Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

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.

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

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).

Импульсные стабилизаторы

Стабилизатор напряжения 12 вольт

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Алгоритм работы следующий:

1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Простой мощный параллельный стабилизатор на транзисторах

В предлагаемой статье описываются принципы работы параллельного стабилизатора, и рассматривается возможность его применения для стабилизации питания мощных высококачественных усилителей НЧ. Приведена также схема полного источника питания с параллельным стабилизатором.

Среди радиолюбителей, а также в промышленных аудиоустройствах высокого качества широко используются параллельные стабилизаторы. В этих устройствах стабилизирующий элемент подключается параллельно нагрузке, что хорошо отражается на таком параметре стабилизатора, как его быстродействие. Фактически быстродействие стабилизатора определяется быстродействием стабилизирующего элемента. Также к достоинствам параллельных стабилизаторов стоит отнести тот факт, что независимо от тока, потребляемого от стабилизатора, ток, потребляемый им самим от источника питания, остается неизменным. Этот факт положительно отражается на уровне излучаемых БП в целом помех (за счет того, что девиации тока потребления не протекают через трансформатор и выпрямительный мост), хотя и служит причиной их низкого КПД.

Рассмотрим вышеизложенное на примере простейшего параллельного стабилизатора – параметрическом стабилизаторе на стабилитроне (рис.1.)

Рис.1. Параметрический стабилизатор

Резистор R0 задает суммарный ток, который будет течь через стабилитрон и подключенную, параллельно ему нагрузку. Легко видеть, что при изменении тока нагрузки, ток через резистор R0 останется постоянным, изменится лишь ток, текущий через стабилитрон D1. Так будет происходить, пока будет выполняться условие (1): IНR0-Iст.мин. (1) где IН — ток нагрузки, IR0 — ток через R0, Iст.мин. – минимальный ток стабилизации стабилитрона D1

Быстродействие данного стабилизатора будет определяться в основном скоростью изменением величины барьерной емкости стабилитрона [1], а также временем заряда-разряда конденсатора С1. Однако у подобных стабилизаторов есть и недостатки – в частности для получения более-менее приличного коэффициента стабилизации (>100), через стабилитрон должен течь ток, соизмеримый с током нагрузки. Это обстоятельство, с учетом того, что подавляющее количество стабилитронов рассчитано на ток до 100 мА, затрудняет использование параметрических стабилизаторов в мощных устройствах. Чтобы обойти это препятствие, параллельно стабилизатору ставят мощный активный элемент, например MOSFET транзистор, как показано на рисунке 2.

В этой схеме стабилитрон лишь задает стабильное напряжение на затворе транзистора Q1, через цепь сток-исток которого и течет основной ток. Стабилитрон VD3 предохраняет Q1 от пробоя ввиду высоковольтности данной реализации. Подробнее о работе этой схемы можно прочитать в [2]. Схема, приведенная на рисунке один способна работать с большими токами (ограничивается предельными характеристиками примененного мосфета), но выделяет большую мощность и имеет низкий КПД(менее 30% – если падение на резисторе R1 сравнительно велико, ток через мосфет сравним с током через нагрузку, величины входного и выходного напряжений не превышают 100 В), что в мощных приложениях является серьезным недостатком.

Но ток текущий через мосфет, можно заметно снизить без ущерба для коэффициента стабилизации, если устранить источник нестабильности в данной схеме. Остановимся на нем подробнее. При изменении напряжения на входе стабилизатора изменяется ток, текущий через резистор R1, это изменение можно снизить увеличением номинала этого резистора, но это, в свою очередь потребует увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно снизит КПД. Оптимальным решением, на мой взгляд является замена этого резистора на источник тока, на котором падение напряжение можно будет установить равное сумме девиации входного напряжения+2-3 вольта для нормально работы активного элемента источника тока. С учетом этих дополнений была разработана схема источника питания с параллельным стабилизатором, представленная на рисунке 3.

Функцию токозадающего резистора здесь выполняет источник тока на транзисторе Q1. Для снижения нестабильности выдаваемого им тока, он запитан от другого источника тока меньшей мощности, который в свою очередь запитан через RCR фильтр для снижения пульсаций. Резистором R7 можно грубо регулировать рабочий ток стабилизатора, резистором R4 плавно. Резистором R8 можно подстроить выходное напряжение стабилизатора в небольших пределах. R6 представляет собой нагрузку БП, потребляющую около 600 мА.(без нагрузки БП не подключать!). Транзисторы Q1 и M1 можно установить на общем радиаторе площадью не менее 500 кв.см.

Основные технические характеристики стабилизатора (с входным и выходным RC-фильтрами):

1. Выходное напряжение = 12В.
2. Входное напряжение > 18В.
3. Ток нагрузки – 600 мА
4. Потребляемый ток – 750 мА (при номиналах, указанных на схеме, изменяется подбором резистора R2,R7,R4 – в порядке величины влияния)
5. Уровень пульсаций на выходе — -112дБ
6. КПД=57%

Легко видеть, что представленная схема обладает достаточно высокими параметрами в части КПД и Кст, сравнимыми с характеристиками компенсационных последовательных стабилизаторов, при этом практически полностью сохраняя достоинства параллельных стабилизаторов. При этом схема достаточно проста, не требует дефицитных деталей, и может быть сконструирована даже начинающими радиолюбителями. При входном напряжении до 50В в схеме можно применить – Q1-BD244C, Q2-BC546А, M1-IRF630. В качестве стабилитрона D7 можно применить любой на напряжение 8,2 В, диоды D1-D4 например SF54, диоды D5,D6,D8,D9 – например 1N4148.

Литература:

1. Жеребцов И.П. Основы электроники, стр. 40, Л, 1989.
2. Рыжков В.А. Простой параллельный стабилизатор на транзисторе.

Обсуждение схемы на форуме

Список радиоэлементов

Теги:

• Стабилизатор