Схемы стабилизаторов напряжения. Простые стабилизаторы напряжения и их расчёт Схема стабилизации напряжения на стабилитроне

Главная / Семейный бюджет

Параллельный параметрический стабилизатор, последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе. Практические расчеты.

Доброго дня уважаемые Радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “, в разделе “ “, мы продолжим рассмотрение статьи “ “. Напомню, что в прошлый раз, изучая схему источника питания радиолюбительских устройств, мы остановились на назначении и расчете сглаживающего фильтра:

Сегодня мы рассмотрим последний элемент – стабилизатор напряжения.

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки

Сегодня мы рассмотрим два простейших стабилизатора напряжения:
- параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне;
– последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе.

Полупроводниковый стабилитрон - (другое название – диод Зенера) предназначен для стабилизации постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора он выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах ему отводится только роль источника опорного напряжения.

Один из внешних видов и обозначение стабилитрона:

Как работает стабилитрон

Напряжение на стабилитрон (в отличие от диода) подают в обратной полярности (анод соединяют с минусом а катод с плюсом источника питания – Uобр ). При таком включении через стабилитрон течет обратный ток – Iобр .
При увеличении напряжения обратный ток растет очень медленно (на схеме, почти параллельно оси Uобр ), но при некотором напряжении Uобр переход стабилитрона пробивается (но разрушение стабилитрона в этот момент не происходит) и через него начинает идти обратный ток значительно большего значения. В этот момент вольтамперная характеристика стабилитрона (ВАХ ) резко идет вниз (почти параллельно оси Iобр ) – наступает режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации минимальное (Uст min ) и ток стабилизации минимальный (Iст min ).
При дальнейшем увеличении Uобр ВАХ стабилитрона опять меняет свое направление – заканчивается режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации максимальное (Uст max ) и ток стабилизации максимальный (Iст max ). С этого момента стабилитрон теряет свои свойства, начинает разогреваться, что может привести к тепловому пробою перехода стабилитрона и соответственно к его выходу из строя.

Режим стабилизации стабилитрона может быть в широких пределах, поэтому в документации на стабилитроны указывают допустимые минимальные и максимальные значения токов (Iст min и Iст max ) и напряжений стабилизации (Uст min и Uст max ). Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения – Iст и Uст . Номинальный ток стабилизации обычно устанавливается производителями на уровне 25%-35% от максимального, а номинальное значение напряжения стабилизации как среднее от максимального и минимального.

Для примера можно воспользоваться программой “ “ и воочию посмотреть какие характеристики приводятся в справочниках по стабилитронам:

К примеру стабилитрон Д814Г:
- номинальный ток стабилизации (Iст)= 5 мА;
– номинальное напряжение стабилизации (Uст)= (от 10 до 12 вольт)= 11 вольт;
– максимальный ток стабилизации (Iст max)= 29 мА.
Эти данные нам будут необходимы при расчетах простейшего стабилизатора напряжения.

Если вы не смогли найти нужный наш родной, советский, стабилитрон, то можно используя, к примеру программу, подобрать по нужным параметрам буржуйский аналог:

Как видите, стабилитрон Д814Г легко можно заменить аналогом – BZX55C11 (у которого характеристики даже немного получше)

Ну а теперь рассмотрим параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне .

Параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне применяется в слаботочных устройствах (несколько миллиампер) и представляет собой делитель напряжения (на резисторе R – балластный резистор и стабилитроне VD – который выполняет роль второго резистора) на вход которого подается нестабильное напряжение а выходное напряжение снимается с нижнего плеча делителя. При повышении (понижении) входного напряжения внутреннее сопротивление стабилитрона уменьшается (увеличивается), что позволяет удерживать выходное напряжение на заданном уровне. На балластном резисторе падает разница между входным напряжением питания и напряжением стабилизации стабилитрона.

Рассмотрим схему данного (самого простейшего) стабилизатора напряжения:

Для нормальной работы схемы ток через стабилитрон должен в несколько раз (3-10 раз) превышать ток в стабилизируемой нагрузке. Практически, так-как номинальный ток стабилизации стабилитрона в несколько раз меньше максимального, то допускается при расчетах считать, что ток нагрузки не должен превышать номинального тока стабилизации.
К примеру : ток потребляемый нагрузкой составляет 10 мА, значит нам необходимо подобрать такой стабилитрон, чтобы его номинальный ток стабилизации не был меньше 10 мА (лучше конечно, если он будет больше).

Расчет параллельного параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Дано:
Uвх – входное напряжение = 15 вольт
Uвых – выходное напряжение (напряжение стабилизации) = 11 вольт

Расчет:
1. По справочнику, приведенному выше, определяем, что для наших целей подходит стабилитрон Д814Г:
Uст (10-12в)= 11 вольт
Iст max = 29 мА
Iст номинальный = 5 мА
Исходя из сказанного выше, определяемся, что ток нагрузки не должен превышать Iст номинального – 5 мА
2. Определяем напряжение падения на балластном резисторе (R) как разность входного и выходного стабилизированного напряжения:
Uпад=Uвх – Uвых =15-11= 4 вольта
3. Используя закон Ома, определяем номинал балластного сопротивления R, деля напряжение падения Uпад на Iст стабилитрона:
R= Uпад/Iст = 4/0,005= 800 Ом
Так как резисторов номиналом 800 Ом нет, берем ближайший больший номинал – R=1000 Ом= 1 кОм
4. Определяем мощность балластного резистора R :
Pрез= Uпад*Iст = 4*0,005= 0,02 ватта
Так как через резистор протекает не только ток стабилизации стабилитрона но и ток потребляемый нагрузкой, то полученное значение увеличиваем минимум в 2 раза:
Pрез = 0,004*2= 0,008 ват, что соответствует ближайшему номиналу = 0,125 ватт.

Что делать если вы не нашли стабилитрон с нужным напряжением стабилизации.
В этом случае можно применить последовательное соединение стабилитронов . К примеру, если мы соединим последовательно два стабилитрона Д814Г, то напряжение стабилизации составит 22 вольта (11+11). Если соединим Д814Г и Д810 то получим напряжение стабилизации 20 вольт (11+10).
Допускается любое число последовательного соединения стабилитронов одной серии (как в примере – Д8**).
Последовательное соединение стабилитронов разной серии допускается только в том случае, если рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии.

Что делать, если в приведеном выше примере, ток нагрузки составляет к примеру не 5 а 25 мА?
Можно конечно все так и оставить, так как максимальный ток стабилизации (Iст max) Д814Г равен 29 мА, единственное придется пересчитать мощность балластного резистора. Но в этом случае стабилитрон будет работать на пределе своих возможностей и у вас не будет никаких гарантий, что он не выйдет из строя.
А что делать если ток нагрузки составляет, к примеру, 50 мА?

Последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе – это по сути параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключенный ко входу эммитерного повторителя.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона за счет падения напряжения на переходе база-эммитер транзистора (для кремниевых транзисторов – около 0,6 вольт, для германиевы – окло 0,25 вольт), что нужно учитывать при выборе стабилитрона.
Эммитерный повторитель (он же – усилитель тока) позволяет увеличить максимальный ток стабилизатора напряжения по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне в β (h 21э) раз (где β (h21э) – коэффициент усиления по току данного транзистора, берется наименьшее значение).

Схема последовательного стабилизатора на биполярном транзисторе :

Так-как данный стабилизатор состоит из двух частей – источник опорного напряжения (он же параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне) и усилителя тока на транзисторе (он же эммитерный повторитель), то расчет такого стабилизатора производится аналогично выше приведенному примеру.
Единственное отличие:
- к примеру нам надо получить ток нагрузки 50 мА, тогда выбираем транзистор с коэффициентом усиления β (h 21э) не менее 10 (β (h 21э) =Iнагрузки/Iст=50/5=10
– мощность балластного резистора рассчитываем по формуле: Ррез=Uпад*(Iст+Iнагрузки)

Ток нагрузки можно увеличить еще в несколько раз, если применить схему с составным тразистором (два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи):

Вот, в принципе, и все.

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность 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:

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:

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.

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

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

1 – источник напряжения;
2 – Элемент регулировки;
3 – усилитель;
5 – определитель напряжения выхода;
6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

1 – источник напряжения;
2 –элемент регулирующий;
3 – усилитель;
4 – источник основного напряжения;
5 – измерительный элемент;
6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

U вх – необработанное напряжение входа;
U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

6 В - напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
7,5 В - напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
9 В - напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно . Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Электропитание маломощных устройств РЭС с небольшим пределом изменения тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опорного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах напряжения и тока.

Параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабис-тора, дросселя насыщения. Структурная схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 15.1. В ней нелинейный элемент НЭ подключен к входному питающему напряжению?/ 0 через гасящий резистор /?„ а параллельно НЭ включена нагрузка Я н. При увеличении входного напряжения?/ 0 ток через нелинейный элемент НЭ увеличивается, в результате этого возрастает падение напряжения на гасящем резисторе так, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным. Стабильность выходного напряжения в параметрическом стабилизаторе определяется наклоном вольтамперной характеристики НЭ и является невысокой. В параметрическом стабилизаторе нет возможности плавной регулировки выходного напряжения и точной установки его номинала.

Как отмечалось, для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной ВАХ. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон. Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 15.2.

Рис. 15.1

Рис. 15.2. Схема однокаскадного параметрического стабилизатора

В этой схеме при изменении входного напряжения и т на ±Д С/ т ток через стабилитрон VI) изменяется на А/ ст, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне (на ±Д?/„), а следовательно, и на нагрузке. Значение Д{/ н зависит от Д?/ вх, сопротивления ограничивающего резистора Я т и

ди ст

дифференциального сопротивления стабилитрона г ст = --.

д1 ст

На рис. 15.3 приведен пример статической характеристики стабилизатора для пояснения принципа стабилизации и определения коэффициента стабилизации.

Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН нарис. 15.2 и характеристикам на рис. 15.3 представляется как

А и к и т

и, „ « г

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. На рис. 15.4 приведены зависимости г ст маломощных стабилитронов от напряжения стабилизации для различных токов стабилизации / сх. Из графиков видно, что при увеличении / ст дифференциальное сопротивление уменьшается и достигает

минимального значения для стабилизации 6-8 В.

стабилитронов с напряжением

Рис. 15.4.

Рис. 15.5.

Температурный коэффициент напряжения а н стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температуры. На рис. 15.5 приведена зависимость а н от напряжения стабилизации. Для приборов с и ст > 5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (У0 2 , К/) 3 на рис. 15.6, а).

Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопротивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направлении г диф, которое зависит от выбранного типа диода и режима его работы. В качестве примера на рис. 15.7 приведены зависимости г диф от прямого тока для не-

Рис. 15.6.

а - с термокомпенсирующими диодами К/) 2 , К/) 3 ; б - двухкаскадного стабилизатора; в - мостового стабилизатора с одним стабилитроном; г - мостового стабилизатора с двумя стабилитронами; д - стабилизатора с эмиттерным повторителем; е - с токостабилизирующим двухполюсником; ж - с токостабилизирующими транзисторами различной проводимости п-р-п ир-п-р

которых типов диодов и стабилитронов, включенных в прямом направлении. Необходимо отметить, что термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение г ст и пониженный коэффициент стабилизации. На рис. 15.8 приведены зависимости температурного коэффициента от величины прямого тока для стабилитронов типа Д814 и диода ДЗ10, которые могут быть использованы для температурной компенсации.

Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения ПСН, то применяются двухкаскадные или мостовые схемы стабилизаторов, приведенные на рис. 15.6, б , в, г. Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадных ПСН (рис. 15.6, б), осуществляемая с помощью элементов Я г, УЕ) и Г/) 2 , позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения

Я Г Я г2

к = к к ~ -1Л__ г| _

ст2к К ст1 К ст2 у,)(у

^ нх "ст1 " *ст2/"стЗ " "ст4 " "ст5 /

где к ст, к ст2 - коэффициенты стабилизации первого и второго каскадов; г стЬ г ст2 - дифференциальные сопротивления стабилитронов -КТ> 3 ; а*ст4, ^ст5 - дифференциальные сопротивления

диодов Уй 4, Г/) 5 . Температурный уход напряжения на нагрузке и внутреннее сопротивление двухкаскадного ПСН такие же, как в схеме на рис. 15.6, а.

Рис. 15.7.

от прямого тока

Рис. 15.8.

от прямого тока

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах (рис. 15.6, в , г) достигается за счет компенсирующего напряжения, возникающего на резисторе R 2 или стабилитроне VD при изменениях входного напряжения. Коэффициент стабилизации при R H = const:

для схемы рис. 15.6, в

и»

U,Ar„/R 3 -R 2 /R,y

где U H - напряжение на нагрузке R„;

для схемы на рис. 15.6, г

где г ст і и г ст 2 - дифференциальные сопротивления стабилитронов уЬ и уо 2 .

В мостовых параметрических стабилизаторах теоретически коэффициент стабилизации может быть бесконечно большим, если выбрать элементы, исходя из условий: для рис. 15.6, в г ст /Я 3 = R 2 /R а для схемы на рис. 15.6, г г ст2 /Я 2 = г ст /Я. Внутреннее сопротивление для схемы на рис. 15.6, в г н = г С1 + Я 2 , а для схемы на рис. 15.6, г

Г н Гст1+ Г -т2-

Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения в схемах ПСН на рис. 15.6, б-г достигается за счет значительного ухудшения КПД по сравнению со схемой на рис. 15.3. Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 15.6, е за счет применения в ней источника тока, выполненного на транзисторе УТ, стабилитроне У[) (вместо которого могут быть включены два диода, последовательно соединенных в прямом направлении) и резисторах Я э и /? б. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон У1) 2 и тем самым резко уменьшить отклонения напряжения на нагрузке при больших изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 15.2.

Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в базовой цепи (рис. 15.6, д ), то мощность нагрузки может быть увеличена. Коэффициент стабилизации ПСН на рис. 15.6, д

(15.5)
(15.6)

к - * и -

" (1 + цг ст /А 0)?/ и ’

а внутреннее сопротивление

/?(/)« р(г э +/* б /Л 21э);

г б, г э, И 2 э - соответственно сопротивления базы, эмиттера, коллектора и коэффициент передачи тока в схеме ОЭ транзистора.

Однако такой ПСН при 1/ ст > 5,5 В по температурному уходу уступает стабилизаторам, приведенным на рис. 15.6, а-г.

На рис. 15.6, ж приведена схема ПСН с дополнительными транзисторами различной проводимости. Для нее характерным является высокая стабильность выходного напряжения и возможность одновременного подключения двух нагрузок /? Н | и Я н2 к различным шинам входного напряжения. По коэффициенту стабилизации и температурному уходу эта схема незначительно превосходит схему на рис. 15.6, е , а внутренние сопротивления г ст ] и г ст 2 определяются стабилитронами СД и Е/) 2 соответственно.

Для некоторых электрических цепей и схем вполне хватает обычного блока питания, не имеющего стабилизации. Источники тока такого типа обычно состоят из понижающего трансформатора, выпрямительного диодного моста и фильтрующего конденсатора. Выходное напряжение блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки на понижающем трансформаторе. Но как известно сетевое напряжение 220 вольт нестабильно. Оно может колебаться в некоторых пределах (200-235 вольт). Следовательно и выходное напряжение на трансформаторе тоже будет «плавать» (в место допустим 12 вольт будет 10-14, или около того).

Электротехника, которая особо не капризна к небольшим изменения питающего постоянного напряжения может обойтись таким вот простым блоком питания. Но вот более чувствительная электроника уже это не терпит, она от этого даже может выйти из строя. Так что возникает необходимость в дополнительный схеме стабилизации постоянного выходного напряжения. В этой статье я привожу электрическую схему достаточно простого стабилизатора постоянного напряжения, который имеет стабилитрон и транзистор. Именно стабилитрон выступает в роли опорного элемента, который определяет и стабилизирует выходное напряжения блока питания.

Теперь давайте перейдем к непосредственному разбору электрической схемы простого стабилизатора постоянного напряжения. Итак, к примеру у нас имеется понижающий трансформатор с выходным переменным напряжением в 12 вольт. Эти самые 12 вольт мы подаем на вход нашей схемы, а именно на диодный мост и фильтрующий конденсатор. Диодный выпрямитель VD1 из переменного тока делает постоянный (но скачкообразный). Его диоды должны быть рассчитаны на ту максимальную силу тока (с небольшим запасом где-то 25%), который может выдавать блок питания. Ну, и напряжение их (обратное) должно быть не ниже выходного.

Фильтрующий конденсатор C1 сглаживает эти скачки напряжения, делая форму постоянного напряжения более ровной (хотя и не идеальной). Его емкость должна быть от 1000 мкф до 10 000 мкф. Напряжение, также больше выходного. Учтите, что есть такой вот эффект - переменное напряжение после диодного моста и фильтрующего конденсатора электролита увеличивается примерно на 18%. Следовательно в итоге мы уже получим на выходе не 12 вольт, а где-то 14,5.

Теперь начинается часть стабилизатора постоянного напряжения. Основным функциональным элементом тут является сам стабилитрон. Напомню, что стабилитроны имеют способность в некоторых пределах стабильно держать на себе определенное постоянное напряжение (напряжение стабилизации) при обратном своем включении. При подачи на стабилитрон напряжения от 0 до напряжения стабилизации оно просто будет увеличиваться (на концах стабилитрона). Дойдя до уровня стабилизации напряжение будет оставаться неизменным (с незначительным ростом), а расти начнет сила тока, протекающего через него.

В нашей схеме простого стабилизатора, который на выходе должен выдавать 12 вольт, стабилитрон VD2 рассчитан на напряжение 12,6 (поставим стабилитрон на 13 вольт, это соответствует Д814Д). Почему 12,6 вольт? Потому, что 0,6 вольт осядут на транзисторном переходе эмиттер-база. А на выходе получится ровно 12 вольт. Ну, а поскольку мы ставим стабилитрон на 13 вольт, то на выходе БП будет где-то 12,4 В.

Стабилитрон VD2 (создающим место опорного постоянного напряжения) нуждается в ограничителе тока, который будет предохранять его от чрезмерного перегрева. На схеме эту роль выполняет резистор R1. Как видно он подключен последовательно стабилитрону VD2. Еще один фильтрующий конденсатор электролит C2 стоит параллельно стабилитрону. Его задача также сглаживать излишки пульсаций напряжения. Можно обойтись и без него, но все же лучше будет с ним!

Далее на схеме мы видим биполярный транзистор VT1, который подключен по схеме общий коллектором. Напомню, схемы подключения биполярных транзисторов по типу общий коллектор (это еще называется эмиттерный повторитель) характеризуются тем, что они значительно усиливают силу тока, но при этом нет никакого усиления по напряжению (даже оно немного меньше входного, именно на те самые 0,6 вольт). Следовательно мы на выходе транзистора получаем то постоянное напряжение, которое имеется на его входе (а именно напряжение опорного стабилитрона, равное 13 вольтам). И поскольку эмиттерный переход на себе оставляет 0,6 вольта, то и на выходе транзистора уже будет не 13, а 12,4 вольта.

Как вы должны знать, чтобы транзистор начал открываться (пропускать через себя управляемые токи по цепи коллектор-эмиттер) ему нужен резистор для создания смещения. Эту задачу выполняет все тот же резистор R1. Изменяя его номинал (в определенных пределах) можно менять силу тока на выходе транзистора, а значит и на выходе нашего стабилизированного блока питания. Тем, кто желает с этим поэкспериментировать советую на место R1 поставить подстроечное сопротивление номиналом около 47 килоом. Подстраивая его смотрите, как будет изменяться сила тока на выходе блока питания.

Ну, и на выходе схемы простого стабилизатора постоянного напряжения стоит еще один небольшой фильтрующий конденсатор электролит C3, сглаживающий пульсации на выходе стабилизированного блока питания. Параллельно ему припаян резистор нагрузки R2. Он замыкает эмиттер транзистора VT1 на минус схемы. Как видим схема достаточно проста. Содержит минимум компонентов. Она обеспечивает вполне стабильное напряжение на своем выходе. Для питания многой электротехники данного стабилизированного блока питания будет вполне хватать. Данный транзистор рассчитан на максимальную силу тока в 8 ампер. Следовательно для такого тока нужен радиатор, который будет отводить излишек тепла от транзистора.

P.S. Если параллельно стабилитрону поставить еще переменный резистор номиналом 10 килоом (средний вывод подсоединяем к базе транзистора), то в итоге мы получим уже регулируемый блок питания. На нем можно плавно изменять выходное напряжение от 0 до максимума (напряжение стабилитрона минус те самые 0,6 вольт). Думаю такая схема уже будет более востребована.

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема приведена ниже):

Iст — ток через стабилитрон
Iн — ток нагрузки
Uвых=Uст — выходное стабилизированное напряжение
Uвх — входное нестабилизированное напряжение
R 0 — балластный (ограничительный, гасящий) резистор

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется (на самом деле конечно изменяется от Uст min до Uст max, но можно считать, что Uст min = Uст max = Uст).

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Уравнения, описывающие работу данной схемы:

Uвх=Uст+IR 0 , учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R 0 (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на нагрузке 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 нагрузки. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора :

R 0 =(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) (2)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе нагрузки 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:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно, то первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю, тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора , примет следующий вид:

Из этой формулы сразу виден один из недостатков такого параметрического стабилизатора — мы не можем сильно менять ток нагрузки, поскольку это сужает диапазон входного напряжения схемы, более того, можно увидеть, что диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилизации стабилитрона (поскольку в этом случае правая часть уравнения вообще становится отрицательной)

Если ток нагрузки постоянен или изменяется незначительно , тогда формула для определения области нормальной работы становится совсем элементарной:

Далее, давайте рассчитаем КПД нашего параметрического стабилизатора. Он будет определяться отношением мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности: КПД=Uст*Iн/Uвх*I. Если учесть, что I=Iн+Iст, то получим:

(5)

Из последней формулы видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, а также чем больше ток через стабилитрон — тем хуже КПД.

Чтобы понять, что значит «хуже» и насколько вообще плохо обстоит дело с КПД у этого стабилизатора — давайте, используя формулы выше, попробуем прикинуть, что будет, если понижать напругу скажем с 6-10 Вольт до 5-ти. Возьмём самый обычный стабилитрон, скажем КС147А. Ток стабилизации у него может меняться в пределах от 3-х до 53-х мА. Чтобы при таких параметрах стабилитрона получить область нормальной работы шириной в 4 Вольта — нам нужно взять балластный резистор на 80 Ом (воспользуемся формулой 4, как будто ток нагрузки у нас постоянный, поскольку если это не так, то всё будет ещё хуже). Теперь из формулы 2 можно посчитать на какой именно ток нагрузки мы можем в этом случае рассчитывать. Получается всего 19,5 мА, а КПД в этом случае будет, в зависимости от входного напряжения, в пределах от 14% до 61%.

Если для этого же случая посчитать на какой максимальный выходной ток мы можем рассчитывать при условии, что выходной ток не постоянный, а может меняться от нуля до Imax, то решив совместно системы уравнений (2) и (3), получим R 0 =110 Ом, Imax=13,5 мА. Как видите, максимальный выходной ток получился почти в 4 раза меньше максимального тока стабилитрона.

Более того, выходное напряжение, полученное на таком стабилизаторе, будет обладать значительной нестабильностью в зависимости от выходного тока (у КС147А на рабочем участке ВАХ напряжение меняется от 4,23 до 5,16В), что может оказаться неприемлемым. Единственный путь борьбы с нестабильностью в данном случае — взять более узкий рабочий участок ВАХ — такой, на котором напряжение меняется не от 4,23 до 5,16В, а скажем от 4,5 до 4,9В, но в этом случае и рабочий ток стабилитрона будет уже не 3..53мА, а скажем 17..40мА. Соответственно, и без того небольшая область нормальной работы стабилизатора станет ещё меньше.

Итак, единственный плюс такого стабилизатора — это его простота, тем не менее, как я уже говорил, такие стабилизаторы вполне себе существуют и даже находят активное применение в качестве источников опорного напряжения для более сложных схем.

Простейшая схема, позволяющая получить существенно больший выходной ток (или существенно более широкую область нормальной работы, или и то и другое) — .