Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах
Приведена техника упрощенного расчета параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.
Простой параметрический стабилизатор напряжения
Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.
Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.
И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.
Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.
Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.
Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.
Стабилизатор напряжения с применением транзистора
Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).
Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.
Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:
Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.
где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.
Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.
К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).
Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.
Возьмем такие исходные данные:
- Входное напряжение Uвх = 15V,
- выходное напряжение Uвых = 12V,
- максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.
Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?
Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.
По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.
Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.
Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.
Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.
Теперь вычисляем сопротивление R1:
R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.
Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.
А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:
Р = (Uвх — Uвых) * Івых.
В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.
Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).
Схема на составном транзисторе
Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h21э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4). В такой схеме общий h21э будет примерно равен произведению h21э обоих транзисторов.
Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на основе составного транзистора.
Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,ЗV.
Это нужно учесть при выборе стабилитрона, — его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,ЗV больше требуемого выходного напряжения.
К тому же появился резистор R2. Его назначение — подавлять реактивную составляющую транзистора VТ2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе.
Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.
Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе
Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.
- Iк — коллекторный ток транзистора
- Iн — ток нагрузки
- Iб — ток базы транзистора
- IR — ток через балластный резистор
- Uвх — входное напряжение
- Uвых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
- Uст — падение напряжения на стабилитроне
- Uбэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора
Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы параметрического стабилизатора на стабилитроне? Да почти ничем их работа не отличается, — напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока. То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.
Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора. Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода — примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.
Теперь добавим немного математики.
С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: Uвых=Uст-Uбэ, давайте рассчитаем R0 и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка — кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:
Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R0 и области нормальной работы тоже очень похожи.
Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:
Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне 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 базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:
Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением Iэ=Iб(h21Э+1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо Uст min возьмём просто Uст), то получим, что
h21Э+1 — это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h21K), но поскольку h21Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое «+1» выкидывают и считают, что h21К=h21Э, тогда формула (3) становится чуть проще:
Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора 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:
Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что Iн=Iэ=Iбh21Э («+1» — выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:
Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне — при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.
Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (Iст=3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до Imax. Транзистор возьмём КТ815А (h21Э=40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R0 около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.
Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора. Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в статье про параметрический стабилизатор на стабилитроне, чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).
Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные — нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне. Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона. Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h21Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.
Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h21Э будет гораздо больше.
Ну и самый писк — сделать компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе, поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много — много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, — ещё более стабильное выходное напряжение).
Есть другой вариант — можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.
На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).
Понравилась статья? Поделись с друзьями!
Параметрический стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе
Параметрическими стабилизаторами напряжения называют электронные устройства, позволяющие получать на нагрузке стабильное (выходное) напряжение при нестабильном входном напряжении с помощью активных компонентов, отличающихся сильной нелинейностью своих вольт-амперных характеристик.
Далее мы рассмотрим давно ставшую классической схему простого параметрического стабилизатора напряжения на основе транзистора и стабилитрона в цепи его базы.
Стабилизатор данного типа может быть легко положен в основу любительского источника питания, максимальный ток нагрузки у которого будет определяться коэффициентом передачи тока примененного здесь транзистора и его максимально допустимым током коллектора . Главная задача — обеспечить надлежащее охлаждение регулирующего транзистора.
В качестве источника входного напряжения обычно принимается выпрямленное переменное напряжение со вторичной обмотки понижающего сетевого трансформатора. Понятно, что напряжение в сети, а значит и на выходе вторичной обмотки трансформатора, все время в небольших пределах скачет.
И здесь не достаточно просто выпрямить. Необходимо это напряжение как-то стабилизировать. Проблема в том, что обычные интегральные стабилизаторы (так называемые кренки) не всегда в состоянии обеспечить требуемый ток. Именно в этих условиях часто и спасает применение силового транзистора.
Итак, что мы видим на схеме: стабилитрон Dz, ограничительный резистор Ro, регулирующий транзистор T и сопротивление нагрузки Rн.
Стабилитрон, как известно, выполняет роль слаботочного ограничителя напряжения, и у каждого стабилитрона есть свое номинальное напряжение стабилизации, а также предельный ток, при котором это напряжение стабилизации достаточно стабильно.
Например, стабилитрон типа 1N4743A имеет напряжение стабилизации 13 вольт и в принципе он способен обеспечить, хотя и с существенным разогревом собственного корпуса, ток стабилизации до 30 мА.
Ток стабилизации в 19 мА — приемлемый рабочий ток для данного стабилитрона, при котором его дифференциальное сопротивление равно 700 Ом.
Допустим, входное напряжение у нас будет плавать в диапазоне от 13 до 15 вольт. Тогда пусть 19 мА будет максимальным током стабилизации стабилитрона Dz. Значит последовательно со стабилитроном необходимо включить ограничительный резистор Ro номиналом 100 Ом.
В этих условиях, при подключенной к выходу стабилизатора нагрузке, (при присоединенном резисторе Rн) между базой и эмиттером силового транзистора T будет присутствовать характерное для кремниевого транзистора падение напряжения величиной около 0,7 вольт, мало зависящее от тока через транзистор Т (от тока нагрузки).
Транзистор будет открыт и станет питать нагрузку лишь при условии, что потенциал на его базе превышает потенциал на его эмиттере на 0,7 вольт. В результате, поскольку на стабилитрон приходится ровно 13 вольт, на сопротивление нагрузки придется около 12,3 вольт, но никак не более.
Если напряжение на входе превысит 13 вольт, — избыток напряжения попросту упадет на переходе коллектор-эмиттер транзистора Т в процессе параметрического регулирования выходного напряжения. На выходе, на нагрузке, будет устойчиво удерживаться 12,3 вольта. То есть напряжение будет таким образом стабилизировано на этому уровне.
Здесь необходимо отметить, что при небольшом токе нагрузки, порядка нескольких микроампер, выходное напряжение подобного стабилизатора возрастет.
Напряжение холостого хода при разомкнутой цепи на выходе будет на 0,6-0,7 В больше нормального напряжения стабилизации, поскольку напряжение между базой и эмиттером при столь малых токах приближается к нулю.
Именно по этой причине к выходу такого стабилизатора всегда подключают балластный резистор, обеспечивающий минимальный ток холостого хода в несколько миллиампер.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Параметрический стабилизатор напряжения
Параметрические стабилизаторы напряжения изготавливаются, как правило, с применением транзисторов, стабисторов и стабилитронов.
Данное устройство характеризуется невысоким КПД, вследствие чего используются в качестве модулей слаботочных схем, в которых имеются нагрузки не выше пары десятков миллиампер. Чаще всего они распространены в компенсационных стабилизирующих устройствах в роли опорных источников напряжения.
Параметрические стабилизаторы напряжения подразделяются на мостовые, однокаскадные и многокаскадные.
Принцип работы параметрических стабилизаторов напряжения
Представляем схему простого устройства данного типа, в основе которого находится стабилитрон:
- Iст — электроток через стабилитрон
- Iн — электроток нагрузки
- Uвых=Uст — стабилизированное напряжение на выходе
- Uвх — нестабилизированное напряжение на входе
- R0 — балластный (гасящий, ограничивающий) резистор
Основным свойством стабилитрона, на базе которого функционирует параметрический стабилизатор напряжения, является то, что U на нем в рабочем диапазоне вольт-амперной характеристики (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).
Составленная схема параметрического стабилизатора напряжения дает понять, что 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:
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:
Максимальные параметры тока через стабилитрон взаимосвязаны с максимальным напряжением на входе и минимальной величиной электротока нагрузки Вследствие этого, используя уравнение (1), достаточно просто устанавливается область, в которой параметрический стабилизатор напряжения функционирует нормально.
Расчет области нормального функционирования стабилизирующего устройства:
Выполнив перегруппировку этого выражения, получаем:
Если взять во внимание незначительные отличия между минимумом и максимумом напряжения стабилизации (Uст min и Uст max), то значение первого слагаемого в правой части уравнения можно привести к нулю, что, в итоге, создает уравнение, описывающее область нормальный функционал прибора, приобретающее следующую форму:
В случае постоянного тока нагрузки либо с незначительными изменениями, применяемая для установления области нормального функционала устройства формула переходит в разряд элементарных:
Расчет КПД параметрических стабилизаторов
На следующем этапе установим КПД рассматриваемого параметрического стабилизатора напряжения. Для его определения используется отношение мощности, которая уходит в нагрузку к мощности на входе в устройство:
С учетом I=Iн+Iст получаем:
Последняя приведенная формула показывает, что увеличение разницы между U на входе и выходе стабилизатора соответствует повышенному значению тока через стабилитрон, что существенно ухудшает КПД.
Пример оценки КПД
Для того, чтобы полноценно оценить «негативные» характеристики КПД, используем приведенные выше формулы, но при этом условно снизим напряжение до 5 Вольт. Для этого используем стандартный стабилитрон, например, КС147А. Согласно характеристикам ток в нем может изменяться в диапазоне от 3-х до 53-х мА.
Согласно условиям, нам требуется получить область нормального функционирования, ширина которой составляет 4 Вольта. Для этого необходимо взять балластный резистор в 80 Ом. С учетом постоянного тока нагрузки используем формулу 4 (иные параметры значительно «ухудшают» положение). На основе этого можно вычислить, применяя формулу 2, расчет на какие значения тока в данной ситуации следует рассчитывать. В результате имеем 19,5 мА, причем КПД на таких условиях составит, в зависимости от U на входе, 14%-61%.
Для того, чтобы просчитать максимальные значения выходного тока в этих же условиях, необходимо поменять в них значение тока с постоянного на изменяющийся в диапазоне от нуля до Imax. Тогда одновременно решая уравнения 2 и 3, получаем R0=110 Ом, Imax=13,5 мА. Таким образом, очевидно, что максимум тока стабилитрона в четыре раза превышает максимальное значение тока на выходе.
Недостатком параметрического стабилизатора можно назвать то, что напряжение на выходе отличается внушительной нестабильностью, напрямую завися от тока на выходе, что делает неприемлемым дальнейшую эксплуатацию прибора.
В итоге, с уверенностью можно сказать, что параметрический стабилизатор напряжения обладает лишь одним преимуществом — простым исполнением. Благодаря этому данные устройства продолжают свое существование и даже характеризуются массовым использованием в достаточно сложных схемах, как уже отмечалось, в роли опорного источника напряжения.
Остались вопросы? Оставьте заявку!
Наш менеджер поможет вам подобрать оптимальный вариант под ваши задачи. А также рассчитает доставку.
+7(495)150-07-50 Заказать звонок
Работаем без выходных с 8:00 до 19:00
Информация на сайте www.energocontinent.ru не является публичной офертой.
- Электростанции
- Дизельные генераторы
- Газовые генераторы
- Бензиновые генераторы
- Сварочные генераторы
- Генераторы с наработкой
- АВР для генераторов
- Контейнеры для генераторов
- Стабилизаторы напряжения
- ИБП
- Мотопомпы
- Тепловые пушки
Головной офис
108811, Москва, Бизнес Парк «Румянцево», Киевское шоссе, 22-й км, дв4с2кГ, подъезд 13, корпус Г, офис 803
© ООО «ЭНЕРГОКОНТИНЕНТ», 2009-2024