Kservistorg.ru

Все о бытовой технике
10 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

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.

Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе

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.

Компенсационный стабилизатор

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

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

Схема стабилизатора напряжения

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

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

Схема стабилизатора напряжения

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

Читайте так же:
Регулировка грифа гитары винтом

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

Основные параметры стабилитрона

Для создания рабочей схемы применяют обратное включение полупроводникового прибора. На анод подают «минус» источника питания. На катод – «плюс».

ВАХ стабилитрона

С помощью измерительной аппаратуры можно составить по точкам распределение электрических величин. На рисунке отмечены основные характеристики стабилитрона, которые нужно учитывать при расчете стабилизатора напряжения. Показаны уровни, определяющие:

  • начало пробоя;
  • рабочий режим (Uст, Iст);
  • максимально допустимое значение (Uобр, Imax).

Серийные приборы рассматриваемой категории способны стабилизировать напряжение в диапазоне от 0,6 до 210 V. Допустимый ток (Imax) ограничен мощностью рассеивания. Для улучшения этого параметра применяют монтаж на радиаторе через слой термопасты, эффективную пассивную и принудительную вентиляцию. Отмеченное на графике значение Imin соответствует уровню сохранения работоспособности перехода в обычном режиме. Для стабилизации используют участок ΔU, который характеризуется незначительным изменением напряжения при достаточно большом увеличении силы тока в обратном направлении (ΔI).

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 10 3 . Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия UCE2max < UCE max выбираем в качестве усилительного элемента транзистор типа П416 с h21e = 90 … 250.

7. Полагая, что IK2 ≈ IЕ2 = 10 мА < IC max, найдём сопротивление резистора R2:

8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Содержание

Линейный стабилизатор [ править ]

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

Читайте так же:
Регулируем яркость и контрастность в

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

  • Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
  • Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

  • Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
  • Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне [ править ]

Эта схема может быть построена как на полупроводниковом, так и на газоразрядном стабилитроне.

Shunting stabiliser.png

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется двухполюсник, реализующий функцию источника тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе [ править ]

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость Ube от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что Ube в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя [ править ]

Voltage stabiliser OA.png

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя [1] . Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Читайте так же:
Регулировка крутящего момента у аккумуляторной дрели

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора RV применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения Uz (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше, чем Uout.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (Gopenloop = 10 5 ÷ 10 6 ).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор [ править ]

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

  • Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
  • Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Основные параметры

При изучении функционирования параметрического стабилизатора напряжения особое значение придаётся техническим характеристикам самого регулирующего прибора. К ним следует отнести:

  • Напряжение стабилизации, определяемое как падение потенциала на нём при протекании тока средней величины;
  • Максимальное и минимальное значения тока, пропускаемого через обратно смещенный переход;
  • Допустимая рассеиваемая мощность на приборе Pmax.;
  • Проводимость перехода в динамическом режиме (или дифференциальное сопротивление стабилитрона).
Читайте так же:
Как отрегулировать термостат на радиаторе отопления

Последний параметр определяется как отношение приращения напряжения ΔUCT к вызвавшему его изменению стабилизирующего тока ΔICT.

Относительно первых двух параметров следует заметить, что для разных образцов полупроводниковых диодов они могут сильно различаться по своей величине (в зависимости от мощности прибора). Напряжение стабилизации для большинства современных стабилитронов варьируется в диапазоне от 0,7 до 200 Вольт.

Допустимая мощность рассеяния определяется уже перечисленными ранее параметрами и также сильно зависит от типа элемента. Это же можно сказать и о дифференциальном сопротивлении, в определённой мере влияющем на эффективность процесса стабилизации.

Содержание / Contents

Устройство разрабатывалось для выходного напряжения 1. 12V и регулирования выходного тока в пределах 0,15. 3А. Конечно для хороших результатов поставил транзисторы с усилением более 500 (сняты с платы МЦ-31 телевизора 3усцт), а составной регулирующий – около 10 000 (если измеритель не врёт – взял из модуля СКР телевизора 2усцт, коррекция растра).
Важно наверно, что питал схему от автомобильного аккумулятора, когда снимал данные.
Далее поставил трансформатор и некоторые чудеса, типа 3А при 12V, стали невозможными. Падало напряжение на выходе выпрямителя. Кому ещё интересно – ближе к схеме.

Схема стабилизатора напряжения с регулируемым ограничением выходного тока

Итак, на Х1 подаётся минус источникa напряжения, а с Х2 берётся стабилизированное и ограниченное в выходном токе напряжение. Если вкратце, то VТ3 – регулирующий, VТ4 – компаратор и усилитель сигнала ошибки стабилизатора напряжения, VТ1 — компаратор и усилитель сигнала ошибки стабилизатора выходного тока, VТ2 — датчик наличия ограничения выходного тока. За основу был взят распространённый вариант стабилизатора напряжения.

Исходная схема с фиксированным напряжением и защитой по току

Она слегка изменена, чтобы можно было менять в возможно бОльших пределах выходное напряжение, и убрать блокирование стабилизатора. Добавлен R8, чтобы сделать возможным работу схемы ограничения выходного тока на VТ1. Добавлен R7 и VD3 для установки пределов изменения выходного напряжения. Конденсаторы С1 и С2 помогут уменьшить пульсации на выходе.

Теперь позвольте мне пройтись с объяснениями по второму кругу (cм. первую схему). При появлении на входе Х1 относительно общего провода отрицательного постоянного напряжения в пределах 9. 15V, появится ток в цепи R2-VD2-R6-VD1. На стабилитроне VD1 появится стабильное напряжение. Часть этого напряжения подаётся на базу VТ4, который в результате откроется. Его ток коллектора откроет VТ3. Ток коллектора VТ3 зарядит С2, а через делитель R9, R10 часть напряжения С2 (оно же выходное) поступит на эмитер VТ4. Этот факт не позволит выходному напряжению расти больше чем удвоенное (Uбазы VT4 — 0,6V). Удвоенное потому, что делитель R9, R10 на два. Так как на базе VT4 напряжение стабильно, выходное тоже будет стабильным. Это есть рабочий режим. Транзисторы VТ1, VТ2 закрыты и никак не влияют.

Читайте так же:
Как нужно регулировать пластиковые окна

Подсоединим нагрузку. Появится ток нагрузки. Он потечёт по цепи R2, Э-К VТ3 и дальше в нагрузку. R2 здесь работает датчиком тока. Пропорционально току на нём появляется напряжение. Это напряжение суммируется с частью напряжения, взятого с помощью R5 от VD2 и прилагается к базовому переходу VТ1 (R3 – чисто для ограничения тока базы VТ1 при бросках и защиты таким образом VТ1) и когда оно становится достаточным для открытия VТ1, устройство входит в режим ограничения выходного тока. Часть тока коллектора VТ4, который раньше поступал в базу VТ3, сейчас уходит через переход база-эмитер VТ2 в коллектор VТ1.
Благодаря большому коэффициенту усиления транзисторов, напряжение база-эмитер VТ1 будет поддерживаться около 0,6V. Это значит, что напряжение на R2 будет неизменным, следовательно и ток через него, а дальше через нагрузку тоже. Движком R5 можно выбирать ограничение тока от минимального до почти 3А.
При наличии режима ограничении тока открыт и VТ2, своим током коллектора он зажжёт светодиод HL1. Следует понимать, что ограничение тока «имеет приоритет» перед «стабильностью» выходного напряжения.

На выходе устройства я поставил вольтметр, а вот когда нужно ограничение на определённом токе, просто закорачиваю выход тестером в режиме амперметра и с помощью R5 добиваюсь желаемого.

Схема подключения стабилизатора

Ввод стабилизатора в частный дом выполняется при помощи трехжильного ВВГнг-кабеля, трехпозиционного выключателя и провода ПУГВ. Установка производится до счетчика, в отдельном или распределительном щитке:

  1. Открыть контакты, подняв лицевую крышку.
  2. Пропустить на выход и вход кабель. Фазу входа затянуть на клемме Lin, нулевой (синий) проводник – на клемме Nin, землю – на винтовой зажим с соответствующим обозначением.
  3. При отсутствии земли закрутить эту жилу под винт на корпусе прибора.
  4. Вернуть стабилизированное напряжение в общий щиток. Фаза подводится на выход Lout, ноль – к Nout, земля – к заземлению на входе.
  5. Протестировать схему в режиме без нагрузки.

Для теста отключаются все автоматы, кроме вводного и направленного на стабилизатор.

Стабилизатор, подключенный между сетью и нагрузкой, подходит для частного или дачного дома, квартиры, производства. Прибор защищает оборудование от выхода из строя, устраняет влияние на электролинию перегрузки и коротких замыканий.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector