Параметрический стабилизатор — типичные расчеты схемы. Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе Формула расчета балластного сопротивления для стабилитрона
В схеме выпрямительного устройства, рассмотренного на лекции №2 (рис. 3.1) для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение рассмотрены трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. Напряжение на нагрузке поддерживается постоянным по значению с помощью стабилизатора Ст. Простейший стабилизатор напряжения – параметрический, в котором используются специальный диод – СТАБИЛИТРОН.
Стабилитрон имеет специфическую вольтамперную характеристику (ВАХ) в обратном включении (рис.3.2). При отрицательном напряжении ВАХ имеет достаточно протяженный участок, на котором напряжение изменяется мало, а ток изменяется значительно.
Рис. 3.2. Пример вольтамперной характеристики полупроводникового стабилитрона.
Стабилитрон используется в параметрическом стабилизаторе напряжения (рис.3.3а).
Рис. 3.3. Параметрический стабилизатор напряжения.
а) электрическая схема стабилизатора,
б) линейная схема замещения для малых изменений токов и напряжений (R диф =ΔU ст. / ΔI ст = ΔU Н / ΔI ст –дифференциальное сопротивление)
в) графическое представление состояния стабилитрона и принципа стабилизации напряжения на нагрузке (ΔU Н <<ΔU вх) при изменении напряжения U вх и большом сопротивлении нагрузки (R Н >> R диф).
Принцип стабилизации заключается в следующем. Напряжение на стабилитроне, т.е. на нагрузке, остается постоянным из-за изменения тока стабилитрона и вызванного этим изменения напряжения на балластном резисторе.
Схема на рис.3.3а описывается нелинейной системой уравнений:
I 0 - I ст - I н = 0 (1)
U ст (I ст) - R н I н = 0 (2)
- U вх + R б I 0 + R н I н = 0 (3)
Преобразуем систему к одному уравнения относительно тока I ст.
Из (1) имеем I н = I 0 - I ст, тогда из (3) следует
- U вх + R б I 0 + R н (I 0 - I ст) = 0 ,
отсюда I 0 =(R н I ст + U вх) / (R б + R н) и из (2) получаем
U ст (I ст) = R н [ (R н I ст + U вх) / (R б +R н) - I ст ]. (4)
Этот же результат можно получить, если применить к схеме на рис.3.3а преобразование по методу эквивалентного активного двухполюсника, в который включим источник входного напряжения U вх, балластный резистор R б и приемник R н (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Преобразование части схемы методом эквивалентного активного двухполюсника.
Эквивалентный источник имеет
ЭДС E экв = U вх R н / ( R н + R б) и
сопротивление R экв = R б R н / ( R н + R б).
После эквивалентного преобразования схема рис.3.3а приобретает вид (рис.3.5)
Из схемы на рис.3.5 получаем уравнение состояния параметрического стабилизатора:
U ст (I ст) = E экв - R экв I ст (5)
Если в (5) подставить выражения вместо E экв и R экв, то получим уравнение (4). Применение метода эквивалентного источника позволяет лучше представить физически принцип действия стабилизатора, зависимость его свойств от параметров элементов.
Уравнение (4) пригодно для анализа свойств параметрического стабилизатора при любых параметрах элементов.
Положим (наиболее частый случай), что сопротивление нагрузки R н значительно больше сопротивления балластного резистора R б. Тогда сопротивление нагрузки можно не учитывать и в схеме виден делитель входного напряжения из балластного резистора R б и стабилитрона VD (рис.3.3а). Состояние цепи устанавливается в соответствие с рис.3.3в в точке A , где пересекаются ВАХ стабилитрона и прямая линия 1, отсекающая на осях отрезки U вх1 и U вх1 /R б. При увеличении входного напряжения до U вх2 (линия 2) увеличивается ток стабилитрона (рабочая точка A ’), увеличивается напряжение на R б, а напряжение на нагрузке соответственно увеличивается на ΔU н. При этом, как видно из графиков ΔU н << ΔU вх (R диф <<R б).
Для получения простых соотношений для оценки качества параметрического стабилизатора получим линейную его схему замещения с помощью уравнения (5).
Приближенно, если рабочая точка А стабилитрона находится на участке стабилизации, ВАХ стабилитрона на участке стабилизации можно заменить прямой линией с угловым коэффициентом R диф =ΔU ст. / ΔI ст = ΔU Н / ΔI ст:
U ст (I ст) = U 0 + R диф I ст
С учетом этой линеаризации уравнение (5) можно переписать:
U 0 + R диф I ст =E экв -R экв I ст (6).
Здесь E экв = R Н U вх /(R Н + R Б) и R экв = R Б R Н /(R Б + R Н).
Из (6) следует уравнение, если учесть, что R экв >> R диф:
I ст = (E экв - U 0)/ (R экв + R диф) =(E экв - U 0)/ R экв (7).
Подставим сюда выражение для E экв и получим
I ст = (R Н U вх /(R Н + R Б) - U 0)/ R экв = U вх /R Б - U 0 / R экв
и напряжения на нагрузке принимает вид:
U н =U ст (I ст)=U 0 + R диф (U вх /R Б - U 0 / R экв) (7)
Отсюда следует, что при изменениях входного напряжения:
ΔU н =(dU ст /dU вх) * Δ U вх = R диф /R б * Δ U вх (8)
Отношение приращений напряжения на нагрузке и на входе параметрического стабилизатора равно:
ΔU н /Δ U вх = R диф /R б (8)
Если изменяется сопротивление нагрузки, то
U н = U 0 + R диф [U вх /R Б - U 0 (R Б + R Н)/ (R Б R Н)] (9)
Из уравнения (9) следует, что при изменениях сопротивления нагрузки так же будет достигаться эффект стабилизации напряжения на нагрузке
ΔU н =(dU ст /dR Н) * Δ R Н = R диф / R 2 н * U 0 Δ R Н
В практических случаях параметры схемы и стабилитрона подбираются таким образом, чтобы рабочая точка на в.а.х. стабилитрона перемещалась в пределах участка стабилизации (I ст.мин ,I ст.макс) при необходимом U ст. , которые записаны в паспорте стабилитрона.
С помощью параметрического полупроводникового стабилизатора напряжения можно получить коэффициент стабилизации, который равен отношению относительных изменений входного и выходного напряжений:
K ст. = (ΔU вх /U вх)/ (ΔU вых /U вых) <=100.
Во многих случаях это значение оказывается недостаточным и тогда применяются более сложные «компенсационные стабилизаторы напряжения», содержащие транзисторы.
Заметим так же, что в параметрическом стабилизаторе напряжения нагревание балластного резистора приводит к потерям энергии. Поэтому к.п.д. параметрического стабилизатора напряжения не превышает 30%.
Демонстрация ВАХ реального стабилитрона demo3_1 приведена на рис. 3.6
Рис. 3.6. К demo3_1.
Демонстрация работы параметрического стабилизатора напряжения demo3_2 приведена на рис. 3.7.
Рис. 3.7.К demo3_2.
Замечание.
Рассмотренный параметрический стабилизатор напряжения позволяет познакомиться с широко применяемым методом описания нелинейных схем с помощью линеаризованных схем замещения. Запишем систему уравнений (1)-(3), заменив в уравнении (2) ВАХ стабилитрона линеаризованным выражением:
I 0 -I ст -I н =0 (1а)
U 0 +R диф I ст -R н I н =0 (2а)
- U вх +R б I 0 +R н I н =0 (3а)
Для малых изменений токов и напряжений, вызванных изменением входного напряжения, отсюда следует:
ΔI 0 -ΔI ст -ΔI н =0 (9)
R диф ΔI ст -R н ΔI н =0 (10)
-ΔU вх +R б ΔI 0 +R н ΔI н =0 (11)
Этой системе уравнений соответствует схема замещения, приведенная на рис.3.3 б.
уважаемые посетители!
Компания "ЭНЕРГОКОНТИНЕНТ" поздравляет Вас с Наступающим 2020 годом и Рождеством!
Желаем Вам счастья, любви и успехов в
профессиональной деятельности!
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:
- I ст - электроток через стабилитрон
- I н - электроток нагрузки
- U вых =U ст - стабилизированное напряжение на выходе
- U вх - нестабилизированное напряжение на входе
- R 0 - 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 I ст min до I ст max) остается практически прежним. При этом изменения происходят от U ст min до U ст max , однако при этом принято подразумевать, что U ст min = U ст max = U ст).
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:
U вх =U ст +IR 0 , где с учетом I=I ст +I н , получается, что
U вх =U ст +(I н +I ст)R 0 (1)
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:
R 0 =(U вх min -U ст min)/(I н max +I ст min) (2)
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:
∆U вх =U вх max –U вх min =U ст max +(I н min +I ст max)R 0 –(U ст min +(I н max +I ст min)R 0)
Выполнив перегруппировку этого выражения, получаем:
∆U вх =(U ст man -U ст min)+(I ст max -I ст min)R 0 –(I н min -I н min)R 0
Или иной метод:
∆U вх =∆U ст +∆I ст R 0 +∆I н R 0
Если взять во внимание незначительные отличия между минимумом и максимумом напряжения стабилизации (U ст min и U ст 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:
∆U вх =∆I ст R 0 -∆I н R 0 (3)
В случае постоянного тока нагрузки либо с незначительными изменениями, применяемая для установления области нормального функционала устройства формула переходит в разряд элементарных :
∆U вх =∆I ст R 0 (4)
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:
КПД=U ст I н /U вх I.
С учетом I=I н +I ст получаем:
КПД=(U ст /U вх)/(1+I ст /I н)
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 I max . Тогда одновременно решая уравнения 2 и 3 , получаем R 0 =110 Ом , I max =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.
Важнейшими параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации K ст, выходное сопротивление R вых и коэффициент полезного действия η.
Коэффициент стабилизации определяют из выражения K ст = [ ∆u вх / u вх ] / [ ∆u вых / u вых ]
где u вх, u вых - постоянные соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u вх - изменение u вх ; ∆u вых - изменение u вых , соответствующее изменению ∆u вх.
Таким образом, коэффициент стабилизации - это отношение относительного изменения на входе к соответствующему относительному изменению на выходе стабилизатора.
Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K ст составляет единицы, а у более сложных - сотни и тысячи.
Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением R вых = | ∆u вых / ∆i вых |
где ∆u вых - изменение постоянного на выходе стабилизатора; ∆i вых - изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.
Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R вых составляет единицы Ом, а у более совершенных - сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор обычно резко уменьшает пульсации напряжения.
Коэффициент полезного действия стабилизатора η ст - это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р н, к мощности, потребляемой от входного источника Р вх: η ст = Р н / Р вх
Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.
Интересное видео о стабилизаторах напряжения:
Параметрические стабилизаторы
Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82). 
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного u э (на ∆u э), а значит, и входного u вх, выходное изменяется на незначительную величину ∆u вых.
Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆u вых.
Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного ∆u вх (на схеме пунктир): R вых = r д || R 0 ≈ r д, т.к. R 0 >> r д η ст = (u вых · I н) / (u вх · I вх) = (u вых · I н) / [ u вх (I н + I вх) ].
K ст = (∆u вх / u вх) : (∆u вых / u вых) Так как обычно R н >> r д Следовательно, K ст ≈ u вых / u вх · [ (r д + R 0) / r д ]
Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного в компенсационных стабилизаторах напряжения. 
Компенсационные стабилизаторы
Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).
Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада - на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.
Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь нагрузки, а падение на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.
В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.
Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов - на рис. 2.85. 
Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R 1 - для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.
Импульсные стабилизаторы в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.
Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 % , в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.
В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.
Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.
К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения .
Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор 
Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения на нагрузке. на выходе регулируют, изменяя отношение t вкл / t выкл, где t вкл, t выкл - длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше на выходе.
В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.
Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации на выходе.
Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:
Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.
Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):
Стабилизатор тока
В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:
Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током I ст (смотри рисунок выше а ). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:
При этом на нагрузке будет напряжение I ст R н. За этими данными подсчитывают значения U вх, которое нужно приложить к стабилизатору:
На этом и завершается расчет стабилизатора тока.
Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:
По заданному значению U ст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют I min и I max . По этим данным подсчитывают ток I ст = (I min + I max)/2. Общий ток I вх равен I ст + U ст/ R н. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке U ст = I ст R н при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе U вх выбирают процентов на 20 выше чем U ст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе R б, величину которого найдем по формуле:
Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:
При K ст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше K ст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.
У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.
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).
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 = 160 Ом.
Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллекто-ра. 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.
