Меню

Параллельный параметрический стабилизатор напряжения

Параметрические стабилизаторы

Параметрическим стабилизатором называется устройство, в котором выходное напряжение или ток поддерживается на уровне заданного значения за счет параметров радиоэлектронных элементов. В них используются нелинейные свойства характеристик (вольтамперных, ампервольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.). В качестве примера таких приборов можно назвать такие электронные элементы, как стабилитроны, терморезисторы, дроссели насыщения и т.д.

Параметрические стабилизаторы могут стабилизировать постоянное или переменное напряжение, однако и в том и в другом случае они обладают достаточно плохими параметрами. В старой аппаратуре они применялись из-за простой, и, следовательно, дешевой схемы. В настоящее время практически вытеснены интегральными компенсационными стабилизаторами или источниками бесперебойного питания. Тем не менее, для того, чтобы понять, как работают компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения необходимо знать принципы работы параметрического стабилизатора.

В качестве примера параметрических стабилизаторов рассмотрим стабилизаторы напряжения. В них обычно используются полупроводниковые стабилитроны, которые работают в области электрического пробоя на обратном участке вольтамперной характеристики. Поэтому стабилитрон включается в обратном направлении. Выход из строя данного диода не происходит из-за того, что ток, протекающий через диод, ограничивается внешним резистором. Классическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Cхема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Особенности расчета параметрического стабилизатора мы обсудим в следующей статье, а сейчас подробнее рассмотрим параметры стабилитрона. Пример его вольтамперной характеристики приведен на рисунке 2

Рисунок 2. Вольтамперная характеристика стабилитрона

В параметрах стабилитрона приводится минимальный ток стабилизации, при котором начинается пробой и максимальный ток стабилизации, при котором еще не происходит разрушение pn-перехода за счет его теплового нагрева. Основными параметрами стабилитрона являются:

  • напряжение стабилизации Uст и пределы его изменения ΔUст;
  • номинальный ток Iном и пределы его изменения Iст min . Iст max;
  • максимальная допустимая мощность рассеивания Pдоп = Uст×Iст max;
  • дифференциальное сопротивление на рабочем участке rd;
  • температурный коэффициент напряжения (ТКН) αT.

Наиболее важным параметром стабилитрона является его напряжение стабилизации. Стабилитроны производят на напряжение от 3 до 400 В. Оно зависит от толщины p-n перехода. При этом в зависимости от толщины перехода пробой бывает лавинным или туннельным. Если требуется стабилизировать напряжение меньше трех вольт, то применяются стабисторы. У них для стабилизации используется прямая ветвь амплитудно-частотной характеристики. Поэтому схема параметрического стабилизатора напряжения меняется. Она приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема параметрического стабилизатора на стабисторе

Дифференциальное сопротивление стабилитрона обычно определяется омическим сопротивлением полупроводника. По вольтамперной характеристике его можно определить следующим образом:

Именно дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет зависимость выходного напряжения параметрического стабилизатора от тока потребления нагрузки.

Не менее важным параметром является температурный коэффициент напряжения. Полупроводниковые диоды очень чувствительны к температуре и их вольтамперная характеристика смещается при нагреве. Пример изменения вольтамперной характеристики стабилитрона приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение вольтамперной характеристики под воздействием температуры

Для полупроводникового диода, который используется в качестве стабилизатора, ТКН αT = 0,1% на градус Цельсия. Для прецизионных стабилизаторов напряжения это слишком большая величина. В то же самое время, отрицательный или положительный будет ТКН зависит от типа пробоя. При напряжении стабилизации меньше 6,2 В он отрицательный, а при напряжении стабилизации больше этого значения — положительный. Поэтому прецизионные стабилитроны выполняются на это напряжение. При несколько большем напряжении можно воспользоваться прямой ветвью вольтамперной характеристики, где падение напряжения уменьшается с ростом температуры. Если стабилитроны включить встречно, как это показано на рисунке 5, то зависимость напряжения стабилизации от температуры можно значительно снизить (например, отечественный стабилитрон КС170).

Рисунок 5. Внутренняя схема прецизионного стабилитрона

Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона приведено на рисунке 6.

Рисунок 6. Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона

В схеме включения данного стабилитрона можно не опасаться неправильного включения, т.к. симметричные стабилитроны обладают одинаковым напряжением стабилизации.

Дата последнего обновления файла 07.06.2015

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Стабилитрон (wikipedia)
  6. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне (http://www.radiohlam.ru/)
  7. КС147А стекло, Кремниевый стабилитрон малой мощности (chipdip.ru/)
Читайте также:  Проверка эпюры нормальных напряжений

Вместе со статьей «Параметрические стабилизаторы» читают:

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Источник

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.

Рис.2. Мощный параллельный стабилизатор.

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.

Читайте также:  Блок питания для компьютера занижены все напряжения

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.

Рис.3. Принципиальная схема БП с параллельным стабилизатором

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.

Источник



Параметрический стабилизатор – типичные расчеты схемы

В маломощных схемах на нагрузку до 20 миллиампер применяется устройство с малым коэффициентом действия, и называется параметрическим стабилизатором. В устройстве таких приборов имеются транзисторы, стабилитроны и стабисторы. Они применяются в основном в компенсационных устройствах стабилизации в качестве опорных источников питания. Параметрические стабилизаторы в зависимости от технических данных могут быть 1-каскадными, мостовыми и многокаскадными.

Стабилитрон в устройстве прибора подобен подключенному диоду. Но обратный пробой напряжения больше подходит для стабилитрона и является базой его нормальной работы. Эта характеристика нашла популярность для разных схем, где необходимо создавать ограничение сигнала входа по напряжению.

Такие стабилизаторы являются быстродействующими приборами, и защищают участки с повышенной чувствительностью от импульсных помех. Применение таких элементов в новых схемах является показателем их повышенного качества, которое обеспечивает постоянное функционирование в разных режимах.

Схема стабилизатора

Базой этого прибора является схема подключения стабилитрона, применяющаяся и в других видах приборов вместо источника питания.

Параметрический стабилизатор

Схема включает в себя делитель напряжения из балластного сопротивления и стабилитрона, к которому параллельно подключена нагрузка. Устройство выравнивает напряжение на выходе при переменном питании и нагрузочном токе.

Действие схемы происходит следующим образом. Напряжение, повышающееся на входе прибора, вызывает повышение тока, который проходит через сопротивление R1 и стабилитрон VD. На стабилитроне напряжение остается постоянным из-за его вольтамперной характеристики. Поэтому не меняется и напряжение на нагрузке. В итоге все преобразованное напряжение будет приходить на сопротивление R1. Такой принцип действия схемы позволяет сделать расчет всех параметров.

Читайте также:  Напряжение линии электропередач сопротивление провода сила тока

Принцип действия стабилитрона

Если стабилитрон сравнивать с диодом, то при подключении диода в прямом направлении по нему может проходить обратный ток, который имеет незначительную величину в несколько микроампер. При повышении обратного напряжения до некоторой величины возникнет пробой электрический, а если ток очень велик, то произойдет и тепловой пробой, поэтому диод выйдет из строя. Конечно, диод может работать при электрическом пробое при снижении тока, проходящего через диод.

Стабилитрон спроектирован так, что его характеристика на участке пробоя имеет повышенную линейность, а разность потенциалов пробоя достаточно стабильна. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона выполняется при его функционировании на обратной ветви свойства тока и напряжения, а на прямой ветке графика стабилитрон работает как обычный диод. На схеме стабилитрон обозначается:

Параметрический стабилизатор

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

Параметрический стабилизатор

  • Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
  • Наибольший допустимый ток стабилизации. Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
  • Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
  • Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

Расчет параметрического стабилизатора

Добротность функционирования прибора вычисляется по коэффициенту стабилизации, который вычисляется по формуле: Кст U = (ΔUвх / Uвх) / (ΔU вых / Uвых).

Далее расчет стабилизатора с применением стабилитрона производится в сочетании с балластным резистором в соответствии с типом применяемого стабилитрона. Для расчета используются рассмотренные ранее параметры стабилитрона.

Определим порядок расчета на примере. Возьмем исходные данные:

  • U вых=9 В;
  • I н =10мА;
  • ΔI н = ±2мА;
  • ΔU вх = ± 10% Uвх

По справочнику подбираем стабилитрон Д 814Б, свойства которого:

  • U ст = 9 В;
  • I ст. макс = 36 мА;
  • I ст. мин = 3 мА;
  • R д = 10 Ом.

Далее вычисляется входное напряжение: Uвх = nст *Uвых, где nст – коэффициент передачи. Функционирование стабилизатора станет эффективнее, если этот коэффициент будет в пределах 1,4-2. Если nст =1,6, то U вх= 1,6 * 9 = 14,4 В.

Параметрический стабилизатор

На следующем шаге производится расчет балластного резистора. Используется формула: R о = (U вх – U вых) / (I ст + I н). Величина тока I ст выбирается: I ст ≥ I н. При изменении U вх на величину Δ Uвх и Iн на ΔIн, не может быть больше тока стабилитрона величин I ст. макс и I ст. мин. Поэтому, I ст берется в качестве среднего допустимой величины в этом интервале и равно 0,015 ампер.

Значит, балластный резистор равен: R о = (14,4 – 9)/(0,015+0,01 )= 16 Ом. Ближнее стандартное значение составляет 220 Ом. Для выбора типа сопротивления, выполняется расчет рассеиваемой мощности на корпусе. Применяя формулу Р = I*2 R о, определяем величину Р = (25*10-3) * 2 * 220 = 0,138 ватт. Другими словами, стандартная мощность сопротивления равна 0,25 ватт.

Поэтому лучше подойдет сопротивление МЛТ – 0,25 – 220 Ом. После осуществления расчетов необходимо проверить правильность выбора режима действия стабилитрона в схеме параметрического прибора. В первую очередь определяется его наименьший ток: Iст. Мин = (U вх – ΔU вх – U вых) / Rо – (I н + ΔI н), с практическими параметрами определяется величина I ст.мин = (14,4–1,44–9) * 103 / 220–(10+2) = 6 миллиампер.

Такая же процедура производится для вычисления наибольшего тока: I ст. макс=(Uвх+ΔUвх–Uвых)/Rо–(Iн–ΔIн). По исходным параметрам, наибольший ток составит: Iст.макс=(14,4 + 1,44 – 9) * 103 / 220–(10 – 2)=23 миллиампер. Если в результате вычисленные значения наименьшего и наибольшего тока превосходят допустимые границы, то необходимо заменить I ст или резистор R о. Иногда требуется замена стабилитрона.

Источник