Параметрические стабилизаторы напряжения изготавливаются, как правило, с применением транзисторов, стабисторов и стабилитронов.Параметрические стабилизаторы имеют простую конструкцию и высокую надежность, но имеют низкий КПД. Схема параметрического стабилизатора напряжений состоит из балластного резистора Rо (для ограничения тока через стабилитрон), и стабилитрона, подключенного параллельно нагрузке, выполняющий основную функцию стабилизации. Iст - ток через стабилитрон; Iн - ток нагрузки; Uвых=Uст – стабилизированное напряжение на выходе; Rо – балансный резистор. Основным свойством стабилитрона, на базе которого функционирует параметрический стабилизатор напряжения, является то, что U на нем в рабочем диапазоне (от Iст min до Iст max) остается практически прежним. При этом изменения происходят от Uст min до Uст max, однако при этом принято подразумевать, что Uст min = Uст max = Uст. Коррекция тока нагрузки либо входного U не происходит (он сохраняет те же значения, что и на стабилитроне). Но при этом происходят изменения тока, проходящего через стабилитрон, а при изменении напряжения на входе выполняется корректировка тока, двигающегося по балластному резистору. В результате в балластном резисторе происходит гашение излишков напряжения на входе. Значение этого падения зависят от проходящего через него тока, который, в свою очередь, взаимосвязан с электротоком через стабилитрон. В силу этого любая коррекция электротока через стабилитрон напрямую отражается на величине падения U, отмечаемой в балластном резисторе. Для описания принципа данной схемы используется уравнение: Uвх=Uст+IRо, где с учетом I=Iст+Iн, получается, что Uвх=Uст+(Iн+Iст)Rо Для безукоризненного функционирования параметрического стабилизатора напряжения, которое определяется U на нагрузке в пределах от Uст min до Uст max, требуется следить за тем, чтобы через стабилитрон ток всегда оставался в границах от Iст min до Iст max. В частности, минимальные параметры тока через стабилитрон взаимосвязаны с минимальным U на входе и максимальной величиной электротока нагрузки. Сопротивление балластного резистора устанавливается следующим образом: Rо=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) Максимальные параметры тока через стабилитрон взаимосвязаны с максимальным напряжением на входе и минимальной величиной электротока нагрузки. ВАХ: Компенсационный стабилизатор напряжения является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации. Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа: Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа: Р – регулирующий элемент; И – источник опорного напряжения; ЭС – элемент сравнения; У – усилитель постоянного тока. Компенсационные стабилизаторы последовательного типа В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения Uо и нагрузкой Rн. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение Uо распределится между Р и Rн таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений Uоп и Uрег. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение Uрег, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке. Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора. Компенсационные стабилизаторы параллельного типа В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента Iр изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = Uо – IвхR1 = const остаётся стабильным. Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. studfiles.net Цель работы: Ознакомление с принципом работы параметрических стабилизаторов напряжения; Изучение принципа действия и исследование характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две группы показателей: 1) максимальное выходное напряжение, заданный диапазон регулирования выходного напряжения, допустимую относительную нестабильность выходного напряжения; 2) максимальный ток нагрузки, диапазон изменений тока нагрузки. Для того, чтобы нестабильность выходного напряжения укладывалась в заданные пределы, как при изменениях нагрузочного тока, так и при изменениях питающего напряжения, стабилизатор должен иметь соответствующие значения дифференциальных параметров - выходного сопротивления и коэффициента стабилизации. Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами: а) Коэффициент стабилизации – есть отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе при постоянной нагрузке: (1) б) Выходное сопротивление характеризует изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и постоянном входном напряжении: (2) в) Коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора – есть отношение номинальной мощности в нагрузке к номинальной входной мощности: (3) Различают три метода стабилизации: параметрический, компенсационный и смешанный. Параметрический метод основан на изменении параметров стабилизирующего элемента таким образом, чтобы скомпенсировать дестабилизирующие факторы. При этом используются бареттеры, стабилитроны, феррорезонансные цепи и другие нелинейные элементы. При компенсационном методе стабилизации величина выходного напряжения сравнивается с эталонным напряжением и разностное напряжение так воздействует на исполнительный элемент стабилизатора, что при этом компенсируются изменения выходного напряжения. В смешанных методах стабилизации одновременно используются параметрический и компенсационный методы. В параметрических стабилизаторах напряжения используется прибор с резко нелинейной зависимостью тока от напряжения – стабилитрон. Схема включения стабилитрона выбирается так, чтобы при колебаниях входного напряжения выходное напряжение практически не менялось. Схема параметрического стабилизатора напряжения на газоразрядном стабилитроне приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на газоразрядном стабилитроне Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона (рисунок 2) имеет участок АВ, на котором напряжение остаётся неизменным при изменении тока. Напряжение в пределах, соответствующих рабочему участку АВ характеристики, называется напряжением стабилизации. Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона Последовательно с параллельно включенным стабилитроном и резистором нагрузки (рисунок 1) включается балластный резистор , по которому протекает ток. Входное напряжение, где. Схема работает следующим образом. Пусть, например, изменяется входное напряжение . Если входное напряжение увеличивается, то должно увеличиться и напряжение на нагрузочном резисторе . Но стабилитрон работает в таком режиме, что незначительное повышение напряжения на нем вызывает резкое возрастание тока стабилитрона (рисунок 2). При этом увеличивается ток и падение напряжения на балластном резисторе. В результате падение напряжения на нагрузке остается практически неизменным. Рассмотрим другой возможный случай – изменение тока нагрузки. Увеличение тока должно вызывать уменьшение напряжения на нагрузке из-за дополнительного падения напряжения на балластном сопротивлении . Но незначительное уменьшение напряжения на стабилитроне вызывает резкое уменьшение тока в нем. В результате уменьшаются ток в балластном сопротивлении и падение напряжения на этом сопротивлении, а следовательно напряжение на нагрузке останется практически без изменения. Газоразрядные стабилитроны широко применяются в аппаратуре на электронных лампах. Однако они не могут быть изготовлены на напряжение ниже 75 в, неработоспособны при токах нагрузки более 50 мА, – имеют относительно низкий коэффициент стабилизации (8 ÷ 20) и недостаточную стабильность во времени. Поэтому помимо стабилизаторов с газоразрядными стабилитронами применяются полупроводниковые стабилизаторы, в которых для стабилизации напряжения используются кремниевые стабилитроны. В кремниевых стабилитронах рабочий участком вольтамперной характеристики является та часть ее, которая соответствует обратному току – обратному напряжению и расположена примерно параллельно оси тока (рисунок 3). Рисунок 3 – Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона Схема стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном, аналогичная схеме с газоразрядным стабилитроном, приведена на рисунке 4. Рисунок 4 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне Кремниевые стабилитроны выпускаются для значительно более широких интервалов рабочих напряжения (0,7 ÷ 300 В) и токов (единицы миллиампер – 2 А), имеют высокую стабильность во времени и малые габариты, т.е. особенно удобны для стабилизации напряжения питания транзисторных схем. Коэффициент стабилизации стабилизатора с кремниевым стабилитроном может достигать 100. Единственным недостатком некоторых типов стабилитронов является заметная температурная зависимость напряжения стабилизации, достигающая 0,1% на 1°С. studfiles.net 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. Рис.3.1. 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 (Rдиф=ΔUст./ ΔIст = ΔUН/ ΔIст –дифференциальное сопротивление) в) графическое представление состояния стабилитрона и принципа стабилизации напряжения на нагрузке (ΔUН<<ΔUвх) при изменении напряжения Uвх и большом сопротивлении нагрузки (RН>> Rдиф). 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: I0 - Iст - Iн = 0 (1) Uст( Iст ) - Rн Iн = 0 (2) - Uвх + RбI0 + RнIн = 0 (3) Преобразуем систему к одному уравнения относительно тока Iст. Из (1) имеем Iн = I0 - Iст , тогда из (3) следует - Uвх + RбI0 + Rн ( I0 - Iст ) = 0 , отсюда I0 =(Rн Iст + Uвх ) / (Rб + Rн) и из (2) получаем Uст(Iст) = Rн [ (Rн Iст + Uвх ) / (Rб+Rн) - Iст]. (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 Uвх , балластный резистор Rб и приемник Rн (рис. 3.4). Рис. 3.4. Преобразование части схемы методом эквивалентного активного двухполюсника. Эквивалентный источник имеет ЭДС Eэкв = UвхRн / ( Rн + Rб ) и сопротивление Rэкв = RбRн / ( Rн + Rб ). После эквивалентного преобразования схема рис.3.3а приобретает вид (рис.3.5) Рис.3.5 Из схемы на рис.3.5 получаем уравнение состояния параметрического стабилизатора: Uст ( Iст ) = Eэкв - Rэкв Iст (5) Если в (5) подставить выражения вместо Eэкв и Rэкв, 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 Rн значительно больше сопротивления балластного резистора Rб. Тогда сопротивление нагрузки можно не учитывать и в схеме виден делитель входного напряжения из балластного резистора Rб 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 Uвх1 и Uвх1 /Rб. При увеличении входного напряжения до Uвх2 (линия 2) увеличивается ток стабилитрона (рабочая точка A’), увеличивается напряжение на Rб , а напряжение на нагрузке соответственно увеличивается на ΔUн. При этом, как видно из графиков ΔUн << ΔUвх (Rдиф <<Rб). 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 Rдиф=ΔUст./ ΔIст = ΔUН/ ΔIст: Uст( Iст ) = U0 + Rдиф Iст С учетом этой линеаризации уравнение (5) можно переписать : U0+ RдифIст =Eэкв-Rэкв Iст (6). Здесь Eэкв= RНUвх/(RН+ RБ) и Rэкв = RБRН /(RБ+ RН). Из (6) следует уравнение, если учесть, что Rэкв>> Rдиф: Iст=(Eэкв- U0 )/ (Rэкв+ Rдиф) =(Eэкв- U0 )/ Rэкв (7). Подставим сюда выражение для Eэкв и получим Iст=(RНUвх/(RН+ RБ) - U0 )/ Rэкв = Uвх /RБ - U0 / Rэкв и напряжения на нагрузке принимает вид: Uн=Uст(Iст)=U0+ Rдиф (Uвх /RБ - U0 / Rэкв) (7) Отсюда следует, что при изменениях входного напряжения: ΔUн=(dUст/dUвх) * Δ Uвх= Rдиф/Rб * Δ Uвх (8) Отношение приращений напряжения на нагрузке и на входе параметрического стабилизатора равно: ΔUн /Δ Uвх = Rдиф/Rб (8) Если изменяется сопротивление нагрузки, то Uн= U0+ Rдиф [Uвх /RБ - U0 (RБ+ RН)/ (RБRН)] (9) Из уравнения (9) следует, что при изменениях сопротивления нагрузки так же будет достигаться эффект стабилизации напряжения на нагрузке ΔUн=(dUст/dRН) * Δ RН= Rдиф/ R2н* U0 Δ RН . В практических случаях параметры схемы и стабилитрона подбираются таким образом, чтобы рабочая точка на в.а.х. стабилитрона перемещалась в пределах участка стабилизации (Iст.мин ,Iст.макс) при необходимом Uст., которые записаны в паспорте стабилитрона. С помощью параметрического полупроводникового стабилизатора напряжения можно получить коэффициент стабилизации, который равен отношению относительных изменений входного и выходного напряжений: Kст. = (ΔUвх /Uвх )/ (ΔUвых /Uвых ) <=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: I0-Iст-Iн =0 (1а) U0+RдифIст-RнIн=0 (2а) - Uвх +RбI0+RнIн=0 (3а) Для малых изменений токов и напряжений, вызванных изменением входного напряжения, отсюда следует: ΔI0-ΔIст-ΔIн =0 (9) RдифΔIст-RнΔIн=0 (10) -ΔUвх +RбΔI0+RнΔIн=0 (11) Этой системе уравнений соответствует схема замещения, приведенная на рис.3.3 б. 39) Параметрические стабилизаторы напряжения: схемы, принцип действия. Параметрический стабилизатор напряжения схема
39) Параметрические стабилизаторы напряжения: схемы, принцип действия.
40) Компенсационные стабилизаторы напряжения: схемы, принцип действия.
Исследование полупроводникового стабилизатора напряжения
1 Краткие теоретические сведения.
1.1 Параметрический стабилизатор напряжения.
Параметрический стабилизатор напряжения.
Похожие статьи:
poznayka.org
Параметрические стабилизаторы напряжения | Техника и Программы
Стабилизатор напряжения является важным звеном в любом источнике питания. От устойчивости и стабильности питающего напряжения во многом зависит надёжность работы и долговечность всего устройства.
Для питания МК обычно применяют стабилизаторы двух видов: параметрические на стабилитронах и компенсационные на интегральных микросхемах. Многочисленные разновидности транзисторных стабилизаторов напряжения, которые публиковались в 1980-х годах, сейчас уже не актуальны. Причина банальная если нужно максимально дешёвое изделие, то ставят стабилитрон, а если нужен высокий коэффициент стабилизации и защита от перегрузок, то ставят малогабаритную интегральную микросхему.
Несмотря на простоту параметрических стабилизаторов напряжения, именно они хорошо отводят излишний ток, попадающий в цепь питания через входные диоды в стандартных схемах защиты линий портов МК (например, Рис. ЗЛО, б).
Следует учитывать, что низковольтные стабилитроны общего применения имеют «тестированный» ряд напряжений 3.0; 3.3; 3.6; 3.9; 4.3; 4.7; 5.1; 5.6; 6.2; 7.5; 8.2; 9.1; 12 В при точности ±5 или ±10%. Минимальный ток стабилизации согласно даташитам может составлять 1; 3; 5 мА. Мощность рассеяния стабилитронов бывает 0.5; 1; 3; 5 Вт, что зависит от их габаритных размеров и материала корпуса (металл или пластмасса). У поверхностно монтируемых стабилитронов в SMD-корпусе мощность рассеяния составляет 0.25 и 0.5 Вт.
Параметрические стабилизаторы положительного напряжения выполняются по схемам, приведенным на Рис. 6.5, а…е. Их ядром служат двух- или трёхвыво-дные стабилитроны, иногда дополненные транзисторными усилителями тока.
Рис. 6.5. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения (начало):
а) стандартный стабилизатор напряжения с балластным резистором R1 и стабилитроном VDI. Конденсаторы C1…СЗ снижают сетевые пульсации и ВЧ-помехи. Диод VD2 уменьшает выходное напряжение до необходимых +4.9…+5 В. Сопротивление резистора R1 должно быть таким, чтобы ток через стабилитрон VD1 находился в пределах ^ctmin-‘-^сгмах ,ю вс^м диа” пазоне входных напряжений, температур и токов нагрузки;
б) светодиод HL1 одновременно является индикатором наличия питания и частью стабилизатора напряжения. По яркости его свечения можно приблизительно судить о токе нагрузки. Важно, чтобы ток через индикатор HL1 всегда был меньше 20 мА, иначе следует увеличить сопротивление резистора R1 или поставить параллельно светодиоду резистивный шунт;
Рис. 6.5. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения (окончание):
в) повышение коэффициента стабилизации за счёт генератора тока на полевом транзисторе VT1. Транзистор VT2 увеличивает отдаваемую в нагрузку мощность. Выходное напряжение +5 В меньше напряжения стабилизации VD1 на 0.6…0.7 В из-за падения напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2.
г) базовая схема включения трёхвыводного стабилитрона VDI. Его достоинства повышенный до 800… 1000 коэффициент стабилизации и широкий диапазон тока нагрузки 1…100 мА. При полном замыкании резистора R2 выходное напряжение равняется внутреннему опорному напряжению стабилитрона VD1 (2.5 В). Замена VD1 любой трёхвыводной стабилитрон из серии «431» разных фирм-изготовителей;
д) стабилизатор напряжения с транзисторным усилителем тока. Выходное напряжение определяется по формуле = 1-25-(1 + R2 ,[кОм]/(R2 2[кОм] + /?3[кОм])) + 0.7, где R2, (R2 2) это сопротивление между верхним и средним (нижним и средним) отводами резистора R2 после регулирования. Число «0.7» означает.напряжение Ub7) транзистора VTI в вольтах. Число «1.25» означает внутреннее опорное напряжение стабилитрона VD1 в вольтах. В качестве замены подойдут любые трёхвыводные стабилитроны из серии «1431». Также можно использовать стабилитроны с опорным напряжением 2.5 В из серии «431», заменив число «1.25» числом «2.5» в расчётной формуле для ишх;
е) мощный «параллельный» стабилизатор напряжения с балластным резистором R1 и шунтирующим транзистором VT1. Выходное напряжение устанавливается резистором R2.
Источник:Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.
nauchebe.net
Параметрические стабилизаторы напряжения и тока
Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.
Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):
Стабилизатор тока
В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:
Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током Iст (смотри рисунок выше а). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:
При этом на нагрузке будет напряжение IстRн. За этими данными подсчитывают значения Uвх , которое нужно приложить к стабилизатору:
На этом и завершается расчет стабилизатора тока.
Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:
По заданному значению Uст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют Imin и Imax. По этим данным подсчитывают ток Iст = ( Imin + Imax)/2. Общий ток Iвх равен Iст + Uст/Rн. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке Uст = Iст Rн при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе Uвх выбирают процентов на 20 выше чем Uст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе Rб, величину которого найдем по формуле:
Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:
При Kст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше Kст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.
У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.
elenergi.ru
Расчет параметрических стабилизаторов напряжения. Простейший параметрический стабилизатор напряжения
Расчет параметрических стабилизаторов напряжения.- Простейший параметрический стабилизатор напряжения.
висит от тока, протекающего через стабилитрон), рис.2.
При колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки изменяется ток IСТ, протекающий через стабилитрон. Однако обратное напряжение UСТ остается практически постоянным. Небольшое изменение напряжения стабилизации UСТ может быть учтено через дифференциальное сопротивление прибора , приводимое в справочниках. Для поддержания режима стабилизации необходимо, чтобы величина тока стабилизации IСТ находилось в пределах IСТ MIN … IСТ MAX, где IСТ MIN , IСТ MAX – минимальное и максимальное значения обратного тока стабилитрона, приводимое в справочниках. Обычно IСТ MIN=1...3 mА для маломощных стабилитронов, у которых максимальных обратный ток не превышает 100 mА.Балластный резистор RБ ограничивает ток, протекающий через стабилитрон. Благодаря RБ величина обратного тока не превышает ICT MAX и тем самым предотвращается необратимый тепловой пробой опорного диода VD.
- Расчет параметрического стабилизатора по схеме рис.1.
- Выходное напряжение (напряжение на нагрузке) UВЫХ;
- Максимальный ток нагрузки IН MAX;
- Минимальный ток, потребляемый нагрузкой IН MIN;
- Требуемый коэффициент стабилизации KСТ;
- Допустимые процентные отклонения входного напряжения от номинального значения в сторону его уменьшения и увеличения ;
- Выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току RВЫХ.
- Выбирают стабилитрон и определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации KСТ ПР
UВЫХ [В] – выходное напряжение;
[%] – допустимое процентное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным;
IН MAX [A] – максимальный ток, потребляемый нагрузкой;
IСТ MIN [A] – минимальный обратный ток выбранного стабилитрона;
rД [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 KСТ 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.
- Находят необходимое входное напряжение , где KСТ – заданный (требуемый) коэффициент стабилизации.
- Рассчитывают сопротивление балластного резистора ,
- Определяют максимальный ток стабилитрона по формуле:
где IН MIN – минимальный ток нагрузки;
- допустимое процентное увеличение входного напряжения.
Если нагрузка постоянна, то IН MAX=IН MIN. Значение максимального обратного тока выбранного стабилитрона должно превышать значение IСТ 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: UСТ=9…10,5 В; IСТ=3…26 mA; rД=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 (20mAБ770 Ом и VD – Д810.
- Повышение нагрузочной способности параметрического стабилизатора.
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 IБ, 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:
- Величина тока нагрузки уменьшается до приемлемой величины (единиц или десятков mA), соответствующей маломощному стабилитрону и определяется потребное значение усиления по току , где IH MAX – максимальный ток нагрузки (см. п.2).
- Выбирается один или несколько транзисторов для получения необходимого значения коэффициента передачи тока . При этом, в первую очередь, следует обратить внимание на выполнение условия , где IK MAX – максимально допустимый ток коллектора проходного транзистора.
- В соответствии с разделом 2 рассчитывается RБ и выбирается стабилитрон VD. При этом необходимо учитывать, что вместо IH MAX подставляется , а выходное напряжение увеличивается на величину UБЭ проходного транзистора: , где - значение выходного напряжения, принимаемое при расчетах.
- Для выбранного транзистора проверяются условия:
UКЭ 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 RP, образующем делитель опорного напряжения. Особенность расчета схемы заключается в том, что принимается равным сумме токов базы транзистора IБ и делителя IД: , так как для нормальной работы схемы ток IД должен превышать IБ как минимум в 3…5 раз. Из этого условия и выбирается сопротивление резистора RP.
- 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 |
flatik.ru
Параметрический стабилизатор напряжения — Меандр — занимательная электроника
Читать все новости ➔
Основная область применения стабилитронов – параметрические стабилизаторы напряжения. Схема такого стабилизатора изображена на рис. 3.5.
На нагрузке Rн напряжение равно напряжению на стабилитроны. Так как в режиме пробоя напряжение на стабилитроне почти постоянно и равно напряжению стабилизации, то таким оно будет и на нагрузке. Входное напряжение U1 должно быть обязательно больше, чем Uст. Разность между U1 и U2 =Uст гасится на балластном резисторе Rб
U1-U2=(Iст+Iн)Rб или U1=U2+(Iст+Iн)Rб (3.1)
При изменении входного напряжения изменяются падение напряжения на балластном резисторе, ток через этот резистор и, следовательно, ток через стабилитрон. Напряжение на нагрузке остается практически неизмененным.
Пределы изменения входного напряжения, при которых возможна стабилизация, определяются из (3.1):
U1min=U2+(Iстmin+Iн)Rб (3.2)
U1max=U2+(Iстmax+Iн)Rб . (3.3)
Снизу этот предел ограничен неустойчивостью пробоя при малых токах, сверху – допустимой мощностью, рассеиваемой стабилитроном.
Основными параметрами стабилитрона являются коэффициент стабилизации и выходное сопротивление. Коэффициент стабилизации в общем случае определяется как
kст=(ΔU1/U1)/(ΔU2/U2). (3.4)
Имея в виду, что в режиме пробоя стабилитрон имеет динамическое сопротивление Rд , из схемы (рис. 3.5) находим
ΔU2=ΔU1((Rd||Rн)/(Rб+Rd||Rн))
. (3.5)
Из (3.4) и (3.5) получаем
kст=(U2/U1) ((Rб+Rd||Rн)/(Rd||Rн)) . (3.6)
Поскольку в практических случаях Rd«Rн и Rd«Rб, то
kст≈(U2/U1) (Rб+Rd). (3.7)
По поводу соотношения (3.7) следует заметить, что увеличение Rб не приводит к существенному увеличению kст, так как при заданном токе через стабилитрон одновременно необходимо увеличить U1 в соответствии с соотношением (3.1).
Если стабилизатор не обеспечивает требуемого коэффициента стабилизации, то его можно увеличить цепочечным включением двух или более стабилизаторов.
Выходное сопротивление стабилизатора можно определить как выходное сопротивление любого четырехполюсника: найти сопротивление относительно выходных зажимов при Rн→∞ и ΔU1=0 (при коротком замыкании на входе для малого сигнала).
Из рис. 3.5 видно, что
Rвых=Rd||Rб≈Rd. (3.8)
Недостатком параметрического стабилизатора является малый кпд из-за потерь мощности на балластном резисторе. Поэтому он применяется только в маломощных источниках стабильного напряжения.
Контрольные вопросы
1. Какую область полупроводникового диода называют базой?
2. Как и по каким причинам изменяется прямая ветвь ВАХ диода с увеличением его температуры?
3. Как влияют процессы генерации и рекомбинации носителей заряда на ВАХ диода?
4. Что такое p-i-n-диод?
5. Как зависит пробивное напряжение диодов при лавинном пробое от концентрации примесей в базе и от её удельного сопротивления?
6. Объяснить различия в ВАХ германиевых и кремниевых диодов.
7. В чём проявляется инерционность процесса переключения в диодах и как она уменьшается в импульсных диодах?
8. Назвать основные параметры стабилитрона.
9. Как зависит напряжения пробоя от температуры?
10. Изобразить схему параметрического стабилизатора напряжения и объяснить его работу.
Возможно, Вам это будет интересно:
meandr.org
Поделиться с друзьями: