Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Конструктивные особенности и принцип работы стабилизаторов напряжения Расчет стабилизатора напряжения на стабилитроне онлайн

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Объектами расчета и анализа в примерах выступают параметрические стабилизаторы двух известных конструкций усилителей мощности звуковой частоты. Это c Интерлавки и от Андрея Зеленин а.

Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R 0 – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R 0 =Uст+IR 0 , (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R 0 .

Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R 0 с линейной Вольт - амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R 0 , а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

R 0 =(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min). (2)

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R 0 (ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилитрона, поскольку в этом случае правая часть выражения становится отрицательной, и схема не будет работать как стабилизатор напряжения.

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

ΔUвх= ΔIстR 0 . (4)

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R 0 Uст/rдUвх=R 0 /Nстrд=KфКПД, (6)
где rд - динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

Первый вариант расчета параметрического стабилизатора

проведем для случая, когда напряжение питания нестабильно, а сопротивление нагрузки относительно постоянно.

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

R 0 =(Uвх- Uст)/(Iст р+ Iн).

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Po=2(Iст р+ Iн) 2 R 0 .

Проверим выбранный режим работы стабилизатора.
Расчет произведен верно, если при одновременном изменении Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн ток стабилитрона не выходит за пределы Iст max и Iст min:
Iст р max=(Uвх+ ΔUвх- Uст)/(R 0 -(Iн- ΔIн))<0,8 Iст max;
Iст р min=(Uвх- Uст)/(R0-(Iн+ ΔIн))>1,2 Iст min.

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Если полученные значения токов Iст р max и Iст р min выходят за пределы допустимых значений, то необходимо выбрать другое значение Iст р, изменить сопротивление R 0 или заменить стабилитрон.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R 0 /(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R 0 =240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Рис. 2. Печать с экрана примера расчета №1

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

Рис. 3. Расчет параметрических стабилизаторов для усилителя «Green Lanzar»

Второй вариант расчета параметрического стабилизатора

в качестве исходных данных использует предельные значения тока в нагрузке Iн min и Iн max, что при Iн min=0 позволяет предусмотреть режим холостого хода стабилизатора. Для постоянной нагрузки выбирают Iн max= Iн min.

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Если неравенство не выполняется, нужно:
применить более мощный стабилитрон;
задаться меньшими значениями ΔUвх н и ΔUвх в;
уменьшить Iн max или увеличить Iн min.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R 0 = Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R 0 .

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R 0 =221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Рис. 4. Скриншот параметрического стабилизатора режимом холостого хода

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

Анализ работы параметрического стабилизатора

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R 0 .

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R 0 -Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R 0 =R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) .

В другой публикации рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R 0 =(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Рис. 5. Режимы работы стабилизаторов в усилителе «Ланзар» в зависимости от выбранного напряжения питания

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26 ) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если »->Подбор параметра .

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15 ).

Получим R 0 =1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R 0 =1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Рис. 6. Уточнение режимов работы параметрических стабилизаторов усилителя «Ланзар»

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Итог

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

Для питания устройств, не требующих высокой стабильности напряжения питания, применяют наиболее простые, надежные и дешевые стабилизаторы - параметрические. В таком стабилизаторе регулирующий элемент при воздействии на выходное напряжение не учитывает разницы между ним и заданным напряжением.

В наиболее простом виде параметрический стабилизатор это регулирующий компонент (стабилитрон), подсоединяемый параллельно нагрузке. Надеюсь вы помните , ведь, в отличие от диода, он включается в электрическую цепь в обратном направлении, т. е. на анод следует отрицательный, а на катод - положительный потенциал напряжения от источника. В основе принципа действия такого стабилизатора лежит свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянное напряжение при существенных изменениях силы протекающего в схеме тока. Балластное сопротивление R, включенное последовательно с стабилитроном и нагрузкой, ограничивает протикающий ток через стабилитрон, если отключить нагрузку.

Для питания устройств, с напряжением 5 В, в этой схеме стабилизаторе можно применить стабилитрон типа КС 147. Номинал сопротивления резистора R берется таким, чтобы при максимальном уровне входного напряжения и отсоединенной нагрузке ток через стабилитрон не был более 55 мА. Так как в рабочем режиме через это сопротивление протекает ток стабилитрона и нагрузки, его мощность должна быть как минимум 1-2 Вт. Ток нагрузки этого стабилизатора должен лежать в интервале 8-40 мА.

Если выходной ток стабилизатора мал для питания, увеличить его мощность можно, добавив усилитель, например на основе транзистора.

Его роль в этой схеме выполняет транзистор VT1, цепь коллектор - эмиттер которого включается последовательно с нагрузкой стабилизатора. Выходное напряжение такого стабилизатора равно разности входного напряжения стабилизатора и падения напряжения в цепи коллектор - эмиттер транзистора и определяется напряжением стабилизации стабилитрона VD1. Стабилизатор обеспечивает в нагрузке ток до 1 А. В качестве VT1 можно использовать транзисторы типа КТ807, КТ815, КТ817.

Пять схем простых стабилизаторов

Классические схемы, которые неоднократно описаны во всех учебниках и справочниках по электронике.

Рис.1. Стабилизатор по классической схеме без защиты от КЗ в нагрузке. 5В, 1А.

Рис.2. Стабилизатор по классической схеме без защиты от КЗ в нагрузке. 12В, 1А.

Рис.3. Стабилизатор по классической схеме без защиты от КЗ в нагрузке. Регулируемое напряжение 0..20В, 1А

Стабилизатор на 5V 5A построен на основе статьи "Пятивольтовый с системой защиты", Радио №11 за 84г стр. 46-49. Схема действительно оказалась удачной, что не всегда бывает. Легко повторяема.

Особенно хороша идея тиристорной защиты нагрузки при выходе из строя самого стабилизатора. Если ведь он (стабилизатор) погорит, то ремонтировать что он питал себе дороже. Транзистор в стабилизаторе тока VT1 германиевый для уменьшения зависимости выходного напряжения от температуры. Если это не важно можно и кремниевый применить. Остальные транзисторы подойдут любые подходящие по мощности. При выходе из строя регулирующего транзистора VT3 напряжение на выходе стабилизатора превышает порог срабатывания стабилитрона VD2 типа КС156А (5.6V) открывается тиристор и коротит вход и выход, горит предохранитель. Просто и надежно. Назначение элементов регулировок указано на схемах.

Рис.4. Принципиальная схема стабилизатора с защитой от короткого замыкания в нагрузке и тиристорной схемой защитой при выходе из строя схемы самого стабилизатора.

Номинальное напряжение - 5В, ток - 5А.
RP1 - установка тока срабатывания защиты, RP2 - установка выходного напряжения

Следующая схема стабилизатора на 24V 2A

Рис.5. Принципиальная схема стабилизатора с защитой от короткого замыкания в нагрузке.

Номинальное напряжение - 24В, ток - 2А.
RP1 - установка выходного напряжения, R3 - установка тока срабатывания защиты.

Схема расчитанна на ток до 20 ампер. Напряжение на выходе стабилизатора ±19 вольт, а коэффициент стабилизации - не ниже 1000. Каждое плечо запитано гальванически развязанными питанием на 24 вольта, предусмотрена защита от короткого замыкания.

Теоретическая часть по источникам питания

Все существующие источники питания относят к одной из двух групп: первичного и вторичного электропитания. К источникам первичного электропитания относят системы, перерабатывающие химическую, световую, тепловую, механическую или ядерную энергию в электрическую. Например, химическую энергию преобразует в электрическую солевой элемент или батарея элементов, а световую энергию - солнечная батарея.

В состав источника первичного электропитания может входить не только сам преобразователь энергии, но и устройства и системы, обеспечивающие нормальное функционирование преобразователя. Зачастую непосредственное преобразование энергии затруднено, и тогда вводят промежуточное, вспомогательное преобразование энергии. Например, энергия внутриатомного распада на атомной электростанции может быть преобразована в энергию перегретого пара, вращающего турбину электромашинного генератора, механическую энергию которого преобразуют в электрическую энергию.

К источникам вторичного электропитания относят такие системы, которые из электрической энергии одного вида вырабатывают электрическую энергию другого вида. Так, например, источниками вторичного электропитания являются инверторы и конверторы, выпрямители и умножители напряжения, фильтры и стабилизаторы.

Классифицируют источники вторичного электропитания по номинальному рабочему выходному напряжению. При этом различают низковольтные источники питания с напряжением до 100 В, высоковольтные с напряжением более 1 кВ и источники питания со средним выходным напряжением от 100 В до 1 кВ.

Любые источники вторичного электропитания классифицируют по мощности Рн, которую они способны отдать в нагрузку. При этом выделяют пять категорий:

микромощные (Рн < 1 Вт);
маломощные (1 Вт < Рн < 10 Вт);
средней мощности (10 Вт < Рн < 100 Вт);
повышенной мощности (100 Вт < Рн < 1 кВт);
большой мощности (Рн > 1 кВт)

Источники питания могут быть стабилизированными и нестабилизированными. При наличии цепи стабилизации выходного напряжения стабилизированные источники обладают меньшей флюктуацией данного параметра, относительно нестабили-зированных. Поддержание неизменным выходного напряжения может быть достигнуто различными способами, однако все эти способы можно свести к параметрическому или компенсационному принципу стабилизации. В компенсационных стабилизаторах присутствует цепь обратной связи для отслеживания изменений регулируемого параметра, а в параметрических стабилизаторах такая обратная связь отсутствует.

Любой источник питания по отношению к сети обладает следующими основными параметрами:

минимальное, номинальное и максимальное питающее напряжение или относительное изменение номинального напряжения в сторону повышения или понижения;
вид питающего тока: переменный или постоянный;
число фаз переменного тока;
частота переменного тока и диапазон ее флюктуации от минимума до максимума;
коэффициент потребляемой от сети мощности;
коэффициент формы потребляемого от сети тока, равный отношению первой гармоники тока к его действующему значению;
постоянство питающего напряжения, которое характеризуется неизменностью параметров во времени

По отношению к нагрузке источник питания может обладать теми же параметрами, что и по отношению к питающей сети, и дополнительно характеризоваться следующими параметрами:

амплитуда пульсации выходного напряжения или коэффициент пульсации;
величина тока нагрузки;
тип регулировок выходных тока и напряжения;
частота пульсации выходного напряжения источника питания, в общем случае не равная частоте переменного тока питающей сети;
нестабильность выходных тока и напряжения под воздействием любых факторов, ухудшающих стабильность.

Кроме того, источники питания характеризуются:

КПД;
массой;
габаритными размерами;
диапазоном температур окружающей среды и влажности
уровнем генерируемого шума при использовании вентилятора в системе охлаждения;
устойчивостью к перегрузкам и к ударам с ускорением;
надежностью;
длительностью наработки на отказ;
временем готовности к работе;
устойчивостью к перегрузкам в нагрузках, и, как частный случай, коротким замыканиям;
наличием гальванической развязки между входом и выходом;
наличием регулировок и эргономичностью;
ремонтопригодностью.

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

Параметрический стабилизатор

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

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

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

Компенсационный стабилизатор

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

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

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

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

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

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

Стабилизаторы на микросхемах

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

Последовательный стабилизатор

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

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

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

Параллельный стабилизатор

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

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

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

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

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

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

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

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

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

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

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

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема приведена ниже):

1. Iст — ток через стабилитрон
2. Iн — ток нагрузки
3. Uвых=Uст — выходное стабилизированное напряжение
4. Uвх — входное нестабилизированное напряжение
5. R 0 — балластный (ограничительный, гасящий) резистор

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется (на самом деле конечно изменяется от Uст min до Uст max, но можно считать, что Uст min = Uст max = Uст).

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Уравнения, описывающие работу данной схемы:

Uвх=Uст+IR 0 , учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R 0 (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на нагрузке всегда было в пределах от Uст min до Uст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора :

R 0 =(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) (2)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно, то первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю, тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора , примет следующий вид:

Из этой формулы сразу виден один из недостатков такого параметрического стабилизатора — мы не можем сильно менять ток нагрузки, поскольку это сужает диапазон входного напряжения схемы, более того, можно увидеть, что диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилизации стабилитрона (поскольку в этом случае правая часть уравнения вообще становится отрицательной)

Если ток нагрузки постоянен или изменяется незначительно , тогда формула для определения области нормальной работы становится совсем элементарной:

Далее, давайте рассчитаем КПД нашего параметрического стабилизатора. Он будет определяться отношением мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности: КПД=Uст*Iн/Uвх*I. Если учесть, что I=Iн+Iст, то получим:

(5)

Из последней формулы видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, а также чем больше ток через стабилитрон — тем хуже КПД.

Чтобы понять, что значит «хуже» и насколько вообще плохо обстоит дело с КПД у этого стабилизатора — давайте, используя формулы выше, попробуем прикинуть, что будет, если понижать напругу скажем с 6-10 Вольт до 5-ти. Возьмём самый обычный стабилитрон, скажем КС147А. Ток стабилизации у него может меняться в пределах от 3-х до 53-х мА. Чтобы при таких параметрах стабилитрона получить область нормальной работы шириной в 4 Вольта — нам нужно взять балластный резистор на 80 Ом (воспользуемся формулой 4, как будто ток нагрузки у нас постоянный, поскольку если это не так, то всё будет ещё хуже). Теперь из формулы 2 можно посчитать на какой именно ток нагрузки мы можем в этом случае рассчитывать. Получается всего 19,5 мА, а КПД в этом случае будет, в зависимости от входного напряжения, в пределах от 14% до 61%.

Если для этого же случая посчитать на какой максимальный выходной ток мы можем рассчитывать при условии, что выходной ток не постоянный, а может меняться от нуля до Imax, то решив совместно системы уравнений (2) и (3), получим R 0 =110 Ом, Imax=13,5 мА. Как видите, максимальный выходной ток получился почти в 4 раза меньше максимального тока стабилитрона.

Более того, выходное напряжение, полученное на таком стабилизаторе, будет обладать значительной нестабильностью в зависимости от выходного тока (у КС147А на рабочем участке ВАХ напряжение меняется от 4,23 до 5,16В), что может оказаться неприемлемым. Единственный путь борьбы с нестабильностью в данном случае — взять более узкий рабочий участок ВАХ — такой, на котором напряжение меняется не от 4,23 до 5,16В, а скажем от 4,5 до 4,9В, но в этом случае и рабочий ток стабилитрона будет уже не 3..53мА, а скажем 17..40мА. Соответственно, и без того небольшая область нормальной работы стабилизатора станет ещё меньше.

Итак, единственный плюс такого стабилизатора — это его простота, тем не менее, как я уже говорил, такие стабилизаторы вполне себе существуют и даже находят активное применение в качестве источников опорного напряжения для более сложных схем.

Простейшая схема, позволяющая получить существенно больший выходной ток (или существенно более широкую область нормальной работы, или и то и другое) — .

Как известно, ни одно электронное устройство не работает без подходящего источника питания. В самом простейшем случае, в качестве источника питания может выступать обычный трансформатор и диодный мост (выпрямитель) со сглаживающим конденсатором. Однако, не всегда под рукой есть трансформатор на нужное напряжение. Да и тем более, такой источник питания нельзя назвать стабилизированным, ведь напряжение на его выходе будет зависеть от напряжения в сети.

Вариант решения этих двух проблем - использовать готовые стабилизаторы, например, . Они удобны в использовании, но опять-таки не всегда есть под рукой. Ещё один вариант - использовать параметрический стабилизатор на стабилитроне и транзисторе. Его схема показана ниже.

Схема стабилизатора на 1 транзисторе

VD1-VD4 на этой схеме - обычный диодный мост, преобразующий переменное напряжение с трансформатора в постоянное. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения, превращая напряжение из пульсирующего в постоянное. Параллельно этому конденсатору стоит поставить плёночный или керамический конденсатор небольшой ёмкости для фильтрации высокочастотных пульсаций, т.к. при большой частоте электролитический конденсатор плохо справляется со своей задачей. Электролитические конденсаторы С2 и С3 в этой схеме стоят с этой же целью - сглаживание любых пульсаций.

Цепочка R1 - VD5 служит для формирования стабилизированного напряжения, резистор R1 в ней задаёт ток стабилизации стабилитрона. Резистор R2 нагрузочный. Транзистор в этой схеме гасит на себе всю разницу входного и выходного напряжения, поэтому на нём рассеивается приличное количество тепла. Данная схема не предназначена для подключения мощной нагрузки, но, тем не менее, транзистор стоит прикрутить к радиатору с использованием теплопроводящей пасты.

Напряжение на выходе схемы зависит от выбора стабилитрона и значения резисторов. Ниже показана таблица, в которой указаны номиналы элементов для получения на выходе 5, 6, 9, 12, 15 вольт.

Вместо транзистора КТ829А можно использовать импортные аналоги, например, TIP41 или BDX53. Диодный мост допустимо ставить любой, подходящий по току и напряжению. Кроме того, можно собрать его из отдельных диодов. Таким образом, при использовании минимума деталей получается работоспособный стабилизатор напряжения, от которого можно питать другие электронные устройства, потребляющие небольшой ток. Фото собранного мной стабилизатора.