 0,5 В.


Внешний вид устройства

UR5YW, дядя Вася, г. Черновцы

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

naf-st >> Источники питания >> Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения — это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей — стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.



Рис. 1 — Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резик Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rбал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резике.

Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резика Rогр должно иметь определенное значение. Если напряжение Uвх гуляет от Umin до Umax, то для расчета Rогр можно воспользоваться формулой:

Rогр = (Uвх.ср — Uст)/(Iср + Iн),

где Uвх.ср = 0.5(Uвх.min + Uвх.max) — среднее значение напряжения источника, Iср. = 0.5(Imin + Imax) — средний ток стабилитрона, Iн = Uн/Rн — ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.

Коли все изменения напряжения источника гасятся в Rогр, то наибольшее изменение напряжения (Uвх. max — Uвх.min = ΔUвх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (Imax — Imin = ΔIст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

ΔUвх ≦ ΔIстRогр

Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от Rн.min до Rн.max. Для такого режима Rогр определяется по формуле:

Rогр = (Uвх — Uст)/(Iср + Iн.ср),

где Iн.ср = 0.5(Iн.min + Iн.max), причем Iн.min = Uст/Rн.max, а Iн.max = Uст/Rн.min.

Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).

К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.



Рис. 2 — Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.

Ахтунг: Как-то один препод втулял на полном серьезе, что схема на рисунке 2 — компенсационный стабилизатор напряжения. Тогда меня чуть не вывернуло. Не ведитесь на такую фигню. Про КСН чуть ниже. Там и будет понятно отличие ПСН от КСН.

Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки — как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону влепить кондер). Если параллельно стабилитрону влепить переменный (подстроечный) резик, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также влепить параллельно нагрузке кондер. Кондеров вообще можно повтыкать несколько штук, не повредит. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке втыкают кондер емкостью 0,01…1 мкФ. Это касается любых источников питания. В умных книжках пишут, что кондер должен быть керамический, хотя и бумажные, слюдяные, пленочные и прочие работают ничтяково.

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилка (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, втыкают составной транзистор. Составной транзистор — это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. На рисунке ниже это намного понятнее:



Это составной транзистор

И это составной транзистор

Теперь ясно? Вся фишка в том, что у составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. То есть берем два говяненьких транзистора с коэффициентом усиления, скажем, 100, делаем составной и получаем транзистор с коэффициентом передачи 10 000. Суть ясна?

Итак, для больших токов используют составные транзисторы, ну а для питания парочки микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Даже 315-е работают вполне удовлетворительно.

Бывает ешчё куча всяких схем ПСН, но наиболее употребительные две вышерассмотренные. Ну понятно, наверное, чтобы получить напряжение обратной полярности, просто переворачиваем стабилитрон вверх ногами (на рис. 1), а транзистор втыкаем другого типа проводимости (рис. 2; был n-p-n, ставим p-n-p). Полярность кондеров тоже необходимо поменять, не забывая при этом поменять полярность входного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки — КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.



Рис. 3 — КСН последовательного типа

РЭ — это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ — схема управления — собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача — усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д — делитель напряжения, ИОН — источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется — последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Короче, если, к примеру, напряжение на входе скакнуло, эта фигня, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. При рассмотрении принципиальной схемы все станет ясней.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 4.



Рис.4 — КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резике. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство — при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 5.



Рис.5 — Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все деталюшки. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резиков R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная. Но работает!

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резиком между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резик, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:



Рис. 6 — КСН

Эта схема содрана с блока питания магнитофона приставки «Карат МП-201С» и, как видно, отличие состоит лишь в кондерах и резике R1. Резиком R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение ( при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резика R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резик R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см2, т. к. и он может «пыхнуть».

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 5 и 6. В этих схемах транзисторы вылетают, как с добрым утром, если забыли изолировать коллектор (для тех, кто в танке, коллектор мощных транзисторов электрически соединен с корпусом транзистора или его частью для лучшего теплового контакта). На рисунке 7 эта схема и показана. Схема слизана с журнала Радио аж за 1984 год (Радио №12/1984).



Рис. 7 — КСН с «холодным» коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя — КТ815 и КТ819. Недостаток схемы — меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 6. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель . Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

Другие схемы не только по этой теме будут постепенно накапливаться в отдельном разделе; назовем его «каталог схем».

Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне

Параметрические стабилизаторы

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 импульсные стабилизаторы 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

Особенности расчета параметрического стабилизатора 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 Uст и пределы его изменения ΔUст;
  • номинальный ток Iном и пределы его изменения Iст min . Iст max;
  • максимальная допустимая мощность рассеивания Pдоп = Uст×Iст max;
  • дифференциальное сопротивление на рабочем участке rd;
  • температурный коэффициент напряжения (ТКН) αT.

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 αT = 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.

Дата последнего обновления файла 07.06.2015

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Стабилитрон (wikipedia)
  6. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне (http://www.radiohlam.ru/)
  7. КС147А стекло, Кремниевый стабилитрон малой мощности (chipdip.ru/)

Вместе со статьей «Параметрические стабилизаторы» читают:

Радиолюбитель

Последние комментарии

  • Pit на Компьютер – осциллограф, генератор, анализатор спектра
  • Владислав на Новогодние схемы
  • Алек на Светодиодный ночник
  • Владимир на Программа “Компьютер – осциллограф”
  • ДЕМЬЯН на Регулируемый блок питания 0-12 В на транзисторах

Радиодетали – почтой

Параллельный параметрический и последовательный стабилизаторы напряжения

Параллельный параметрический и последовательный стабилизаторы напряжения

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

Доброго дня уважаемые Радиолюбители!
Сегодня на сайте “Радиолюбитель“, в разделе “Практикум начинающего радиолюбителя“, мы продолжим рассмотрение статьи “Источники питания радиолюбительских устройств“. 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.

Параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне

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 значенияIст 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 “TBFEdit” – справочник по радиодеталям“ 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, Color And Code, 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:

Как рассчитать параметры такого стабилизатора. Первое и самое главное, что нужно запомнить:

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

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 (h21э) раз (где β (h31э) – 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 (h21э) не менее 10 (β (h21э)=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.

Параметрический стабилизатор — типичные расчеты схемы

В маломощных схемах на нагрузку до 20 миллиампер применяется устройство с малым коэффициентом действия, и называется параметрическим стабилизатором. В устройстве таких приборов имеются транзисторы, стабилитроны и стабисторы. Они применяются в основном в компенсационных устройствах стабилизации в качестве опорных источников питания. Параметрические стабилизаторы в зависимости от технических данных могут быть 1-каскадными, мостовыми и многокаскадными.

Стабилитрон в устройстве прибора подобен подключенному диоду. Но обратный пробой напряжения больше подходит для стабилитрона и является базой его нормальной работы. Эта характеристика нашла популярность для разных схем, где необходимо создавать ограничение сигнала входа по напряжению.

Такие стабилизаторы являются быстродействующими приборами, и защищают участки с повышенной чувствительностью от импульсных помех. Применение таких элементов в новых схемах является показателем их повышенного качества, которое обеспечивает постоянное функционирование в разных режимах.

Схема стабилизатора

Базой этого прибора является схема подключения стабилитрона, применяющаяся и в других видах приборов вместо источника питания.

Схема включает в себя делитель напряжения из балластного сопротивления и стабилитрона, к которому параллельно подключена нагрузка. Устройство выравнивает напряжение на выходе при переменном питании и нагрузочном токе.

Действие схемы происходит следующим образом. Напряжение, повышающееся на входе прибора, вызывает повышение тока, который проходит через сопротивление R1 и стабилитрон VD. На стабилитроне напряжение остается постоянным из-за его вольтамперной характеристики. Поэтому не меняется и напряжение на нагрузке. В итоге все преобразованное напряжение будет приходить на сопротивление R1. Такой принцип действия схемы позволяет сделать расчет всех параметров.

Принцип действия стабилитрона

Если стабилитрон сравнивать с диодом, то при подключении диода в прямом направлении по нему может проходить обратный ток, который имеет незначительную величину в несколько микроампер. При повышении обратного напряжения до некоторой величины возникнет пробой электрический, а если ток очень велик, то произойдет и тепловой пробой, поэтому диод выйдет из строя. Конечно, диод может работать при электрическом пробое при снижении тока, проходящего через диод.

Стабилитрон спроектирован так, что его характеристика на участке пробоя имеет повышенную линейность, а разность потенциалов пробоя достаточно стабильна. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона выполняется при его функционировании на обратной ветви свойства тока и напряжения, а на прямой ветке графика стабилитрон работает как обычный диод. На схеме стабилитрон обозначается:

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

  • Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
  • Наибольший допустимый ток стабилизации. Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
  • Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
  • Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

Расчет параметрического стабилизатора

Добротность функционирования прибора вычисляется по коэффициенту стабилизации, который вычисляется по формуле: Кст U = (ΔUвх / Uвх) / (ΔU вых / Uвых).

Далее расчет стабилизатора с применением стабилитрона производится в сочетании с балластным резистором в соответствии с типом применяемого стабилитрона. Для расчета используются рассмотренные ранее параметры стабилитрона.

Определим порядок расчета на примере. Возьмем исходные данные:

  • U вых=9 В;
  • I н =10мА;
  • ΔI н = ±2мА;
  • ΔU вх = ± 10% Uвх

По справочнику подбираем стабилитрон Д 814Б, свойства которого:

  • U ст = 9 В;
  • I ст. макс = 36 мА;
  • I ст. мин = 3 мА;
  • R д = 10 Ом.

Далее вычисляется входное напряжение: Uвх = nст *Uвых, где nст – коэффициент передачи. Функционирование стабилизатора станет эффективнее, если этот коэффициент будет в пределах 1,4-2. Если nст =1,6, то U вх= 1,6 * 9 = 14,4 В.

На следующем шаге производится расчет балластного резистора. Используется формула: R о = (U вх – U вых) / (I ст + I н). Величина тока I ст выбирается: I ст ≥ I н. При изменении U вх на величину Δ Uвх и Iн на ΔIн, не может быть больше тока стабилитрона величин I ст. макс и I ст. мин. Поэтому, I ст берется в качестве среднего допустимой величины в этом интервале и равно 0,015 ампер.

Значит, балластный резистор равен: R о = (14,4 – 9)/(0,015+0,01 )= 16 Ом. Ближнее стандартное значение составляет 220 Ом. Для выбора типа сопротивления, выполняется расчет рассеиваемой мощности на корпусе. Применяя формулу Р = I*2 R о, определяем величину Р = (25*10-3) * 2 * 220 = 0,138 ватт. Другими словами, стандартная мощность сопротивления равна 0,25 ватт.

Поэтому лучше подойдет сопротивление МЛТ — 0,25 — 220 Ом. После осуществления расчетов необходимо проверить правильность выбора режима действия стабилитрона в схеме параметрического прибора. В первую очередь определяется его наименьший ток: Iст. Мин = (U вх – ΔU вх – U вых) / Rо – (I н + ΔI н), с практическими параметрами определяется величина I ст.мин = (14,4–1,44–9) * 103 / 220–(10+2) = 6 миллиампер.

Такая же процедура производится для вычисления наибольшего тока: I ст. макс=(Uвх+ΔUвх–Uвых)/Rо–(Iн–ΔIн). По исходным параметрам, наибольший ток составит: Iст.макс=(14,4 + 1,44 – 9) * 103 / 220–(10 – 2)=23 миллиампер. Если в результате вычисленные значения наименьшего и наибольшего тока превосходят допустимые границы, то необходимо заменить I ст или резистор R о. Иногда требуется замена стабилитрона.

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 h31e, 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.

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Приведена техника упрощенного расчета параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h31э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h31э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h31 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,
  • выходное напряжение Uвых = 12V,
  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h31э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h31э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h31э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схема на составном транзисторе

Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h31э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4). В такой схеме общий h31э будет примерно равен произведению h31э обоих транзисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на основе составного транзистора.

Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,ЗV.

Это нужно учесть при выборе стабилитрона, — его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,ЗV больше требуемого выходного напряжения.

К тому же появился резистор R2. Его назначение — подавлять реактивную составляющую транзистора VТ2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе.

Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.

МАЛОМОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ — КиберПедия

 

Генераторы тока. Генератор тока (рис, 16.11, а) построен на основе принципа стабилизации базового напряжения в транзи­сторе. Напряжение на резисторе R1 при изменении Е будет опреде­ляться опорным напряжением стабилитрона. Зависимость выходного тока от Е приведена на графике. Коэффициент стабилизации ДE/ДI=26.

Значительно более высокий коэффициент стабилизации у дру­гого генератора тока (рис. 16.11, б) — более 57. Коэффициент ста­билизации возрастает, если увеличить ток, протекающий через ста­билитроны. Следует иметь в виду, что при плавной установке на­пряжения Е схема может оказаться в закрытом состоянии. Для ее запуска служит резистор R3.

Стабилизатор напряжения с ОС. В основу стабилизатора на­пряжения (рис. 16.12) положен стабилизатор тока, работающий на стабилитрон. Коллекторный ток транзистора VT2 протекает через стабилитрон VD4 и сопротивление нагрузки. Значение этого тока определяется резистором R4 и опорным напряжением стабилитрона VD2. Диод VD3 служит для термостабилизации. Поскольку ток потребляемый внешней нагрузкой (Rн1 и RН2), может меняться вы­ходное напряжение стабилизатора будет нестабильным. Для стаби­лизации этого напряжения часть тока нагрузки протекает через транзистор VTL Этот ток создает падение напряжения на рези­сторе R2, которое меняет эмиттерный ток транзистора VT2. В ре­зультате ток, протекающий через стабилитрон VD4, остается посто­янным. Таким образом отслеживаются изменения внешней на­грузки.

Транзисторная модель низковольтного стабилитрона. Стабилит­рон, собранный и.а двух транзисторах разных типов проводимости (рис. L6.13), позволяет получить стабилитрон с опорным напряже­нием 0,9 В. Внутреннее сопротивление эквивалентного стабилитрона менее 10 Ом. Максимально допустимый ток составляет 30 мА. Этот параметр определяется током транзисторов. Если применить более мощные транзисторы, то ток можно увеличить до сотен миллиам­пер. Применение германиевых транзисторов вместо кремниевых снижает опорное напряжение на 0,4 В.

Рис. 16.11

 

Стабилизатор низковольтного напряжения. Выходное напряже­ние стабилизатора (рис. 16.14) оп-ределяетсй падением напряжения на переходе база — эмиттер тран­зистора VT2. Для кремниевых транзисторов выходное напряже­ние равно приблизительно 0,7 В, а для германиевых — 0,3 В. Мак­симальный ток стабилизации оп­ределяется допустимой рассеивае­мой мощностью транзистора VT1. Коэффициент стабилизации составляет 102. Схема не термостабилизирована. Выходное напряже­ние меняется с коэффициентом 1 мВ/град. Если в базу транзистора VT2 включить стабилитрон, то выходное напряжение будет равно опорному напряжению стабилитрона.

Рис. 16.12 Рис. 16.14

 

Рис. 16.15

 

Кольцевой стабилизатор опорного напряжения.Стабилизатор опорного напряжения (рис. 16.15, а) имеет замкнутую систему ста­билизации тока, протекающего через транзисторы. Диод VD1 ста­билизирует ток транзистора VT1, а диод VD2 — ток транзистора VT2. Каждый диод питается постоянным током. Коэффициент ста­билизации выходного напряжения более 400. Он зависит от сопро­тивления резистора R1. При увеличении сопротивления R1 коэффи­циент увеличивается. Для R1= 00 кОм можно получить коэффициент более 103. Однако с увеличением этого сопротивления возмож­ны случаи, когда стабилизатор не включается. Здесь существенную роль играет неуправляемый ток коллектора транзисторов Кроме того, коэффициент стабилизации увеличивается с увеличением тока протекающего через стабилитроны. Степень увеличения- коэффици­ента стабилизации можно определить, если учесть вольт-амперную характеристику стабилитрона С применением стабилитронов типа Д818Е при токе более 10 мА коэффициент стабилизации может быть увеличен 105. В интервале температур от — 20 до +60°С ста­билизатор обеспечивает стабильность порядка 10-6 В/град На графиках рис. 16.15, б, в проиллюстрирована работа стабилиза­тора.

Рис. 16.16

 

Рис. 16.17

Рис. 16.18 (а — и)

Генератор, тока со следящей ОС.Опорное напряжение стабили­затора (рис. 16.16, о) устанавливается стабилитроном VD1 через который протекает ток транзистора VT1. Для уменьшения выход­ного сопротивления стабилизатора в генератор введен эмиттерный повторитель на транзисторе VT3. Кроме того, этот транзистор сле­дит за изменением тока транзистора VT1 при изменении сопротив-,ления резистора R1. Однако большой ток нагрузки может вызвать значительный коллекторный ток транзистора VT1, который превы­сит предельно допустимое значение для стабилитрона, В качестве ограничителя тока стабилитрона служит транзистор VT2. Этот транзистор осуществляет ООС при изменении тока в цепи нагрузки Генератор удовлетворительно работает при незначительных превы­шениях питающего напряжения над опорным напряжением стаби­литрона. Коэффициент стабилизации схемы растет с уменьшением сопротивления резистора RL На графиках рис. 16.16, б, в проиллю­стрирована работа схемы.

 

Рис. 16.18 к

 

Низковольтный регулируемый стабилитрон. Составной каскад на двух транзисторах разной проводимости (рис. 16.17) по своим характеристикам подобен стабилитрону. С помощью резистора R2 можно устанавливать опорное напряжение. При малых напряжени­ях на входе через транзистор VT1 протекает незначительный ток. Этот ток не способен открыть транзистор VT2. С увеличением на­пряжения ток становится настолько существенным, что открывает ся транзистор VT2 и при этом уменьшается его выходное сопротив­ление. Напряжение, с которого начинают открываться оба транзи­стора, определяется резистором R2. С помощью эквивалентного стабилитрона можно устанавливать опорное напряжение от 1 до 4 В. При R3 — 25 кОм опорное напряжение составляет 3,5 В.

 

МИКРОСХЕМНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

 

Микросхемные стабилизаторы.Интегральные микросхемы К275ЕН1 — К275ЕН16А, Б делятся на две группы: группа А имеет разброс выходного напряжения 1,5%, а группа Б — 2,5%. Основ­ные параметры микросхем приведены в табл. 16.1, где Ки— коэф­фициент нестабильности по напряжению, Ki — коэффициент неста­бильности по току; fвx — минимальное входное напряжение; Iвых — выходной ток. Схемы стабилизатороб серии К275 представ­лены на рис. 16.18, ад.

Интегральные микросхемы К403ЕН1 — К403ЕН8 делятся на две группы: группа. А имеет нестабильность по напряжению и по току 0,01%, а группа Б — 0,05%. Температурный коэффициент напря­жения равен ±0,05 %. Разброс выходного напряжения 2 %. Мини­мальный ток нагрузки 0,05 А. Рассеиваемая мощность без теплоот-вода 1 Вт, а с теплоотводом — 15 Вт. Параметры микросхем при­ведены в табл. 16.2, где Uвых — выходное напряжение; (7Bi — вход­ное напряжение, Iн — предельный ток нагрузки.

Таблица 16.1

Тип микросхемы Uвых, В K0 % Ki % Uвг, В Iвых. мА Рис. 16.18
К275ЕН1 + 1,2 0,01 0,01 а
К275ЕН2 + 2,4 0.01 0,04 а
К274ЕНЗ + 3 0,005 0,01 6,5 а
К275ЕН4 + 4 0,002 0,005 7,5 б
К275ЕН5 + 5 0,02 0,003 8,5 б
К275ЕН8 + 6,3 0,002 0,003 9,5 б
К275ЕН9 — 6,3 0,002 0,003 9,5 в
К275ЕН10 + 9 0,002 0,002 12,5 д
К275ЕН13 + 12,6 0,002 0,002 д
К275ЕН14 — 12,6 0,002 0,002 г
К275ЕН15 + 15 0,002 0,002 18,5 д
К275ЕН16 +24 0,002 0,002 27,5 д

 

Микросхему можно включать без защиты от к. з., с защитой от к. з., с двумя источниками, с подключением шунтирующего резисто­ра для уменьшения (увеличения) выходного напряжения в преде­лах 10 %, (рис. 16.18, е — з).

Интегральные микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2 применяют как стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением. Микросхе­ма К142ЕН1 при токе нагрузки 50 мА имеет на выходе напряжение 3 В при входном напряжении 10 В, а при входном напряжении 20 В выходное напряжение равно 12 В. Микросхема К142ЕН2 при токе нагрузки 50 мА имеет Uвх=20 В, UВЫх=12 В и Uвх = 40 В, Uвых=30 В. Принципиальная схема показана на рис. 16.18, и, схе­мы включения стабилизатора приведены на рис. 16.18, к. Резистор R2 стоит в цепи схемы защиты. Сопротивление этого резистора равно R2 = Uвых/Iвых мах. Резистор R3 определяется выражением R3= (Uвых+0,5)/0,3. Стабилизатор может выключаться внешним сигналом, который подается на вывод 9. По этой цепи должен про­текать ток 0,5 — 1 мА.

 

Таблица 16.2

Тип микросхемы Uвых. В Uвх, В Iн, А Рис. 16 18
К403ЕНГ 11 — 17 Ж
К403ЕН2 12 — 18 Ж
К403ЕНЗ 15 — 22 1,5 Ж
К403ЕН4 18 — 27 1,5 Ж
К403ЕН5 21 — 31 1,5 3
К403ЕН6 30 — 45 1,0 3
К403ЕН7 33 — 50 1,0 3
К403ЕН8 36 — 54 1,0 3

Рис. 16.19

 

Стабилизатор на интегральной микросхеме К181ЕН1. Микро­схема (рис. 16.19, а) работает с входным напряжением 9 — 20 В. Выходное напряжение равно 3 — 15 В. Максимальный ток стабили- зации 150 мА. Коэффициент нестабильности по напряжению 7-10-3, а по току — 8*10-3. Температурный дрейф выходного напряжения равен 0,01 % на градус. Ток короткого замыкания составляет 0,4 А. На рис. 16.19, б — г показаны зависимости коэффициента стабилиза­ции напряжения от выходного и входного напряжений и от тока нагрузки. Схема включения микросхемы показана на рис. 16.19, д, е. В первой схеме UВых=1,5(R1+R2). Вторая схема имеет защиту от короткого замыкания. Сопротивление резистора R1 определяется выражением R1 = 0,7/1,5 Iвых.

 

МОЩНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

 

Простой компенсационный стабилизатор. Выходное напря­жение стабилизатора (рис. 16.20, а) равно 12,6 В. Значение этого напряжения устанавливается с помощью резистора R5. Опорное на­пряжение стабилитрона определяет минимальный уровень выходно­го напряжения. Для эффективной работы стабилизатора на коллекторе усилительного транзистора VT3 устанавливается среднее ме­жду опорным и входным напряжение.

Рис. 1620

 

Коэффициент стабилизации схемы определяется усилительными свойствами транзистора VT3 и сопротивлением резистора R1. Коэф­фициент стабилизации можно определить по характеристикам, от­ражающим зависимость выходного напряжения от входного, при этом он зависит от значения входного напряжения. Максимальный ток стабилизации определяется регулирующими транзисторами VT1 и VT2. Он ограничен мощностью, рассеиваемой транзистором VT1. При больших выходных токах наблюдается уменьшение коэф­фициента стабилизации, что связано с шунтирующим действием со­ставного эмиттерного повторителя, оказываемым на усилительный транзистор VT3. За счет падения напряжения на переходах база — эмиттер транзисторов VT1 и VT2 выходное напряжение уменьшает­ся с увеличением тока нагрузки. Работа стабилизатора проиллю­стрирована графиками рис. 16.20, б, в.

Стабилизатор на интегральной микросхеме КН2ЕН2Б.На вы­ходе стабилизатора (рис. 16.21) напряжение равно 5 В. Максималь­ный ток нагрузки 5 А. Выходное напряжение устанавливается по­тенциометром R8. Входное напря­жение может меняться в пределах от 6 до 15 В. Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания по выходу и от перегрузок, рабо­та которой осуществляется управ­лением через вывод 10 микро­схемы.

Увеличение мощности, отда­ваемой стабилизатором.Стабили­затор {рис. 16.22) построен на фиксированное напряжение 6,3 В. Опорное напряжение определяется двумя стабилитронами VD1 и VD2. Сумма опорных напряжений ста­билитронов определяет выходное напряжение стабилизатора. Выходной ток стабилизатора определяется резистором R2. Он может превышать предельно допустимое значение для транзистора VT1

Рис. 16.21 Рис. 16.22

 

Если на входе напряжение Е достигнет максимального значе­ния, то выходной ток стабилизатора протекает через резистор R2. Транзистор VT1 будет закрыт. При минимальном же значении (£»U) через резистор R2 ток не протекает. Выходной ток стаби­лизатора идет через транзистор VT1. В результате на транзисторе VT1 не рассеивается мощность: в первом случае — есть напряже­ние, нет тока, во втором случае — есть ток, нет напряжения. Для промежуточного состояния на транзисторе рассеивается мощность, которая в 4 раза меньше мощности, отдаваемой стабилизатором.

Стабилизатор на дифференциальном каскаде.Стабилизатор (рис. 16.23) имеет фиксированное выходное напряжение. Лишь в небольших пределах (±10%) его можно менять потенциометром R6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 выпол­няет стабилизирующие функции. Регулирующим элементом являет­ся составной повторитель на транзисторах VT1 и VT2.

Стабилизатор на составном регулирующем каскаде. Выходное напряжение стабилизатора (рис. 16.24, а) можно регулировать в пределах от 10 В до Е. Коэффициент стабилизации схемы зависит от входного напряжения. В стабилизаторе усилитель с ООС постро­ен на двух транзисторах VT3 и VT4. На базу транзистора VT4 по­дается опорное напряжение, а на базу транзистора VT3 — часть выходного напряжения. Основные характеристики стабилизатора приведены на рис. 16.24, б, в.

Рис. 16.23

Рис. 16.24

 

Стабилизатор с генератором тока. В стабилизаторе (рис. 16.25, а) опорное напряжение формируется на стабилитроне VD2, который питается от генератора постоянного тока, построенного на транзи­сторе VT1. Коллекторный ток транзистора задается стабилитро­ном VD1. Для увеличения коэффициента стабилизации при вход­ном напряжении 10 В необходимо уменьшить сопротивление рези­стора R2, увеличить тек через стабилитрон VD1. Поскольку ток че­рез стабилитрон VD2 постоянен, то при увеличении тока на выходе стабилизатора напряжение на этом стабилитроне будет также ме­няться в связи с изменением тока базы транзистора VT3. На рис. 16.25,6 приведена зависимость изменения выходного напря­жения от входного напряжения. Изменение выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки показано на рис. 16.25, в.

Стабилизатор с ООС. Стабилизатор (рис. 16.26, а) имеет фик-снрвпанное выходное напряжение 12,6 В. Опорное напряжение устанавливается на стабилитроне VD1. Это напряжение передается на выход через транзисторы, выполняющие функции повторителя. Транзистор VT2 включен по схеме усилителя с ОБ, а транзистор VT1 оеуществляст полную ООС. Коэффициент стабилизации зави­сит от входного напряжения. Работа стабилизатора проиллюстри­рована на графиках рис. 16.26, б, в.

Рис. 16.25

Регулируемый стабилизатор на составной каскаде. Стабилиза­тор (рис. 16.27, а) имеет регулируемое выходное напряжение. Оно меняется от 0 до 10 В. Регулировка напряжения осуществляется потенциометром R2. Между стабилитроном VDJ и регулирующим транзистором VT3 введены два транзистора, которые выполняют разные функции. Транзистор VT1 является эмиттерным повтори­телем, а транзистор VT2 — усилителем с ОБ, который охвачен пол­ной ООС. Совместно с транзистором VT3 транзистор VT2 имеет коэффициент передачи тока, равный единице. Работа стабилизато­ра отображена на графиках рис. 16.27, б, в.

Рис. 16.26

 

Регулируемый стабилизатор на генераторе тока. Стабилизатор (рис. 16.28, а) имеет регулируемое выходное напряжение от 0 до 12,6 В. Опорное напряжение устанавливается на стабилитроне VD2. Рабочая точка стабилитрона определяется генератором тока, по­строенным на транзисторе VT3. Ток задается эмиттерным резисто­ром R3 и напряжением на базе, которое устанавливается на стаби­литроне VD1. Ток через стабилитрон VD1 (устанавливается транзи­стором VT4) протекает через базовую цепь транзистора VT2, кото­рый совместно с транзистором VT1 выполняет функции регулирую­щего каскада. Транзистор VT2 включен по схеме усилителя, охва­ченного через транзистор VT1 полной ООС. Отрицательная обрат­ная связь распространяется и на транзисторе VT4. В результате транзистор VT4 выполняет двойную роль: входит в каскад сложно­го регулирующего элемента и выполняет функции токозадающего элемента в образовании стабильного опорного напряжения. На графиках рис. 16.28, б, в отражены характеристики стабилитрона.

 

Рис. 16.27

Рис. 16.28

Схема с двойной стабилизацией. Схема стабилизатора (рис. 16.29, а) имеет усилительный каскад с большим сопротивлением нагрузки. В коллекто транзистора VT4 включен генератор тока, построенный на транзисторе VT3. Коллекторн-ый ток этого транзистора задается напряжением на диоде VDL Для устранения возбуждения схемы включен конденсатор С. Составной повторитель на транзисторах VT1 и VT2 обеспечивает выходной ток стабилиза­тора. При увеличении выходного тока стабилизированное напряже­ние несколько уменьшается. Это связано с падением напряжения на переходах база — эмиттер транзисторов. Зависимость изменения выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки и входного напряжения показаны на рис. 16.29, б, в.

Схема с динамической нагрузкой регулирующего каскада. Вы­ходное напряжение стабилизатора (рис. 16.30, а) снимается с эмиттера транзистора VT1, рассеиваемая мощность которого опре­деляет ток нагрузки. Для увеличения коэффициента стабилизации в коллектор регулирующего транзистора VT2 включена динамиче­ская нагрузка — транзистор VT2. Для запуска стабилизатора слу­жит резистор R1, который позволяет также скомпенсировать изме­нения выходного напряжения. Поскольку транзисторы VT1 и VT2 охвачены ПОС, то установка тока нагрузки осуществляется под­бором резисторов R2 и R3. Резистор R2 включен для ограничения коллекторного тока транзистора VT2. Меняя сопротивление рези­стора R3, можно добиться необходимой зависимости коллекторного тока транзистора VT2 от тока нагрузки при изменении номинала выходного напряжения стабилизатора. Поскольку базовый ток тран­зистора VT1 равен разности коллекторных токов транзисторов VT2 и VT3, то при увеличении тока нагрузки, вызывающего уменьшение выходного напряжения, ток транзистора VT2 возрастет, а базовый ток VT3 уменьшится. В результате ток транзистора VT1 увеличится и скомпенсирует уменьшение напряжения. На рис. 16.30, б, в пред­ставлены графики, характеризующие работу стабилизатора.

Рис 16.29

Рис. 16.30

 

Стабилизатор с автокомпенсацией.В стабилизаторе (рис. 16.31, а) опорное напряжение устанавливается на диодах VD2 и VD3 с по­мощью генератора тока на транзисторе VT1. Транзистор VT2 также является генератором тока. Этот транзистор выполняет функции динамической нагрузки в усилительном каскаде. Регулирующий каскад собран на транзисторах VT3 и VT4. Для уменьшения изме­нений выходного напряжения стабилизатора с увеличением тока на­грузки ток транзистора VT3 должен протекать через диод VD2. Изменение напряжения на этом диоде компенсирует падение напря­жения на переходах база — эмиттер регулирующих транзисторов. В зависимости от прямого сопротивления диода компенсация изме­нения выходного напряжения стабилизатора может быть различ­ной. Зависимость изменений выходного напряжения от входного по­казана на рис. 16.31, б. На рис. 16.31, в показана область возмож­ных значений этих изменений.

Рис. 16.31

Рис. 16.32

 

Стабилизатор с защитой от короткого замыкания. При подаче напряжения на вход стабилизатора (рис. 16.32) транзистор VT2 открыт и в его коллекторе существует напряжение 5 В, которое не проходит через стабилитрон VD1. Транзистор VT1 закрыт. В от­крытом состоянии транзистор VT2 находится из-за того, что вы­ходное напряжение стабилизатора превышает опорное напряжение стабилитронов VD3 и VD4. На резисторе R7 будет напряжение око­ло 5 В. Транзисторы VT3VT5 работают в режиме стабилизации выходного напряжения. При коротком замыкании стабилизатора резко падает выходное напряжение. Оно будет меньше опорного напряжения стабилитронов VD3 и VD4. В базе транзистора VT2 присутствует нулевой потенциал. Транзистор VT2 закроется. На его коллекторе возрастет напряжение, которое превысит опорное напряжение стабилитрона VD1. Через стабилитрон потечет ток, ко­торый откроет транзистор VT1. Напряжение в коллекторе транзи-бтора VT5 упадет до нуля. Транзисторы VT3 и VT4 будут защище­ны от короткого замыкания.

 

СТАБИЛИЗАТОРЫ С ЗАЩИТОЙ

 

Коллекторный стабилизатор.В этом стабилизаторе (рис. 16.33, а) реализуются высокая стабильность выходного напря­жения и защита схемы от короткого замыкания. Опорное напря­жение устанавливается с помощью стабилитрона VD1 через рези­стор R1. Это напряжение подается на базу транзистора VT2, через который протекает ток, определяемый резистором R2. Коллекторный ток транзистора VT2 открывает транзистор VT1. На выходе уста­навливается напряжение, равное напряжению на эмиттере транзи­стора VT2. Короткое замыкание на выходе схемы (резкое умень­шение выходного напряжения) повлечет за собой увеличение кол­лекторного тока транзистора VT1. Максимально возможный ток нагрузки будет определяться h21Этранзистора VT1 и максимальным током транзистора VT2, зависящим от сопротивления резистора Д2. При коротком замыкании через транзистор VT1 протекает большой коллекторный ток. Для ограничения рассеиваемой мощности этим транзистором выбирается соответствующее сопротивление резистора R2. Работа стабилизатора отражена на графиках рис 16 33 б в

Рис. 16.33

 

Стабилизатор с параллельной схемой защиты от перегрузкиВ стабилизаторе (рис. 16.34, а) выходное напряжение устанавлива­ется в коллекторе транзистора VT1. Составной эмиттерный повто­ритель образован транзисторами VT2 и VT3. Подбором резистора R4 можно добиться коэффициента стабилизации более 103.

Для защиты стабилизатора от перегрузок на выходе включен резистор R6. Ток нагрузки создает падение напряжения на этом резисторе. Это напряжение открывает транзистор VT5. Для увели­чения порога открывания транзистора VT5 включен диод VD2 Коллекторный ток транзистора VT5 открывает транзистор VT4, который уменьшает напряжение в базовой цепи составного эмиттер­ного повторителя. В результате напряжение на выходе уменьшает­ся. На рис. 16.34, б представлена зависимость выходного напряже­ния от тока нагрузки.

Стабилизатор с последовательной схемой защиты от пере­грузки. Для защиты стабилизатора (рис. 16.35, а) от перегрузок в нее введен транзистор VT4, который открывается, когда напря­жение на резисторе R6 превышает 0,4 В. Протекающий коллектор­ный ток транзистора VT4 уменьшает напряжение на базе составно­го эмиттерного повторителя. Выходное напряжение стабилизатора определяется напряжением на коллекторе транзистора VT3. Изменение выходного напряжения от тока нагрузки показано на рис. 16.35, б.

Рис. 16.34

Рис. 16.35

 

Стабилизатор с отрицательным коэффициентом стабилизации.Стабилизатор напряжения (рис. 16.36, а) построен по схеме состав­ного эмиттерного повторителя. Опорное напряжение устанавливает­ся на коллекторе транзистора VT3. Это напряжение имеет отрица­тельный коэффициент стабилизации: с увеличением входного на­пряжения опорное напряжение уменьшается. С помощью резистора R4 можно менять коэффициент стабилизации. При некоторых со­противлениях резистора R4 зависимость ДU=f(E) может иметь го­ризонтальный участок для E=14 В (рис. 16.36, б). Для стабилиза­тора с фиксированным выходным напряжением 12,6 В горизонталь­ный участок начинается при напряжении E=19 В. На рис. 16.36, в представлена зависимость ДU от тока нагрузки.

Стабилизатор с динамическим опорным напряжением.В схему стабилизатора (рис. 16.37, а) введен ограничивающий резистор R6. Падение напряжения на этом резисторе через транзистор VT2 передается в каскад формирования опорного напряжения. Эта ОС позволяет увеличивать выходное напряжение стабилитрона с уве­личением тока нагрузки или поддерживать это напряжение посто­янным со сколь угодно высокой точностью. При больших токах нагрузки на резисторе R5 падает значительная часть входного на­пряжения. Транзистор VT3 входит в насыщение. Напряжение на выходе уменьшается с уменьшением сопротивления нагрузки (рис. 16.37, б).

Рис. 16.36

Рис. 16.37

 

Стабилизатор с управляемым опорным напряжением. В стаби­лизаторе (рис. 1(5.38, а) опорное напряжение устанавливается на коллекторе транзистора УТ1. В зависимости от сопротивления ре­зистора R4 опорное напряжение может иметь положительный или отрицательный коэффициент стабилизации. Опорное напряжение че­рез составной повторитель подается на выход стабилизатора. При увеличении тока в нагрузке выходное напряжение уменьшается из-за падения напряжения на переходах база — эмиттер. Включение на выходе, стабилизатора резистора R6 и транзистора VT4 изменяет зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Выходное напряжение будет увеличиваться с увеличением тока нагрузки, по­скольку с увеличением падения напряжения на резисторе R6 от­крывается транзистор VT4, который своим коллекторным током за­крывает транзистор VТ1. Напряжение в коллекторе этого транзи­стора увеличиваемся (рис. 16.38, б).

Рис. 16.38 Рис. 16.39

 

Уменьшение пульсаций опор­ного напряжения. Стабилизатор (рис. 16.39) имеет дополнитель­ный выпрямитель для уменьшения пульсаций в коллекторе усили­тельного транзистора VT3. Пуль­сирующее входное напряжение заряжает конденсатор С1 через диод VD1 до максимального зна­чения. На выходе выпрямителя включен стабилизатор напряже­ния на стабилитроне VD2 с на­пряжением стабилизации 8 В.

Стабилизатор обеспечивает коэффициент стабилизации около 100 при токе нагрузки до 0,8 А.

Ослабитель переменной составляющей. Стабилизатор (рис. 16.40) уменьшает переменную составляющую на фильтрующем конденсаторе С1. Пульсирующее напряжение в т. 1 ограничивается на ста­билитроне VD1. Ограничение напряжения через составной эмиттер-ный повторитель передается на конденсатор С1.

Рис. 16.40

 

СТАБИЛИЗАТОРЫ С ОУ

 

Стабилизатор с ОУ и защитой от короткого замыкания.В стабилизаторе (рис. 16.41, а) в качестве сравнивающего устрой­ства используется ОУ. Опорное напряжение с диода VD2 подается на неинвертирующий вход, а пульсирующее выходное напряжение — на инвертирующий вход. Отрицательная обратная связь через диод VD1 и два транзистора выполняет демпфирующие функции. Для за­щиты стабилизатора от короткого замыкания включен резистор R5. Нагрузочные характеристики приведены на рис. 16.41, в (кривая 1) и рис. 16.41, г. Если поменять местами подключение цепочек R4, VD2 и R6R8, нагрузочная характеристика имеет вид кривой 2 на-рис. 16.41, в. На рис. 16.41, б приведена зависимость отклонения вы­ходного напряжения от входного напряжения стабилизатора.

Рис. 16.41

 

Стабилизаторы напряжения на ОУ. Стабилизатор (рис. 16.42, а) обеспечивает на выходе напряжение 15 В при токе нагрузки 0,5 А. Стабилизирующим элементом в этой схеме является ОУ, с помощью которого можно получить коэффициент стабилизации более 4-104. Опорное напряжение, образованное диодом VD1 и транзистором VT3, подается на один вход ОУ, а второй вход подключается к делителю, обеспечивающему запуск стабилизатора при его включении. Высокая стабильность опорного напряжения обеспечивается цепоч­кой VD1, VT3, в которой транзистор выполняет роль генератора тока.

Для уменьшения влияния обратного тока транзистора VT1 применяется резистор R1. Резистор R2 ограничивает базовый ток транзистора VT2. Параметры корректирующей цепочки R3 С1 выбра­ны с учетом работы ОУ при глубокой ОС.

Для получения напряжения на выходе стабилизатора, превы­шающего питающего напряжение ОУ, следует применить схему рис. 16.42, б. В этой схеме питание усилителя осуществляется от дополнительного стабилизирующего каскада Rl, VD1, VD2 кото­рый обеспечивает напряжение 24 В. С помощью этой схемы можно получить коэффициент стабилизации более 2-104 при токе нагруз­ки 1 А.

 

Рис. 16.42

Рис. 16.43 Рис. 16.44

 

Стабилизатор с регулируемым коэффициентом стабилизации. Стабилизатор (рис. 16.43) имеет коэффициент стабилизации более 105. В зависимости от сопротивления резистора R4 коэффициент стабилизации может быть положительным иди отрицательным. Для уменьшения мощности, рассеиваемой транзистором VT3, включается резистор R7. Сопротивление этого резистора определяется постоян­ным током нагрузки. Ток же, связанный с изменением сопротивле­ния нагрузки, протекает через транзистор VT3.

Высоковольтный стабилизатор на ОУ. Высоковольтный стаби­лизатор напряжения (рис. 16.44) имеет коэффициент стабилизации более 103. Он рассчитан на токи до 0,1 А. В качестве усилительного элемента применен ОУ, питающее напряжение которого поднято на уровень 100 В. Для предотвращения неисправности стабилизатора желательно входное напряжение повышать плавно до нужного значения.

Рис. 16.45

 

Высоковольтный стабилизатор. Высоковольтный стабилизатор (рис. 16.45) имеет на выходе £00 В. При токе нагрузки 0,1 А вход­ное напряжение должно равняться 300 В. Схема обладает коэффи­циентом стабилизации более 104. Это достигается тремя видами ослабления пульсаций. С помощью стабилитронов VD1VD3 уста­навливается опорное напряжение 250 В. Для уменьшения внутрен­него сопротивления стабилитронов включен конденсатор С1, кото­рый совместно с резистором R1 образует фильтрующую цепь. Ос­новной стабилизирующей схемой являются ОУ и регулирующие транзисторы VT1 и VT2. С помощью стабилитронов VD5 и VD6 напряжение на входе ОУ уменьшается до единиц вольт. На этом уровне происходят изменения выходного напряжения. Опорное на пряжение также лежит в этом диапазоне. Все изменения выходно­го напряжения умножаются на коэффициент усиления ОУ и посту­пают на вход регулирующих транзисторов, которые сглаживают эти изменения.

 

Глава 17

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

 

Преобразователи напряжения служат для преобразования постоянного напряжения в переменное или в постоянное напряжение другого уровня. Преобразователи находят применение в различных электронных приборах с питанием от аккумуляторов и батарей. Их могут применять в устройствах, заменяя несколько стабилизирован­ных источников одним преобразователем.

Преобразователи переменного напряжения используют для по­лучения высоковольтных источников питания. В этих преобразова­телях осуществляется умножение переменного напряжения в не­сколько раз.

Существуют трансформаторные и резистивно-конденсаторные преобразователи. В основу преобразователя положен генератор, собранный по схеме симметричного мультивибратора или блокинг-генератора. Наибольшее распространение получила трансформатор­ная схема преобразователя. Преобразователи, собранные по такой схеме, обеспечивают мощность до 500 Вт. Резистивно-конденсатор­ные преобразователи являются маломощными (менее 10 Вт). В трансформаторных преобразователях транзисторы генератора мо­гут быть включены по схеме с ОБ, с ОЭ и с ОК. Чаще всего при­меняется схема с ОЭ. Эта схема позволяет получить большой КПД при малых напряжениях входного источника питания. Схема с ОК нашла применение в тех случаях, когда требуется установка тран­зисторов на общий радиатор.

При определении основных параметров преобразователей необ­ходимо знать ток и мощность нагрузки. Эти два параметра позволя­ют определить входное напряжение преобразователя и коллектор­ный ток переключающих транзисторов. Входное напряжение долж­но быть меньше половины максимально допустимого напряжения на транзисторах. Коллекторный ток открытого транзистора нарастает во времени вследствие изменения намагничивающего тока трансформатора. Время, в течение которого транзистор находится в от­крытом состоянии, определяется неравенством Iк<h21эIБ. Если сердечник трансформатора имеет прямоугольную петлю гистерезиса с максимальной индукцией Вн(гаусс) и сечением 5 (см2), то пре­образователь с питанием от напряжения £ и с числом витков кол­лекторной обмотки W будет иметь частоту f=E/4WsBH108 (Гц).

Включение корректирующих элементов в ОУ можно найти в гл. 1.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Выпрямительные мосты на интегральных микросхемах.Схемы выпрямительных мостов приведены на рис. 17.1. Обратный ток диодов равен 100 мкА. Среднее прямое напряжение при макси­мальном токе с

Цепи стабилизатора на транзисторе-стабилитроне


Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.

, автор: Lewis Loflin

Обновлено, отредактировано в октябре 2016 года. В нем будут рассмотрены основные операции стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения. Они будут использоваться вместе с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями для реальных регуляторов напряжения. Нижеследующее предназначено только для информационных целей и не дает никаких гарантий.

Связанные — Эксперименты с шунтирующим стабилизатором TL431A типа регулируемого стабилитрона.

Видео на YouTube: Учебное пособие по стабилитронам.

Стабилитрон — это твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении будет проводить и действовать как любой другой кремниевый диод. В режиме обратного смещения всегда используются стабилитроны, предназначенные для пробоя при определенном напряжении. На рис.1 показано базовое подключение стабилитрона.

Z1 и Rs включены последовательно, а нагрузочный резистор RL на 200 Ом параллельно Z1.Наш общий ток (Is) протекает через Rs и делится через Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 В поддерживает постоянное напряжение на RL, когда Vin изменяется в определенном диапазоне. Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL. Если Vin увеличивается до 18 вольт, то ток стабилитрона Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.

В любое время падение напряжения на Z1 плюс Rs всегда равно напряжению питания Vin, в то время как напряжение на RL, таким образом, IL постоянно.Если Rs слишком мало, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1. Если Rs слишком велико, нам не хватает минимального тока Iz для поддержания регулирования напряжения. Обратите внимание на следующее:

 
Is = Iz + IL = 24 мА + 51 мА = 75 мА;
Rs = VRs / Is = 5,8 В / 75 мА = 77 Ом.
  

Следующий вопрос заключается в том, какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.


Рис. 2

На Рис. 2 мы видим исправно работающую схему стабилизации стабилитрона при Z1 = 5.1 вольт при питании 10 вольт. Но что происходит, если мы увеличиваем нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.


Рис. 3

На рис. 3 мы понизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL. Хотя общий ток Rs остается неизменным, часть тока для Z1 (Iz) идет в RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.


Рис. 4

На Рис. 4 RL теперь составляет 100 Ом и потребляет такой большой ток от Z1, что у нас больше нет никакого регулирования напряжения.Эта установка практически бесполезна как источник питания, за исключением малых токов. Вот почему мы используем транзисторы вместе со стабилитронами.


Рис. 5

Чтобы обойти ограничения мощности, мы используем транзистор с последовательным проходом. На рис. 5 NPN-транзистор с коэффициентом усиления Hfe или постоянного тока, равным 100, фактически «умножает» 1 мА из цепи стабилитрона до 100 мА. Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, заключается в том, чтобы компенсировать падение 0,6 В на переходе B-E Q1. Да, вам нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем.По мере того, как мы потребляем больший ток нагрузки, 99% тока происходит из Q1.


Рис. 6

На рис. 6 мы используем два NPN-транзистора в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом. Мне пришлось использовать стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах B-E.


Рис. 7

На Рис. 7 мы используем Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.


Рис.8

Рис.8 у нас есть стабилизатор на стабилитроне для источника питания с отрицательной полярностью. Транзистор NPN был заменен транзистором PNP, а полярность стабилитрона и конденсатора 100 мкФ была изменена. Все текущие потоки также были почитаемы.

На этом завершается введение в регулирование напряжения на основе стабилитронов.

Учебное пособие: Схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора
Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX
Учебное пособие по базовому исправлению источника питания

Замечания по проектированию источника питания

: стабилизатор напряжения на стабилитроне

Лавинные эффекты и стабилитроны

При прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный кремниевый диод с PN переходом, позволяя току проходить от анода к катоду.Однако, в отличие от обычного диода, который блокирует ток при обратном смещении, при достижении определенного порогового значения обратного напряжения стабилитрон начинает проводить ток, который течет в противоположном направлении.

Когда обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, превышает предельное пороговое значение, типичное для компонента, в области обеднения полупроводников происходит процесс, известный как лавинный пробой, после чего диод генерирует ток, ограничивающий рост напряжения.Во время этого процесса электрические заряды генерируются в результате столкновения свободных электронов с соседними атомами с последующим выделением тепла и возможностью необратимого повреждения устройства.

Однако, если диод изготовлен с очень тонкой и сильно легированной обедненной областью, можно генерировать обратный ток как эффект создания в переходе электрического поля высокой интенсивности. Этот процесс (, рис. 1 ), известный как пробой стабилитрона, является обратимым и не повреждает диод.Точка на горизонтальной оси, начиная с которой напряжение на стабилитроне становится стабильным, соответствует так называемому напряжению стабилитрона (V Z ), значение которого может находиться в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Наклон кривой проводимости и минимальное значение обратного тока, начиная с которого запускается процесс, можно тщательно контролировать с допуском менее 1% во время легирования и изготовления диодов.

Рисунок 1: Типичные ВАХ стабилитрона

Стабилитрон напряжения

Стабилитрон обеспечивает гораздо более высокий уровень стабилизации (источника питания), чем может быть достигнут с помощью схемы мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора.В частности, с помощью подходящего легирования полупроводников можно добиться практически вертикального наклона кривой пробоя стабилитрона, равного (рис. 1), , получая стабилизированное напряжение с пренебрежимо малой и постоянной пульсацией при изменении входного напряжения. На рисунке 2 показана схема простейшего стабилизатора напряжения на основе стабилитрона. Использовался стабилитрон с В, Z = 12 В, , тогда как значение последовательного резистора R можно определить, как показано на рисунке, где В, и — входное напряжение, В. o — стабилизированное выходное напряжение (12 В), а I L — ток, потребляемый нагрузкой.

Рисунок 2: Регулятор напряжения со стабилитроном

Без нагрузки I L = 0 , и весь ток схемы будет проходить через стабилитрон, который, в свою очередь, рассеивает свою максимальную мощность. Поэтому необходимо тщательно выбирать, как указано, значение последовательного сопротивления, чтобы не превысить максимальную мощность, которую стабилитрон может выдержать без подключенной нагрузки. Эта схема, способная генерировать ток в несколько десятков миллиампер, часто используется для поляризации базы транзистора или в качестве входа в операционный усилитель, что позволяет получить более высокое значение тока. На рисунке 3 показан транзисторный шунтирующий стабилизатор, способный увеличивать мощность, потребляемую нагрузкой. Выходное напряжение В O определяется по формуле: В O = В Z + V BE .

Рисунок 3: Шунтирующий стабилизатор со стабилитроном и транзистором

Стандартные стабилитроны

На рынке доступны стабилитроны с напряжением от чуть более 1 В до нескольких сотен вольт. Для каждого значения напряжения обычно доступно одно или несколько значений мощности в диапазоне от чуть менее 0.От 5 Вт до более 5 Вт. Среди наиболее распространенных семейств стабилитронов серия малых сигналов BZX55 с напряжением В Z от 2,4 В до 75 В и максимальной мощностью 500 мВт. Семейство силовых стабилитронов BZX85 также широко используется с напряжением В Z от 2,7 В до 100 В и максимальной мощностью 1300 мВт.

Стабилизатор напряжения серии

со стабилитроном

На рисунке 4 показан простейший пример последовательного стабилизатора с стабилитроном.Транзистор подключен как повторитель напряжения, а выходное напряжение примерно на 0,6–0,7 В ниже напряжения Зенера. Резистор R должен иметь такие размеры, чтобы стабилитрон был правильно поляризован, а базовый ток Q1 был достаточным для приведения его в проводимость. Чтобы ток на стабилитроне не упал до значения, несовместимого с эффектом стабилитрона, маломощный транзистор 2N2222 можно заменить транзистором Дарлингтона.

Рисунок 4: Последовательный стабилизатор с стабилитроном и транзистором

Для получения дополнительной информации:

Силовая электроника играет все более важную роль на различных рынках, таких как автомобильный, промышленный и потребительский.Это также технология, позволяющая реализовать широкий спектр новых и улучшенных функций, которые повышают производительность, безопасность и функциональность автомобилей и интеллектуальных сетей. Сложные электрические и тепловые требования сильно влияют на конструкцию силовых электронных систем. Новости силовой электроники будут сосредоточены на основных темах, таких как преобразователь мощности, управление движением, полупроводники и управление температурой. Электронная книга Power Electronics News — это интерактивный подход к информированию о последних технологиях, тенденциях и инновационных продуктах на определенных рынках.

Стабилизатор напряжения. Схема, описание

Рис. 1. Параметрический стабилизатор

Рис. 2. Параметрический стабилизатор на транзисторе

.

Рис. 3. Комплект расширения с транзистором последовательного переключения

Рис. 4. Шунтирующий регулятор

Балластное сопротивление Rb = (U n — Ust) / Irn

где U н — номинальное значение питающего напряжения, В; Ust — напряжение стабилитрона, Irn — номинальный рабочий ток стабилитрона, мА.

При выборе номинального рабочего тока стабилитрона должны соблюдаться пределы:

Ист.мин. <Ирн <Истмакс.,

Где Ист.мин. — минимальный ток стабилитрона мА; Ист.макс. — максимальный ток стабилитрона мА; Irn — Номинальный рабочий ток стабилитрона, мА.

Ist.min значения. и Ист.макс. Указанные в паспортных данных применяемые для данного типа стабилитронов.

Номинальный рабочий ток стабилитрона

Irn = Ист.макс. (Ун — Усть) / (Апмакс — Усть)

где Up.макс — максимальное значение питающего напряжения, В.

Важными параметрами являются соотношение напряжения стабилизации стабилизатора и максимального тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз изменение напряжения превышает изменение электрического напряжения на нагрузке:

Кст = Δ U н / Δ Vвых

где Δ U н — изменение входного напряжения; Δ Vout — выходное напряжение.

Максимально допустимый ток нагрузки

дюйм макс.= (Ун — Усть — Ист.мин.руб) /

руб.

Малая грузоподъемность и относительно небольшой коэффициент стабилизации накладывают определенные ограничения на использование параметрических стабилизаторов. К отрицательным факторам можно отнести нестабильность температуры, относительно большой разброс напряжения стабилизации одного типа приборов, невозможность изменения выходного напряжения.

Если допустимую нагрузку параметрического стабилизатора можно увеличить с помощью каскада усиления тока (рис.2), негативно повлиять на другие факторы очень сложно.

Значительно лучше по характеристикам стабилизаторы компенсации. Компенсирующий стабилизатор напряжения называется стабилизатором, влияние которого на величину регулируемого напряжения зависит от разницы между значениями выходного и модельного (эталонного) напряжения.

Один из вариантов стабилизатора компенсационного стабилизатора напряжения — непрерывный с последовательным включением регулирующего элемента, в котором используется принцип замкнутой системы автоматического регулирования.

В схеме стабилизатора, представленной на рисунке 3, можно выделить основные функциональные узлы: элемент управления VT1, опорное напряжение R2VD1 и усилитель постоянного тока VT2, принцип взаимодействия описан ниже.

Эмиттерное напряжение транзистора VT2 поддерживается постоянным по величине за счет напряжения стабилитрона VD1, рабочий ток задается резистором R2.

При снижении напряжения на выходе стабилизатора ниже заданного уровня и напряжения базы транзистора VT2, снимаемого с делителя напряжения RZR4.И с тех пор напряжение эмиттера транзистора VT2 остается прежним, напряжение уменьшается и база — эмиттер, что вызывает закрытие транзистора. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 увеличивается и, делая базу транзистора VT1, открывается последний. Напряжение коллектор — эмиттер VT1 транзистора уменьшается, что вызывает увеличение выходного напряжения регулятора до заданной величины.

Если во время работы выходное напряжение стабилизатора увеличивается, транзистор VT2 открывается, напряжение на его коллекторе снижается, что вызывает отключение транзистора VT1 и, как следствие, уменьшение выходного напряжения стабилизатора.

Изменяя соотношение резисторов R3 и R4, можно регулировать выходное напряжение стабилизатора в определенных пределах.

Коэффициент стабилизации в непрерывном стабилизаторе выше, чем коэффициент стабилизации в параметрических стабилизаторах, и до 200, при увеличении коэффициента усиления усилителя постоянного тока, использовании отдельного опорного напряжения и т. Д. Может достигать нескольких тысяч. Внутреннее сопротивление таких стабилизаторов может иметь значение до нескольких миллиметров, что позволяет использовать их для питания нагрузки с низким сопротивлением.

Следующим представителем этого класса стабилизаторов является компенсационный стабилизатор непрерывного действия с параллельным регулирующим элементом (рис. 4). Использование таких стабилизаторов целесообразно только при незначительном изменении тока нагрузки во время работы. В противном случае эффективность таких стабилизаторов становится крайне низкой, что накладывает ограничения на их использование.

Литература: Альгинин Б.Е. Круговая электронная автоматика. АМ-1990. (Стабилизатор напряжения)

Стабилитрон

как регулятор напряжения, работа, ограничения

Стабилитрон

Стабилитрон

Стабилитрон можно использовать как диод D.C. Регулятор или стабилизатор напряжения для обеспечения постоянного напряжения от источника, напряжение которого изменяется в широком диапазоне. Это связано с характеристиками стабилитрона , то есть, если стабилитрон работает при пробивном напряжении, напряжение на нем остается постоянным.

Принципиальная схема

Схема схемы показана на рис. Стабилитрон стабилитрона считается смещенным. Он подключен параллельно к нагрузке (R L ), на которой требуется постоянное напряжение.R S — последовательное сопротивление для поглощения колебаний выходного напряжения.

Операция

Нерегулируемое постоянное напряжение (В и ) подается на стабилитрон с обратным смещением и последовательным сопротивлением (R S ). Сопротивление нагрузки (R L ) подключено параллельно к обратносмещенному стабилитрону , и на резисторе нагрузки получается регулируемое постоянное напряжение (В или ).

Если входное напряжение (V и ) увеличивается, то увеличивается ток через (R S ) и, следовательно, ток (I z ) через стабилитрон.Это увеличивает падение напряжения на (R S ), но не изменяется напряжение на стабилитроне . Это связано с тем, что в области пробоя, хотя ток через стабилитрон изменяется, падение напряжения на стабилитроне остается неизменным при (V Z ). Таким образом, выходное напряжение на нагрузочном резисторе остается постоянным на уровне V o = V z .

Аналогично, если входное напряжение (V i ) уменьшается, ток, протекающий через (R s ) и стабилитрон , также уменьшается.Падение напряжения на (R s ) уменьшается, но напряжение на стабилитроне не изменяется. Таким образом, ясно, что любое увеличение или уменьшение входного напряжения приводит к увеличению или уменьшению падения напряжения на (R s ), но напряжение на стабилитроне остается постоянным и, следовательно, выходное напряжение остается постоянным. Это означает, что стабилитрон действует как регулятор напряжения.

Ограничения

A стабилитрон стабилизатор имеет следующие недостатки:

  1. Имеет низкий КПД при больших токах нагрузки.Это связано с тем, что при большом токе нагрузки будут учитываться потери мощности в последовательном ограничивающем сопротивлении.

  2. Выходное напряжение слегка изменяется при изменении нагрузки.

Следовательно, использование этой схемы ограничено только приложениями, в которых изменения тока нагрузки и входного напряжения малы.

Читайте также

электрических цепей — Как стабилитрон работает как стабилизатор напряжения?

Во-первых, стабилитрон — это не что иное, как диод, только сильно легированный (к этому мы вернемся позже).

Когда вы прикладываете напряжение к диоду, вы получаете такую ​​ВАХ

(Источник: Google, Электронные данные)

На чем нам нужно сосредоточиться, так это на обратной стороне смещения.

Предположим, вы подаете напряжение обратного смещения. Электрон, пересекающий область обеднения (либо в диффузионном, либо в дрейфовом токе), испытывает силу со стороны + ve и дырку (считая себя независимой частицей) со стороны -ve. В конечном итоге это расширяет область обеднения, увеличивая барьерное напряжение.Это уменьшает диффузионный ток (дырки, движущиеся к электронам и наоборот) почти до нуля, но немного увеличивает дрейфовый ток (пара дырка-электрон, естественным образом генерируемая полупроводником в обедненной области), который все еще очень низок из-за небольшой скорости генерация дырочной электронной пары.

(Источник: Google, Khan Academy)

Но если вы продолжите увеличивать напряжение, то электроны из-за высокой скорости сталкиваются с электронами в ковалентных связях, разрывая их и, следовательно, внезапно высвобождая множество электронно-дырочных пар.Это называется лавиной — резкий шип, который вы видите слева.

Это полезно? На первый взгляд нет, так как чрезвычайно высокая энергия электронов приводит к плавлению диода.

Однако затем идет стабилитрон. Он сильно легирован, что приводит к тому, что область обеднения изначально очень мала. Как и выше, когда вы прикладываете обратное напряжение смещения, оно выходит из строя, но при гораздо более низком напряжении. Таким образом, электроны не обладают большой энергией, предотвращающей повреждение диода.

Подаваемое напряжение используется в качестве энергии для разрыва ковалентных связей.Также в идеале он не имеет сопротивления. Таким образом, он не может потреблять больше энергии, чем это, и, следовательно, вы не можете увеличивать напряжение на нем сверх напряжения пробоя. Я имею в виду напряжение на стабилитроне, а не на источнике.

Если напряжение на источнике низкое, так что у вас не может быть достаточного напряжения на стабилитроне, чтобы вызвать пробой, тогда он имеет незначительный ток через него, что на практике похоже на разомкнутую цепь.

Однако, когда подается достаточное напряжение, оно имеет постоянное напряжение на нем, а остальная часть напряжения, подаваемого источником, падает на другие резисторы и т. Д.

Теперь, если мы подключим нагрузочный резистор к стабилитрону при обратном пробое, по закону Кирхгофа на нем ДОЛЖНО быть такое же напряжение, как на диоде, что является константой, потому что, как обсуждалось выше, для идеальных стабилитронов вы просто можете ‘ t увеличить напряжение сверх этого значения.

Главное заблуждение в вашем вопросе заключается в том, что ковалентные связи разрываются, когда «Напряжение на них на выше, чем на , чем напряжение пробоя стабилитрона» — это происходит на , напряжение пробоя стабилитрона

Каковы две основные функции транзисторов?

Каковы две основные функции транзисторов?

Транзистор — это полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии.Транзисторы — один из основных строительных блоков современной электроники. Он состоит из полупроводникового материала, как правило, с тремя выводами для подключения к внешней цепи.

Что такое транзистор со схемой?

На схеме «A» показан NPN-транзистор, который часто используется в качестве переключателя. Небольшой ток или напряжение на базе позволяет большему напряжению проходить через два других вывода (от коллектора к эмиттеру). Схема, показанная на схеме B, основана на транзисторе NPN.

Какие бывают два типа транзисторов?

Типы транзисторов и обозначения их схем Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы. В этом разделе мы углубимся в каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Почему он называется транзисторным?

Слово «транзистор» означает сочетание передачи и сопротивления. Это потому, что он передает сопротивление с одного конца устройства на другой конец, или, можно сказать, передачу сопротивления.Отсюда и название транзистор. Транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление и очень низкое выходное сопротивление.

Что такое транзистор типа P?

Работает прямо противоположно транзистору N-типа. Когда на затвор подается 0 вольт, мы замыкаем цепь как провод между истоком и стоком. Когда на затвор подается 2,9 В, транзистор P-типа действует как разомкнутая цепь с разорванным соединением.

Сколько транзисторов в процессоре?

Первый компьютер на углеродных нанотрубках имеет 178 транзисторов и представляет собой 1-битный компьютер с одним набором команд, последний — 16-битный (в то время как набор команд — 32-битный RISC-V)….Микропроцессоры.

Процессор Intel 8086 (16 бит, 40 контактов)
Количество МОП-транзисторов 29 000
Дата введения 1978
Дизайнер Intel
MOS процесс (нм) 3000 нм

Как использовать транзистор?

Одно из наиболее распространенных применений транзисторов в электронных схемах — это простые переключатели.Короче говоря, транзистор проводит ток по пути коллектор-эмиттер только тогда, когда на базу подается напряжение. Когда базовое напряжение отсутствует, переключатель выключен. Когда присутствует базовое напряжение, переключатель включен.

Как работает транзистор P-типа?

Транзистор имеет два входа, называемых затвором и истоком, и один выход, называемый стоком. На схеме вход истока и выход стока изображены соединенными пластиной; Logisim рисует стрелку, чтобы указать направление потока от входа к выходу….

P-образный
0 источник
1 Z
X / Z Х *

Какие бывают типы BJT?

Биполярный транзистор (биполярный переходной транзистор: BJT) состоит из трех полупроводниковых областей, образующих два перехода. Есть два типа структуры: npn и pnp. Доступны изделия с npn до 800 В и pnp до -600 В. Кроме того, существуют также встроенные транзисторы с резисторами смещения (БРТ).

Как транзистор работает как усилитель?

Транзистор действует как усилитель, увеличивая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к переходу базы эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

Что делает диод?

Диод — это полупроводниковый прибор, который, по сути, действует как односторонний переключатель тока. Это позволяет току легко течь в одном направлении, но сильно ограничивает протекание тока в противоположном направлении.Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как изолятор и не пропускает ток.

Почему мы используем стабилитрон?

Стабилитроны

используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничителей. Напряжение нагрузки равно напряжению пробоя VZ диода. Последовательный резистор ограничивает ток через диод и снижает избыточное напряжение, когда диод проводит.

Преобразовывают ли диоды переменный ток в постоянный?

Выпрямитель — это электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC) в постоянный (DC), процесс, известный как выпрямление.Термин выпрямитель описывает диод, который используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Что означает стабилитрон?

Стабилитрон — это особый тип диода, предназначенный для надежного протекания тока «в обратном направлении», когда достигается определенное заданное обратное напряжение, известное как напряжение Зенера… .Стабилитрон.

Изобретено Кларенс Мелвин Зенер
Конфигурация контактов анод и катод
Электронный символ

Какие характеристики стабилитрона?

Стабилитрон работает как обычный диод, когда он смещен в прямом направлении.Однако при подключении в режиме обратного смещения через диод протекает небольшой ток утечки. Когда обратное напряжение увеличивается до заданного напряжения пробоя (Vz), через диод начинает течь ток.

Что такое эффект Зенера и эффект лавины?

Зенера и лавинный эффект могут возникать одновременно или независимо друг от друга. Обычно пробои диодного перехода при напряжении ниже 5 вольт вызваны эффектом стабилитрона, тогда как пробои при напряжении более 5 вольт вызываются лавинным эффектом.

Что подразумевается под стабилитроном?

Напряжение стабилитрона — это напряжение, при котором область обеднения полностью исчезает. Обратное смещение, приложенное к диоду, увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области. Таким образом, он позволяет электронам перемещаться из валентной зоны материала P-типа в зону проводимости материала N-типа.

Как еще называется стабилитрон?

Стабилитрон — это диод, который позволяет току течь в прямом направлении так же, как идеальный диод, но также позволяет ему течь в обратном направлении, когда напряжение выше определенного значения, известного как напряжение пробоя, « Напряжение перегиба Зенера »,« Напряжение Зенера »,« точка лавины »или« обратный пик…

Как делается стабилитрон?

Эти диоды изготовлены из сильно легированных полупроводников типа N и P, количество легирования полупроводников остается различным, так что их напряжения пробоя различны.Таким образом, стабилитроны разных уровней напряжения имеют разную емкость напряжения.

Что такое стабилитрон PPT?

Стабилитрон

 Стабилитрон — это тип диода, который пропускает ток не только в прямом направлении, как обычный диод, но также и в обратном направлении, если напряжение больше, чем напряжение пробоя, известное как «напряжение изгиба стабилитрона» или « Напряжение стабилитрона »

Из какого материала изготовлен стабилитрон?

кремниевый диод PN

Как стабилитрон работает как стабилизатор напряжения?

Стабилитроны

можно использовать для получения стабилизированного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций в условиях переменного тока нагрузки.Пропуская небольшой ток через диод от источника напряжения через подходящий токоограничивающий резистор (RS), стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения на уровне Vout.

Что такое сопротивление стабилитрона?

Импеданс стабилитрона эквивалентен последовательному сопротивлению стабилитрона, когда он проводит ток. Он рассчитывается как изменение напряжения стабилитрона ΔVZ, которое происходит в результате небольшого изменения тока стабилитрона ΔIZ. Импеданс стабилитрона в идеале должен быть нулевым, но на самом деле стабилитрон имеет некоторое сопротивление.

Как работает стабилитрон?

Стабилитрон работает так же, как обычный диод в режиме прямого смещения, и имеет напряжение включения от 0,3 до 0,7 В. Когда обратное напряжение увеличивается до заданного напряжения пробоя (Vz), начинает течь ток. через диод.

Что происходит, когда стабилитрон смещен в прямом направлении?

Когда стабилитрон смещен в прямом направлении, он ведет себя как обычный сигнальный диод, пропускающий ток, линейно увеличивающийся с напряжением, но как только обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, достигает напряжения пробоя устройства, начинается большой ток. протекать через диод.

Как прочитать стабилитрон?

Измерьте напряжение обратного смещения на стабилитроне, переключив щупы мультиметра. Поместите положительный вывод на сторону с маркировкой или со стороны катода, а отрицательный провод на сторону без маркировки или со стороны анода. Вы должны получить показания, указывающие на бесконечное сопротивление или отсутствие тока.

Zener Voltage — обзор

Регулировка напряжения

Блоки питания от сети (часто сделанные с возможностью подключения к обычной сетевой розетке) иногда продаются как «разрядники батарей».Они используются для питания радиоприемника или магнитофона и более экономичны, чем батарейки. Их выход — постоянный ток. и может быть рассчитан на 6 В, 9 В, а иногда и на другое установленное напряжение. Если вы измеряете выходную мощность с помощью тестера, вы можете обнаружить, что напряжение намного выше, чем номинальное напряжение, когда к устройству подключен только измеритель. Когда подключен радиоприемник или другое оборудование, выходная мощность падает до номинального уровня, но может быть на несколько вольт ниже. Это связано с тем, что напряжение простого трансформатора-выпрямителя-стабилизатора падает с увеличением тока, потребляемого от него.Обычно это не имеет значения для радиоприемников и аналогичного оборудования, но имеет значение, предназначены ли части схемы для работы при фиксированном напряжении.

Если необходимо регулировать напряжение от источника питания, требуется дополнительный каскад. На схеме на странице 105 дополнительный каскад состоит из резистора и стабилитрона. Стабилитрон выбирается таким образом, чтобы напряжение стабилитрона (стр. 79) было равным тому, которое требуется для цепи, которая должна быть запитана. Оно должно быть ниже, чем предусмотрено схемой выпрямителя.Когда ток течет во внешнюю цепь, возникает p.d. через резистор. Значение выбирается таким образом, чтобы напряжение было немного больше, чем требуется для внешней цепи, когда она использует свой максимальный ток.

Стабилитрон проводит небольшой избыточный ток, а остаток идет во внешнюю цепь. П. через постоянный ток выходные клеммы — это напряжение стабилитрона. Если внешняя цепь изменяет свои требования так, что ей требуется меньший ток, избыточный ток утекает через диод.Питание внешней цепи остается на стабилитроне. Регулировка стабилитроном не идеальна, но подходит для многих целей.

Опорное напряжение запрещенной зоны действует аналогично стабилитрону. На странице 116 объясняется, как устройство с запрещенной зоной можно использовать в качестве датчика температуры, регулируя скорость изменения двух противоположных п.п.н. В опорном напряжении запрещенной зоны настройки таковы, что одинаковая разница напряжений достигается при всех температурах в широком диапазоне.Таким образом, эталон дает постоянное напряжение при любой температуре, что делает его пригодным для прецизионных схем. Он может заменить стабилитрон на стр. 105, чтобы обеспечить лучшую степень регулирования выходного напряжения.

Еще лучший способ регулировать выходное напряжение — использовать усилитель эмиттерного повторителя (стр. 99) в качестве регулятора напряжения. На нерегулируемой стороне схемы (после сглаживающего конденсатора) ток протекает через резистор и стабилитрон. Диод смещен в обратном направлении в область лавинного пробоя (стр.79). Номинал резистора таков, что обратный ток довольно мал, скажем 5 мА.

В UNREG изменяется по мере увеличения и уменьшения тока, потребляемого из цепи. Ток, протекающий через диод, увеличивается выше 5 мА или уменьшается ниже 5 мА, но p.d. на диоде остается близким к стабилитрону. Таким образом, стабилитрон удерживает базу транзистора при его напряжении стабилитрона В z.

Изменения величины тока, потребляемого от цепи (в определенных пределах), не влияют на напряжение на базе транзистора.Транзистор обычно рассчитан на пропускание тока 1 А, возможно, больше. Ток через коллектор и эмиттер попадает во внешнюю цепь.

Пока транзистор находится в проводящем состоянии, между базой и эмиттером существует обычный p.d ( В, BE ) около 0,6 В. Это связано с виртуальной ячейкой на p-n-переходе. Таким образом, регулируемое выходное напряжение В REG на 0,6 В меньше, чем В z . Например, если напряжение стабилитрона равно 4.7 В, регулируемое выходное напряжение составляет 4,1 В.

Транзисторная схема, подобная описанной выше, может быть включена в тип интегральной схемы (стр. 159), известный как стабилизатор напряжения . Такие устройства также могут иметь функции ограничения тока. Если в нагрузке возникает короткое замыкание или если потребляемый ток превышает безопасную величину по любой другой причине, это состояние обнаруживается регулятором, и выходное напряжение резко снижается. Схема также может включать в себя схему термистора (стр.115), который обеспечивает тепловое отключение, отключая ток при перегреве устройства.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *