Стабилизаторы напряжения: схемы, параметры, диаграммы. Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL) Расчет стабилизатора напряжения на транзисторе и стабилитроне

Важнейшими параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации K ст, выходное сопротивление R вых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения K ст = [ ∆u вх / u вх ] / [ ∆u вых / u вых ]

где u вх, u вых - постоянные соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u вх - изменение u вх ; ∆u вых - изменение u вых , соответствующее изменению ∆u вх.

Таким образом, коэффициент стабилизации - это отношение относительного изменения на входе к соответствующему относительному изменению на выходе стабилизатора.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K ст составляет единицы, а у более сложных - сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением R вых = | ∆u вых / ∆i вых |

где ∆u вых - изменение постоянного на выходе стабилизатора; ∆i вых - изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R вых составляет единицы Ом, а у более совершенных - сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η ст - это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р н, к мощности, потребляемой от входного источника Р вх: η ст = Р н / Р вх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).

Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного u э (на ∆u э), а значит, и входного u вх, выходное изменяется на незначительную величину ∆u вых.

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆u вых.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного ∆u вх (на схеме пунктир): R вых = r д || R 0 ≈ r д, т.к. R 0 >> r д η ст = (u вых · I н) / (u вх · I вх) = (u вых · I н) / [ u вх (I н + I вх) ].

K ст = (∆u вх / u вх) : (∆u вых / u вых) Так как обычно R н >> r д Следовательно, K ст ≈ u вых / u вх · [ (r д + R 0) / r д ]

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада - на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь нагрузки, а падение на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов - на рис. 2.85.


Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R 1 - для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 % , в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения .

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор

Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения на нагрузке. на выходе регулируют, изменяя отношение t вкл / t выкл, где t вкл, t выкл - длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

Схема простейшего параметрического стабилизатора, построенного на полупроводниковом стабилитроне, представлена на рис.1.
Принцип действия стабилизатора основан на том, что полупроводниковый стабилитрон VD имеет на обратной ветви своей вольтамперной характеристики участок с большой крутизной (обратное напряжение U ОБР или напряжение стабилизации U СТ практически не за

в
исит от тока, протекающего через стабилитрон), рис.2.

При колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки изменяется ток I СТ, протекающий через стабилитрон. Однако обратное напряжение U СТ остается практически постоянным. Небольшое изменение напряжения стабилизации U СТ может быть учтено через дифференциальное сопротивление прибора
, приводимое в справочниках. Для поддержания режима стабилизации необходимо, чтобы величина тока стабилизации I СТ находилось в пределах I СТ MIN … I СТ MAX , где I СТ MIN , I СТ MAX – минимальное и максимальное значения обратного тока стабилитрона, приводимое в справочниках. Обычно I СТ MIN =1...3 mА для маломощных стабилитронов, у которых максимальных обратный ток не превышает 100 mА.

Балластный резистор R Б ограничивает ток, протекающий через стабилитрон. Благодаря R Б величина обратного тока не превышает I CT MAX и тем самым предотвращается необратимый тепловой пробой опорного диода VD.

1. 
   Расчет параметрического стабилизатора по схеме рис.1.

Исходными данными для расчета стабилизатора напряжения, рис.1, являются:


Порядок расчета стабилизатора следующий:

1. 
   Выбирают стабилитрон и определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации K СТ ПР

, где

U ВЫХ [В] – выходное напряжение;

[%] – допустимое процентное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным;

I Н MAX [A] – максимальный ток, потребляемый нагрузкой;

I СТ MIN [A] – минимальный обратный ток выбранного стабилитрона;

r Д [Ом] – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Примечание: в общем виде коэффициентом стабилизации напряжения называют частное от деления относительного изменения напряжения на входе на относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора
.

Величина K СТ ПР должна быть больше требуемого коэффициента стабилизации в 1,3…1,5 раза. Если данное условие не выполняется, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к более сложной схеме стабилизатора.

где R ВЫХ – выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току.

1. 
   Определяют максимальный ток стабилитрона по формуле:

,

где I Н MIN – минимальный ток нагрузки;

- допустимое процентное увеличение входного напряжения.

Если нагрузка постоянна, то I Н MAX =I Н MIN . Значение максимального обратного тока выбранного стабилитрона должно превышать значение I СТ MAX , рассчитанное по формуле (4). Если это условие не выполняется, можно попытаться подобрать другой стабилитрон. В случае неудачи реализация параметрического стабилизатора по схеме рис.1 с заданными требованиями невозможна и следует использовать усилитель тока нагрузки.

Рассмотрим пример расчета стабилизатора.

Пусть необходим стабилизатор напряжения, поддерживающий на нагрузке напряжение примерно 10В. Минимальный ток нагрузки 5mA, максимальный – 15 mA. Требуемый коэффициент стабилизации не менее 25. Допустимое отклонение входного напряжения от номинального значения 10%. Выходное сопротивление стабилизатора равно 25 Ом.

В соответствии со справочными данными, одним из подходящих стабилитронов является Д810 со следующими параметрами: U СТ =9…10,5 В; I СТ =3…26 mA; r Д =12 Ом.

Используя (1) оценим предельно возможный коэффициент стабилизации
. Это более чем в 1,5 раза больше требуемого коэффициента стабилизации.

Определим необходимое входное напряжение в соответствии с (2):
.

Рассчитаем сопротивление балластного резистора по формуле (3): .

Оценим максимальный ток стабилитрона в соответствии с (4):

Полученный максимальный ток стабилизации меньше предельно допустимого обратного тока стабилитрона (20mA

При больших токах нагрузки рекомендуется использовать схему, рис.3.

Для усиления тока нагрузки используется проходной транзистор VT, включенный по схеме эмиттерного повторителя. Коллекторный ток транзистора и, соответственно, ток нагрузки в  раз больше тока базы I Б, где  - коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Для типовых мощных транзисторов  составляет примерно 10…50 единиц. Для увеличения  либо используют несколько транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, либо составные транзисторы, например, КТ825, КТ827.

Расчет схемы (рис.3.а) сводится к следующему:

U КЭ MAX – максимальное допустимое значение напряжения между коллектором и эмиттером выбранного транзистора;

 MIN – минимальное значение коэффициента передачи тока выбранного транзистора (определяется по справочнику).

Если выбранный транзистор не удовлетворяет данным условиям, выбирают новый транзистор и повторяют расчет с п.2.

Стабилизатор, рис.3б., позволяет регулировать выходное напряжение резистором R P , образующем делитель опорного напряжения. Особенность расчета схемы заключается в том, что принимается равным сумме токов базы транзистора I Б и делителя I Д: , так как для нормальной работы схемы ток I Д должен превышать I Б как минимум в 3…5 раз. Из этого условия и выбирается сопротивление резистора R P .

1. 
   Индивидуальные задания.

Вариант	Выходное напряжение, В	Ток нагрузки, mA		Коэффициент стабилизации, не менее	Допустимые отклонения входного напряжения в %
		Минимальный	Максимальный
1	10	2	18	15	5	5
2	9	5	20	18	15	15
3	12	10	25	14	10	7
4	12	10	100	10	10	5
5	9	5	130	12	10	10
6	5	3	15	18	7	12
7	0…10	10	200	10	8	10
8	0…5	8	150	12	12	12
9	4	10	19	20	7	15
10	8	7	17	22	5	5
11	0…12	7	180	15	5	12
12	0…10	5	400	10	10	10
13	0…5	10	600	14	4	8
14	15	4	22	28	13	10
15	20	3,5	14,5	17	3	5
16	17	4	28	25	15	20
17	9	10	400	15	4	10
18	10	8	500	18	6	6
19	7	1,8	13	22	9	11
20	18	4	180	26	4	5
21	0…9	5	450	10	5	5
22	0…7	5	700	12	7	7
23	0…15	10	400	15	4	8
24	0…18	5	300	19	3	5
25	12,5	4,5	23	26	11	15
26	26	3	11	20	7	8
27	0…12	8	500	10	5	5
28	0…10	5	650	17	7	8
29	9,5	5	800	5	12	12
30	5	6	1200	5	15	15
31	4	5	1300	8	3	3
32	10	10	1500	5	5	5
33	12	8	840	10	5	5
34	15	4	900	15	5	5
35	18	10	1300	12	10	10
36	20	10	1500	12	10	10
37	0…12	8	1300	10	7	7
38	0…10	8	1500	10	3	3
39	0…15	5	1500	8	10	10
40	0…18	5	1500	12	10	10

Примечание: выходное сопротивление выпрямителя принять равным 20 Ом.

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

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

Рис. 3.2. Пример вольтамперной характеристики полупроводникового стабилитрона.

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

Рис. 3.3. Параметрический стабилизатор напряжения.

а) электрическая схема стабилизатора,

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

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

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

Схема на рис.3.3а описывается нелинейной системой уравнений:

I 0 - I ст - I н = 0 (1)

U ст (I ст) - R н I н = 0 (2)

- U вх + R б I 0 + R н I н = 0 (3)

Преобразуем систему к одному уравнения относительно тока I ст.

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

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

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

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

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

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

Эквивалентный источник имеет

ЭДС E экв = U вх R н / ( R н + R б) и

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

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

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

U ст (I ст) = E экв - R экв I ст (5)

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

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

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

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

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

U ст (I ст) = U 0 + R диф I ст

С учетом этой линеаризации уравнение (5) можно переписать:

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

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

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

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

Подставим сюда выражение для E экв и получим

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

и напряжения на нагрузке принимает вид:

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

Отсюда следует, что при изменениях входного напряжения:

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

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

ΔU н /Δ U вх = R диф /R б (8)

Если изменяется сопротивление нагрузки, то

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

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

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

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

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

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

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

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

Демонстрация ВАХ реального стабилитрона demo3_1 приведена на рис. 3.6

Рис. 3.6. К demo3_1.

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

Рис. 3.7.К demo3_2.

Замечание.

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

I 0 -I ст -I н =0 (1а)

U 0 +R диф I ст -R н I н =0 (2а)

- U вх +R б I 0 +R н I н =0 (3а)

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

ΔI 0 -ΔI ст -ΔI н =0 (9)

R диф ΔI ст -R н ΔI н =0 (10)

-ΔU вх +R б ΔI 0 +R н ΔI н =0 (11)

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

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

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

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

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

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

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

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

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

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

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем:

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

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

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

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

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

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

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

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

Электропитание маломощных устройств РЭС с небольшим пределом изменения тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опорного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах напряжения и тока.

Параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабис-тора, дросселя насыщения. Структурная схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 15.1. В ней нелинейный элемент НЭ подключен к входному питающему напряжению?/ 0 через гасящий резистор /?„ а параллельно НЭ включена нагрузка Я н. При увеличении входного напряжения?/ 0 ток через нелинейный элемент НЭ увеличивается, в результате этого возрастает падение напряжения на гасящем резисторе так, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным. Стабильность выходного напряжения в параметрическом стабилизаторе определяется наклоном вольтамперной характеристики НЭ и является невысокой. В параметрическом стабилизаторе нет возможности плавной регулировки выходного напряжения и точной установки его номинала.

Как отмечалось, для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной ВАХ. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон. Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 15.2.

Рис. 15.1

Рис. 15.2. Схема однокаскадного параметрического стабилизатора

В этой схеме при изменении входного напряжения и т на ±Д С/ т ток через стабилитрон VI) изменяется на А/ ст, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне (на ±Д?/„), а следовательно, и на нагрузке. Значение Д{/ н зависит от Д?/ вх, сопротивления ограничивающего резистора Я т и

ди ст

дифференциального сопротивления стабилитрона г ст = --.

д1 ст

На рис. 15.3 приведен пример статической характеристики стабилизатора для пояснения принципа стабилизации и определения коэффициента стабилизации.

Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН нарис. 15.2 и характеристикам на рис. 15.3 представляется как

А и к и т

и, „ « г

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. На рис. 15.4 приведены зависимости г ст маломощных стабилитронов от напряжения стабилизации для различных токов стабилизации / сх. Из графиков видно, что при увеличении / ст дифференциальное сопротивление уменьшается и достигает

минимального значения для стабилизации 6-8 В.

стабилитронов с напряжением

Рис. 15.4.

Рис. 15.5.

Температурный коэффициент напряжения а н стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температуры. На рис. 15.5 приведена зависимость а н от напряжения стабилизации. Для приборов с и ст > 5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (У0 2 , К/) 3 на рис. 15.6, а).

Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопротивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направлении г диф, которое зависит от выбранного типа диода и режима его работы. В качестве примера на рис. 15.7 приведены зависимости г диф от прямого тока для не-

Рис. 15.6.

а - с термокомпенсирующими диодами К/) 2 , К/) 3 ; б - двухкаскадного стабилизатора; в - мостового стабилизатора с одним стабилитроном; г - мостового стабилизатора с двумя стабилитронами; д - стабилизатора с эмиттерным повторителем; е - с токостабилизирующим двухполюсником; ж - с токостабилизирующими транзисторами различной проводимости п-р-п ир-п-р

которых типов диодов и стабилитронов, включенных в прямом направлении. Необходимо отметить, что термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение г ст и пониженный коэффициент стабилизации. На рис. 15.8 приведены зависимости температурного коэффициента от величины прямого тока для стабилитронов типа Д814 и диода ДЗ10, которые могут быть использованы для температурной компенсации.

Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения ПСН, то применяются двухкаскадные или мостовые схемы стабилизаторов, приведенные на рис. 15.6, б , в, г. Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадных ПСН (рис. 15.6, б), осуществляемая с помощью элементов Я г, УЕ) и Г/) 2 , позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения

Я Г Я г2

к = к к ~ -1Л__ г| _

ст2к К ст1 К ст2 у,)(у

^ нх "ст1 " *ст2/"стЗ " "ст4 " "ст5 /

где к ст, к ст2 - коэффициенты стабилизации первого и второго каскадов; г стЬ г ст2 - дифференциальные сопротивления стабилитронов -КТ> 3 ; а*ст4, ^ст5 - дифференциальные сопротивления

диодов Уй 4, Г/) 5 . Температурный уход напряжения на нагрузке и внутреннее сопротивление двухкаскадного ПСН такие же, как в схеме на рис. 15.6, а.

Рис. 15.7.

от прямого тока

Рис. 15.8.

от прямого тока

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах (рис. 15.6, в , г) достигается за счет компенсирующего напряжения, возникающего на резисторе R 2 или стабилитроне VD при изменениях входного напряжения. Коэффициент стабилизации при R H = const:

для схемы рис. 15.6, в

и»

U,Ar„/R 3 -R 2 /R,y

где U H - напряжение на нагрузке R„;

для схемы на рис. 15.6, г

где г ст і и г ст 2 - дифференциальные сопротивления стабилитронов уЬ и уо 2 .

В мостовых параметрических стабилизаторах теоретически коэффициент стабилизации может быть бесконечно большим, если выбрать элементы, исходя из условий: для рис. 15.6, в г ст /Я 3 = R 2 /R а для схемы на рис. 15.6, г г ст2 /Я 2 = г ст /Я. Внутреннее сопротивление для схемы на рис. 15.6, в г н = г С1 + Я 2 , а для схемы на рис. 15.6, г

Г н Гст1+ Г -т2-

Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения в схемах ПСН на рис. 15.6, б-г достигается за счет значительного ухудшения КПД по сравнению со схемой на рис. 15.3. Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 15.6, е за счет применения в ней источника тока, выполненного на транзисторе УТ, стабилитроне У[) (вместо которого могут быть включены два диода, последовательно соединенных в прямом направлении) и резисторах Я э и /? б. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон У1) 2 и тем самым резко уменьшить отклонения напряжения на нагрузке при больших изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 15.2.

Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в базовой цепи (рис. 15.6, д ), то мощность нагрузки может быть увеличена. Коэффициент стабилизации ПСН на рис. 15.6, д

• (15.5)
• (15.6)

к - * и -

" (1 + цг ст /А 0)?/ и ’

а внутреннее сопротивление

/?(/)« р(г э +/* б /Л 21э);

г б, г э, И 2 э - соответственно сопротивления базы, эмиттера, коллектора и коэффициент передачи тока в схеме ОЭ транзистора.

Однако такой ПСН при 1/ ст > 5,5 В по температурному уходу уступает стабилизаторам, приведенным на рис. 15.6, а-г.

На рис. 15.6, ж приведена схема ПСН с дополнительными транзисторами различной проводимости. Для нее характерным является высокая стабильность выходного напряжения и возможность одновременного подключения двух нагрузок /? Н | и Я н2 к различным шинам входного напряжения. По коэффициенту стабилизации и температурному уходу эта схема незначительно превосходит схему на рис. 15.6, е , а внутренние сопротивления г ст ] и г ст 2 определяются стабилитронами СД и Е/) 2 соответственно.