Стабилизатор напряжения на транзисторе (параметрический стабилизатор).

Когда речь заходит о регулируемых стабилизаторах напряжения, то как правило, первым делом вспоминают о таких популярных решениях как LM317 или LM78xx.

Сегодня же речь пойдет о так называемом параметрическом стабилизаторе, устройстве состоящем из дух частей: непосредственно стабилизатора (стабилитрон и балластный резистор) и эмиттерного повторителя — транзистора выполняющего роль силового элемента. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рисунке №1.

Рисунок №1. Принципиальная схема стабилизатора.

За сохранение на выходе стабильного напряжения отвечает стабилитрон D1, однако он способен выдать небольшой выходной ток, как правило не превышающий пары десятков миллиампер, поэтому в схеме и необходим транзистор являющейся «умощнителем» выходного напряжения, то есть вся нагрузка проходит через него.

Для примера рассчитаем стабилизатор с выходным напряжением 12 вольт и током 1 ампер. Первым делом следует учесть, что входное напряжение должно быть на 2-3 вольта выше чем выходное, это необходимо для нормальной работы стабилитрона и компенсации потерь на переходе коллектор-эмиттер транзистора. В нашем примере входное напряжение будет равно 15-ти вольтам.

При выборе транзистора следует учесть, что его предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше входного, а максимальный ток коллектора должен быть больше выходного тока стабилизатора. В качестве силового элемента я буду использовать распространенный транзистор средней мощности КТ817А.

Еще один параметр транзистора который нам понадобиться это минимальный коэффициент передачи тока транзистора (обозначается как h31э), в моем случае это 25. Этот параметр необходим для расчета тока базы транзистора который должен обеспечить стабилитрон, рассчитывается по формуле:

I базы = I max вых. / коэффициент h31э

I базы = 1 / 25 = 0,04 А

Теперь перейдем к выбору стабилитрона, напряжение стабилизации которого должно быть равно выходному напряжению всей схемы, а ток не менее 40 миллиампер ( рассчитанный нами ток базы транзистора). Я буду использовать 1N5349 с током стабилизации 100 миллиампер.

Осталось посчитать необходимое сопротивление резистора R1 по следующей формуле:

R = (U вх. — И стаб.) / (I базы тр. + I стабилитрона)

R = (15 — 12) / (0.040 + 0.100) =22 ом.

и необходимую мощность резистора по формуле:

P = (U вх. — И стаб.) * (I базы тр. + I стабилитрона)

P = (15 — 12) * (0.040 + 0.100) =0.42 ватт.

Исходя из расчетов следует взять резистор мощностью 0.5 ватт или более мощный.

Что делать если ток стабилизации превышает ток базы транзистора? В этом случае в схему необходимо добавить еще один маломощный транзистор, назовем его «управляющим транзистором». Такой транзистор позволит существенно снизить нагрузку на стабилитрон (рис. 2).

Рисунок №2. Схема с дополнительный транзистором.

Еще необходимо сказать о возможности регулирования выходного напряжения такого стабилизатора от 0 до напряжения стабилизации стабилитрона, для этого необходимо добавить в схему переменный резистор (рис. 3).

Рисунок №3. Регулируемый стабилизатор.

Следует помнить, что чем меньше выходное напряжение относительно входного, тем больше мощность которая будет рассеиваться на транзисторе. При больших токах транзистор необходимо установить на радиатор. Посчитать мощность можно по формуле:

P = (U вход. — U вых.) * I вых.

Таким образом в случае входного напряжения 15 вольт, а выходного 12 вольт при токе нагрузки 0.1 ампер, мощность рассеиваемая на транзисторе составит 0.3 ватта. Однако при тех же параметрах и током нагрузки в 1 ампера мощность составит уже 3 ватта и в таком случае не обойтись без радиатора.

И в конце стоит сказать о том, что на практике выходное напряжение всей схемы будет немного ниже напряжения стабилизации стабилитрона. Это связано с тем, что часть напряжения потеряется на транзисторе при переходе база-эмиттер, поэтому следует выбирать стабилитрон с небольшим запасом по напряжению стабилизации.

Параметрический стабилизатор напряжения

Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рис. 2.112.

Рис.2.112. Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения

На стабилитроне VD₁ устанавливается напряжение стабилизации U_ст. Как уже отмечалось выше, при обратном смещении p-n-перехода стабилитрона на нем устанавливается напряжение пробоя (стабилизации), которое очень слабо зависит от величины обратного тока. Допустимая величина обратного тока стабилитрона задается резистором R_б. На балластном резисторе R_б падает избыток входного напряжения (разность между входным напряжением и напряжением стабилизации). При коротком замыкании резистора R_б стабилитрон может быть поврежден вследствие значительного увеличения обратного тока.

Транзистор VT₁ включен по схеме эмиттернго повторителя. Напряжение на его эмиттере практически равно напряжению стабилизации. Основная функция транзистора – увеличение тока, отдаваемого стабилизатором в нагрузку. Нетрудно заметить, что весь ток нагрузки протекает через VT

1.

В большинстве случаев ток, потребляемый нагрузкой, является переменной величиной. Если бы нагрузка непосредственно подключалась к стабилитрону, возникали бы дополнительные колебания напряжения стабилизации вследствие изменения тока стабилизации. Благодаря транзистору колебания величины обратного тока стабилитрона уменьшаются примерно в  (h_21э) раз.

Стабилизатор не имеет защиты от короткого замыкания на выходе. При большом токе нагрузки транзистор может выйти из строя. Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы ток нагрузки не превышал максимально допустимый постоянный ток коллектора и мощность, рассеиваемая на транзисторе, не превышала максимально допустимую для данного транзистора. Также необходимо, чтобы перепад напряжений вход-выход не был больше максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер транзистора.

На рис.2.113 представлены схемы, иллюстрирующие принцип действия компенсационных стабилизаторов.

Рис.2.

113. К пояснению принципа действия компенсационных стабилизаторов.

а. – последовательная схема;

б. – параллельная схема.

Принцип действия компенсационного стабилизатора заключается в том, что приращение напряжения на нагрузке по отношению к заданному значению устраняется за счет изменения величины сопротивления компенсационного резистора R_к.

Величина сопротивления R_к изменяется автоматически и является функцией нескольких переменных. Наиболее значимыми из этих переменных являются: входное напряжение U_вх и сопротивление нагрузки R_н. В качестве R_к наиболее часто используется транзистор.

В схеме, рис.2.103.а, входное напряжение распределяется между компенсационным резистором R_к и нагрузкой R_н. Нетрудно заметить, что

U_вх = U_к + U_н.

Пусть под действием дестабилизирующих факторов напряжение U_н увеличилось. Тогда увеличивается значение сопротивления R_к, напряжение U_к так же возрастает и, следовательно, U_н уменьшается до своего номинального (заданного) значения. Если напряжение U_н уменьшается, сопротивление компенсационного резистора становится меньше и U

к уменьшается. U_н увеличивается до своего номинального значения.

В схеме, рис.2.103.б, входное напряжение распределяется между балластным резистором и нагрузкой. Нетрудно заметить, что

U_вх = U_б + U_н.

Отличительной особенностью схемы является параллельное включение компенсационного резистора. При изменении сопротивления R_к происходит изменение величины тока, протекающего через R_б. При этом изменяется напряжение U_б, а, следовательно, и напряжение на нагрузке.

Пусть под действием дестабилизирующих факторов напряжение на нагрузке увеличилось. Тогда сопротивление резистора R

к уменьшается, величина тока, протекающего через R_б увеличивается, напряжение U_б растет, а напряжение на нагрузке уменьшается до номинального значения. При уменьшении напряжения на нагрузке увеличивается сопротивление R_к, ток через R_б уменьшается, напряжение U_б также уменьшается, напряжение U_н увеличивается до номинального значения.

Регулятор напряжения

— Оптимизация схемы параметрического стабилизатора для уменьшения пульсаций

Задавать вопрос

спросил

5 лет, 10 месяцев назад

Изменено 5 лет, 10 месяцев назад

Просмотрено 461 раз

\$\начало группы\$

У нас есть системная плата для телевизора, которая будет использоваться в автомобилях. Входное напряжение будет иметь много шума и плохо регулироваться. Итак, мы хотим использовать параметрический стабилизатор на входе 12В. Напряжение аккумулятора может варьироваться от 11 В до 15,5 В, мы определили, что мы можем принимать уровни входного напряжения от 11 В до 13,8 В, а требуемый ток составляет от 450 до 500 мА.

Наша схема стабилизатора начинает регулировать входное напряжение, когда оно превышает 13,4 В, но с большими пульсациями.

Это наша стандартная схема переключателя панели в красной строке и параметрический стабилизатор, который я добавил в зеленую строку:

Цепь в красной строке является фиксированной стандартной нашей схемой отключения питания, и я не могу вносить в нее какие-либо изменения. . Поэтому я добавил схему параметрического стабилизатора в зеленую линию. Проблема с этим стабилизатором в том, что он срабатывает при превышении порога, но имеет огромные пульсации:

Здесь желтая линия – это выход, а фиолетовая линия – это выход опорного напряжения (вывод 2).

Ограничение состоит в том, что я не могу использовать микросхему DC-DC или LDO для этой конструкции (потому что они дорогие, этот проект готовится к массовому производству), и я должен реализовать этот стабилизатор только с компонентами, которые есть на нашем складе. Так что, если вы предложите какую-либо модификацию этой схемы или если вы могли бы предложить любую схему внутри зеленой линии здесь, это было бы очень хорошо. На данный момент я должен предупредить вас, что мы не используем операционные усилители! Эта схема может быть образована только транзисторами, ссылками и т. д. простыми компонентами.

Что я пробовал до сих пор:

Я пробовал шунтировать конденсатор 1 нФ с R537: это мало что дало, просто так мало.

Вынул входной конденсатор С1029: стало хуже.

Поставил большой выходной конденсатор на 22 мкФ на выходе: разницы никакой.

Пробовал компенсацию 1k-1pF RC между катодом и эталоном: разница невелика.

• регулятор напряжения
• аналог
• силовая электроника
• предварительный регулятор

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Сначала: У вас вообще нет входного конденсатора. Один должен быть между входом постоянного тока и землей. Его функция будет состоять в том, чтобы закорачивать входящий шум источника постоянного тока и уменьшать индуктивность входных проводов постоянного тока.

C1209 делает ваш MOSFET очень медленным. Вы должны скорее предотвратить случайные сбои в состоянии включения-выключения, не позволяя T1002 получать какие-либо пики на свою базу. Начните с перемещения нижнего провода C1029.к земле.

C1030 должен существовать, необходимо как минимум несколько uF. Это грубый способ предотвратить те скачки напряжения, которые вызваны изменениями тока настолько быстро, что регулятор не может справиться с ними из-за своей ограниченной скорости.

Генерация 10 кГц: Частота почти такая же, где усиление AP432 упало как минимум на 6 дБ, а его фазовое отставание, соответственно, легко составляет 45 градусов. В сочетании с очень медленным движением и насыщенным (= очень медленным) T1002B у вас, вероятно, достаточно строительных блоков для хорошего мультивибратора.

Уменьшите усиление разомкнутого контура. Если возможно, подключите резистор 1 кОм к эмиттеру T1002B. Если это невозможно, попробуйте создать доминирующий компенсационный полюс, вставив конденсатор между C и B T1002B. несколько сотен пФ, возможно, потребуется несколько нФ. Это заставляет иметь большой выходной конденсатор. Проверьте с помощью осциллографа, что отклонение максимального выходного тока не приводит к слишком высокому пику напряжения при максимальном входном постоянном токе.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Необходимо удалить поведение «триггер» и реализовать плавное поведение. Быстрая полоса пропускания AP432SRG-7 вызывала колебания. И высокий коэффициент усиления контура 1) полевой транзистор Пч 2) NPN с заземленным эмиттером 3) AP432 с полосой пропускания 10 000 Гц означает, что этот цикл будет скегировать/переворачиваться из одного состояния в другое.

Попробуйте ОГРОМНУЮ кепку на основе NPN, чтобы убедиться, что колебание замедлится.

Затем внедрите усилитель ошибки с ОЧЕНЬ НИЗКИМ УСИЛЕНИЕМ, например, PNP, с базой, подключенной к вершине ShuntReg, с сопротивлением 100 кОм от эмиттера к Vout, и коллектором, подключенным к базе NPN. Вам нужно ОЧЕНЬ НИЗКОЕ усиление в усилителе ошибки из-за высокого усиления в PChan и в NPN.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Шунтовой регулятор AP432 имеет сопротивление 0,2 Ом. Входной резистор составляет 9,1 кОм || 40 кОм ~ 8 кОм, поэтому коэффициент усиления составляет 8000 / 0,2 = 40 000X или 92 дБ. Эта «петля регулятора» имеет слишком большое усиление.

Замените AP432 на NPN, 9,1 кОм в эмиттере, коллектор подключен к переходу 40 кОм и 9,1 кОм. Для умеренных изменений базового напряжения мы теперь имеем коэффициент усиления 8K/9K = -1 дБ, с еще одним ослаблением 3:1 в 4 резисторах, идущих к GND. Усиление этой части петли по-прежнему ИНВЕРТИРУЕТСЯ, но усиление -11 дБ.

Теперь поместите стабилитрон (или AP432 с 2 резисторами для установки напряжения) от базы транзистора к «регулируемому Vout». Кроме того, чтобы «чувствительный» стабилитрон/AP432 имел ток, поместите 1 кОм от базы к GND.

\$\конечная группа\$

1

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

LTspice: отображение параметра в зависимости от чего-либо, кроме времени (например, сопротивления)

по Джозеф Спенсер и Габино Алонсо

Обычно LTspice ^® используется для выполнения анализа переходных процессов во временной области, когда параметр (например, напряжение или ток) может быть построен в зависимости от времени. Иногда вам может понадобиться узнать поведение цепи по отношению к другому параметру, например, сопротивлению. Это можно сделать с помощью директив SPICE «.measure» и «.step» вместе с журналом ошибок SPICE.

Выходное напряжение программируемого источника тока в зависимости от сопротивления нагрузки

LT3092 — это простой в использовании программируемый источник тока. Он выбран для этого примера из-за его простой для понимания работы и быстрого моделирования.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/ltspice-зарисовка-а-параметра против -something-other-than-time-e-g-resistance-/106-circuit-1.jpg?la=en&w=435′ alt=’Регулируемый двухконтактный источник тока 200 мА’>

LT3092 — 200 мА 2-контактный программируемый источник тока

При R _OUT = 5 Ом и R _SET = 20 кОм LT3092 обеспечивает температурно-стабильный источник тока 40 мА с широким диапазоном соответствия. Представьте себе случай, когда этот источник тока падает на переменный резистор, и мы хотим построить график зависимости напряжения нагрузки от изменяющегося резистора. На правой панели находится ссылка на файл LTSpice, иллюстрирующий процесс. Ниже приведены основные шаги для достижения желаемых результатов.

1. Откройте новую схему в LTspice, вставьте символ LT3092, нажав функциональную клавишу «F2», и завершите рисование схемы и маркировку цепей следующим образом.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/ltspice-зарисовка-а-параметра против -что-то-не-время-например, сопротивление-/lt3092-plotvsresistancecircuit.png?la=en&w=435′ alt=’LT3092 Схема’>

LT3092 Схема

2. Щелкните правой кнопкой мыши схему и отредактируйте команду имитации следующим образом.

.trans 0 510 м 500 м

Выше мы упомянули, что было бы неплохо построить график зависимости параметра от сопротивления. Точнее, то, что мы хотим сделать, это построить график напряжения в узле «НАГРУЗКА», как только симуляция достигнет устойчивого состояния. В этой схеме мы знаем, что LT3092 достигает устойчивого состояния задолго до 500 мс. Итак, мы запускаем симуляцию для данного резистора в течение 500 мс, а затем начинаем сохранять данные в течение следующих 10 мс.

3. Вставьте следующие директивы SPICE в схему, нажав «S» на клавиатуре.

.save V(load)
.step param X 10 30 1
.measure VLoadAvg avg V(load)
.option plotwinsize=0 numdgt=15

Статус .save сохраняет данные о напряжении только для узла ‘LOAD’, что может помочь ускорить большие симуляции.

Команда .step изменяет параметр ‘X’, в данном случае нагрузочный резистор, от 10 Ом до 30 Ом с шагом 1 Ом. Это означает, что симуляция должна запускаться 21 раз. Поэтому позаботьтесь о том, чтобы более сложные симуляции заняли некоторое время.

.measure вычисляет среднее напряжение узла ‘LOAD’ и сохраняет его в переменной ‘VLoadAvg’.

Наконец, параметр .options задает значение plotwinsize = 0, что отключает сжатие, а numdgt используется для установки значащих цифр, используемых для выходных данных. Если numdgt > 6, используется двойная точность.

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/ltspice-зарисовка-а-параметра против -что-то-кроме-времени, например, сопротивление-/lt3092-plotvsresistancecircuit-meas.png?la=en&w=435′ alt=’Схема LT3092 с оператором .MEASURE’>

Схема LT3092 с оператором .MEASURE

4. Запустите симуляцию.

При запуске моделирования выходные данные оператора .measure помещаются в файл .log, который можно просмотреть в журнале ошибок SPICE. Если моделирование включает команду .step, операторы .measure выполняются для каждого шага, а результаты печатаются в виде таблиц в файле .log. Затем эти таблицы для результатов .measure могут быть построены как обычные осциллограммы следующим образом.

5. Чтобы просмотреть полученные данные в средстве просмотра сигналов, используйте CTRL-L, чтобы открыть журнал ошибок SPICE, и щелкните правой кнопкой мыши журнал, чтобы выбрать « Plot .step’ed .meas data ».

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/ltspice-зарисовка-а-параметра против -что-то-не-время-например, сопротивление-/lt3092-plotvsresistanceresults.png?la=en&w=435′ alt=’LT3092 Vload vs Rload’>

LT3092 Внагрузка против Rнагрузки

В этом примере оси не помечены. Но мы знаем, что ось абсцисс — это сопротивление нагрузки, а ось у — напряжение нагрузки.

Другой подход заключается в использовании моделирования .op для решения рабочей точки постоянного тока с разомкнутой цепью емкостей и короткозамкнутыми индуктивностями. Он обеспечивает прямые результаты, как показано выше.

 

 

<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/ltspice-зарисовка-а-параметра против -что-то-кроме-времени, например, сопротивление-/lt3092-plotvsresistancecircuit-op.png?la=en&w=435′ alt=’Схема LT3092 с .OP Simulation’>

Схема LT3092 с моделированием .OP

Ссылаясь на приведенный выше пример, вы можете использовать LTSpice для визуализации параметра как функции нескольких элементов. Здесь мы оказали сопротивление. Но также можно записывать и отображать измерения в зависимости от таких параметров, как значения температуры, емкости или индуктивности. Оператор .measure и имитация .op достаточно гибки, позволяя вам измерять гораздо больше, чем просто среднее значение. Вы даже можете измерить и построить график переходной характеристики регулятора в зависимости от изменяющегося компонента компенсации.

Авторы

Джозеф Спенсер

Джозеф Спенсер работает инженером по полевым приложениям в компании Linear Technology (теперь часть Analog Devices) с 2013 года. Джозеф поддерживает клиентов в Юте и Айдахо, уделяя особое внимание высокопроизводительным аналоговым и радиочастотным решениям. До того, как стать FAE, Джозеф работал в L3 Communications, где он разрабатывал и руководил проектированием оборудования для программно-определяемых радиостанций. Джозеф начал свою карьеру в Maxim Integrated, где он работал как в приложениях, так и в тестировании. Джозеф имеет степень бакалавра и магистра электротехники Университета Юты.

Габино Алонсо

Габино Алонсо в настоящее время является директором по стратегическому маркетингу Power by Linear™ Group. До прихода в ADI Габино занимал различные должности в области маркетинга, проектирования, эксплуатации и образования в Linear Technology, Texas Instruments и Калифорнийском политехническом государственном университете. Он имеет степень магистра наук в области электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.