Параметрический стабилизатор напряжения
Параметрический стабилизатор напряжения
Любая электронная схема требует стабильного напряжения для питания активных компонентов (транзисторов, микросхем и т д.), из которых она состоит. Хотя существует множество типов линейных источников, все они основаны на классическом параметрическом регуляторе (см рисунок ниже).
При построении большинства этих устройств используется нелинейный полупроводниковый компонент – диод, в данном случае называемый стабилитроном.
Порядок включения
Классический стабилизатор на стабилитронах – один из самых простых типов таких устройств, а также самый дешевый и простой в реализации. Одним из «наград» такой простоты является то, что эффект стабилизации невелик, сильно зависит от размера нагрузки и наблюдается в очень узком диапазоне.
Полупроводниковый элемент (стабилитрон), входящий в состав стабилизатора напряжения, представляет собой выпрямительный диод обратного включения. Поэтому рабочую точку компонента можно задать в нелинейной части вольт-амперной характеристики (ВАХ) с резкой падающей ветвью.
Дополнительная информация. Точное его положение определяется номиналом балластного резистора Ro (см рисунок выше).
Пример типовой вольт-амперной характеристики стабилитрона показан на рисунке ниже.
Принцип работы параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (ПСН) неразрывно связан с типом обратной ветви характеристики стабилитрона, который имеет следующие характеристики:
- Поскольку ток через устройство существенно изменяется, напряжение в этой области колеблется в очень небольших пределах;
- Установив значение текущего компонента, рабочую точку можно установить в центре обратной ветви;
- Подбором стабильного напряжения на фиксированном участке вольт-амперной характеристики можно расширить динамический диапазон изменения тока стабилитрона (или его дифференциального сопротивления).
Уведомление! Именно потому, что эта схема позволяет задавать фиксированные параметры, она получила название «параметризация.
Принцип работы
Характер работы регулятора напряжения удобнее всего объяснить на примере диода, включенного в цепь постоянного тока. Когда напряжение на нем имеет положительную полярность (положительное соединяется с положительным, а отрицательное соединяется с отрицательным), полупроводниковый переход смещается в направлении проводимости и пропускает ток.
когда полярность применяется в обратном порядке, np-переход закрывается и, следовательно, фактически не проводит ток. Однако если продолжать увеличивать обратное напряжение между электродами, то в зависимости от его вольт-амперных характеристик можно достичь момента, когда диод снова начнет пропускать через себя электроны (но за счет повреждения перехода).
Важно! При этом полупроводниковый компонент работает в режиме обратного напряжения, значительно превышающего прямое падение напряжения на нем (0,5-0,7 Вольта).
Обратный ток в этом случае можно рассматривать как рабочий параметр, изменяющийся в диапазоне регулирования напряжения, а сам диод, работающий в режиме обратного переключения, называется стабилитроном.
Основные параметры
При изучении функции параметрического регулятора особое внимание следует уделить техническим характеристикам самого устройства управления. К ним относятся:
Читайте также статью: Стрижка лесенка на средние и длинные волосы: варианты прически лесенка и примеры укладки – фото и видео
- Стабильное напряжение, определяемое как падение потенциала на нем при протекании среднего тока;
- Максимальные и минимальные значения тока через обратносмещенный переход;
- Допустимая потребляемая мощность устройства Pmax.;
- Проводимость перехода (или дифференциальное сопротивление стабилитрона) в динамическом режиме).
Последний параметр определяется как отношение приращения напряжения ΔUCT к установившемуся изменению тока ΔICT, которое вызывает приращение напряжения ΔUCT.
Относительно первых двух параметров следует отметить, что их значения могут существенно различаться для разных образцов полупроводниковых диодов (в зависимости от мощности устройства). Стабильное напряжение большинства современных стабилитронов варьируется от 0,7 до 200 вольт.
Допустимая рассеиваемая мощность определяется параметрами, перечисленными ранее, и сильно зависит от типа компонента. То же самое относится и к дифференциальному сопротивлению, которое в определенной степени влияет на эффективность процесса стабилизации.
Схема параметрического стабилизатора
Особенности схемы
На рисунке ниже представлена полная принципиальная схема параметрического стабилизатора со стабилитроном в качестве опорного элемента.
Схема работы стабилизатора
Эту схему можно рассматривать как делитель напряжения, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD, включенных параллельно нагрузке RN.
При изменении входного потенциала будет меняться ток через стабилитрон, в то же время напряжение на нем (а значит, и напряжение на нагрузке) фактически останется постоянным; При колебаниях входного тока в определенных пределах, определяемых характеристиками диода и величиной нагрузки, его значение будет соответствовать стабильному напряжению.
Расчёт рабочих параметров
Исходные данные, основанные на расчете параметрического стабилизатора, составляют:
- Подайте питание на вход Up;
- Выходное напряжение Un;
- Выходной номинальный ток IH=Ist.
Принимая во внимание эту информацию, мы рассчитаем необходимые значения с помощью функций онлайн-калькулятора и т д.
В качестве примера предположим:
Up=12 В, Un=5 В, IH=10 мА.
На основании этих данных, предварительно введенных в онлайн-калькулятор или вручную, мы выбрали стабилитрон типа BZX85C5V1RL, имеющий стабильное напряжение 5,1 Вольта и дифференциальное сопротивление примерно 10 Ом. С учетом этого рассчитаем номинал балластного резистора R1 и определим его следующим образом:
Видео: Стабилизаторы напряжения. Расчет параметрического стабилизатора.
R1= U®–Un/In+Ist =12-5/0,01+0,01= 350 Ом.
Поэтому весь расчет параметрического стабилизатора сводится к определению номинала балластного резистора R1 и выбору типа стабилитрона (исходя из рабочего напряжения, на которое он рассчитан).
Возможности по увеличение мощности
Выходная мощность параметрического стабилизатора определяется максимальным током стабилитрона и его допустимой мощностью Pmax и при необходимости может быть увеличена. Для этого следует дополнить схему транзисторными элементами, включенными параллельно или последовательно с нагрузкой. Следовательно, существует разница между шунтирующим стабилизатором и последовательным стабилизатором, в котором транзистор действует как усилитель постоянного тока.
Давайте рассмотрим каждый сценарий более подробно.
Параллельный стабилизатор
В параллельной схеме стабилизатора напряжения транзистор действует как эмиттерный повторитель и подключается параллельно нагрузке (см рисунок ниже).
Схема параллельной стабилизации напряжения
Дополнительная информация. В этой схеме резистор R1 может располагаться как на стороне коллектора транзистора, так и на стороне эмиттера транзистора.
Напряжение на нагрузочном резисторе Rн равно:
Схема работает за счет исключения избыточного тока через открытый переход транзистора КЭ, на базе которого всегда присутствует напряжение (Uст). В этой схеме ИКТ является одновременно током базы транзистора, поэтому его значение в нагрузке может быть в h21е раз выше исходного значения, т.е транзистор в это время действует как усилитель тока.
Последовательный стабилизатор
ПСН собран по последовательной схеме с тем же эмиттерным повторителем на транзисторе VT, но с нагрузочным резистором Rн последовательно с переходом КЭ (см рисунок).
Последовательная схема PSN
В этом случае выходное напряжение устройства равно:
В этой схеме любое колебание тока в нагрузке вызовет изменение знака напряжения на базе транзистора. Эта зависимость приводит к включению или выключению переключателя ЕК, что означает автоматическую стабилизацию выходного напряжения.
Подводя итог описанию, отметим, что в последовательных и параллельных схемах ПСН в качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон, а в качестве усилителя тока — транзистор.
Читайте также статью: Комплектные трансформаторные подстанции: виды, назначение и особенности
