Меню

Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока

Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока

В качестве РЭ, как правило, используют полупроводниковые стабилитроны, которые работают на обратном участке ВАХ – участке пробоя. Условное обозначение стабилитрона и его ВАХ приведены на рис.4.2

Рисунок 4.2 – Стабилитрон и его ВАХ

На рисунке 4.2 показаны три стабилитрона первый – обычный, с рабочей областью (1) и напряжением стабилизации вольт, второй – стабистор с рабочей областью (3) и вольт, третий – двухсторонний стабилитрон с симметричной ВАХ (третий и первый квадранты). На рабочем участке (1) значительным изменениям тока соответствует слабое изменение напряжения стабилизации . Если превысить , то мощность, рассеиваемая на стабилитроне превысит допустимую ( участок 4). При токе меньше стабилитрон выходит из режима стабилизации. Участок (2) является рабочим для других приборов – ограничителей напряжения, которые считаются приборами защиты, а не стабилизации.

К параметрам стабилитрона относятся:

а) напряжение стабилизации и пределы его изменения ;

б) номинальный ток и пределы его изменения ;

в) максимальная мощность ;

г) дифференциальное сопротивление на рабочем участке

е) температурный коэффициент напряжения (ТКН) .

Последний показатель рассмотрим подробнее. Полупроводники очень чувствительны к температуре и их ВАХ существенно изменяются, как показано на рис.4.3. Для p-n перехода (диода) температурный коэффициент напряжения (ТКН) обычно составляет примерно .

Рисунок 4.3 – Температурные отклонения ВАХ

Это недопустимо большая величина. Значительно улучшить температурную стабильность можно путём последовательного включения переходов с ТКН разного знака (рис.4.4).

Рисунок 4.4 – Температурная компенсация ВАХ стабилитрона

Число термокомпенсирующих переходов может быть любым, но они увеличивают дифференциальное сопротивление. Поскольку, наименьшими дифференциальными сопротивлениями обладают стабилитроны с напряжением стабилизации около 6…7 вольт, то прецизионные (термокомпенсированные) приборы, выпускаются на напряжение 9…10 вольт при ТКН порядка [14,28] .

Шкала напряжений стабилизации, выпускаемых стабилитронов очень широка – от единиц до сотен вольт, токи стабилизации – от долей миллиампер до единиц ампер. Ёмкость перехода около 1…7 пФ, поэтому стабилитроны практически безинерционны на частотах до единиц мегагерц.

Дискретность напряжения стабилизации создаёт неудобства при построении многоканальных ВУ, что привело к появлению интегральных стабилитронов с управляемым напряжением стабилизации [28]. Их условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.4.5.

Рисунок 4.5 – Интегральный стабилитрон

Диапазон напряжений стабилизации 2,5…36 вольт при токе до 150мА, что перекрывает большинство применений стабилитронов в РЭА.

Основная схема параметрического стабилизатора приведена на рис.4.6.

Рисунок 4.6 – Параметрический стабилизатор

При заданных минимальном и максимальном значениях рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего участка (точки А и В рис.4.2).

Коэффициент стабилизации по входному напряжению:

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона;

– коэффициент передачи постоянной составляющей со входа

Если пренебречь током внутреннего потребления ( ), то . Чем больше , тем лучше, но сильно увеличивать нельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать , что приведет к снижению . Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном стабилитрона, набор которых далеко не бесконечен.

КПД параметрического стабилизатора равен

и обычно составляет из-за потерь в балластном резисторе . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.

Если требуется повысить стабильность выходного напряжения, то применяются каскадные или мостовые схемы стабилизаторов, которые приведены на рис. 4.7а,б соответственно.

В каскадных стабилизаторах результирующий коэффициент стабилизации и КПД равен произведению этих коэффициентов отдельных звеньев

Рисунок 4.7 – Разновидности параметрических стабилизаторов

а) каскадный; б) мостовой

Выходное сопротивление определяется только дифференциальным сопротивлением последнего стабилитрона (VD2). Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах достигается за счёт компенсации. Теоретически, коэффициент стабилизации по напряжению может быть равен бесконечности, если обеспечить равенство . (4.14)

В этой схеме возможно получение очень низких выходных напряжений и малых температурных коэффициентов ( меньше чем у отдельного стабилитрона) за счёт использования стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами. Повышение коэффициента стабилизации связано с уменьшением КПД. Повысить стабильность и КПД позволяет использование токостабилизирующего двухполюсника – ТД (простейшего стабилизатора тока). Его схема показана на рис. 4.8.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения райдер 500ва схема

Рисунок 4.8 – Токостабилизирующий двухполюсник

В схеме эмиттерного повторителя (рис.4.8), независимо от напряжение на резисторе RЭ неизменно, равно и, по закону Ома, ток тоже будет неизменным. Получили двухполюсник – простейший стабилизатор тока ( ЕК изменяется, а ток IЭ не меняется). Его включают в схему параметрического стабилизатора вместо балластного резистора, как показано на рис.4.9 .

Рисунок 4.9 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим двухполюсником

В схеме рис. 4.9 основным является стабилитрон VD2, а VD1– элемент двухполюсника (ТД) служит для фиксации потенциала базы транзистора.

В качестве токостабилизирующего двухполюсника можно использовать полевой транзистор, как показано на рис.4.10.

Рисунок 4.10 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим

двухполюсником на полевом транзисторе

Применение двухполюсника позволяет стабилизировать ток через и существенно повысить стабильность выходного напряжения в широких пределах изменения . Температурная нестабильность здесь такая же, как и в основной схеме параметрического стабилизатора (определяется стабилитроном VD2,).

Для повышения мощности (тока) в нагрузке можно использовать эмиттерный повторитель (рис.4.11).

.

Рисунок 4.11 – Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

На рис.4.11а,б приведена одна и та же схема. Параметрический стабилизатор RVD1 нагружен базовым током транзистора. Ток нагрузки примерно в раз больше, но выходное напряжение меньше напряжения стабилитрона на величину падения на базовом переходе транзистора и температурная стабильность за счёт последнего хуже.

| следующая лекция ==>
Основные определения | Параметрические стабилизаторы напряжения переменного тока

Дата добавления: 2017-09-19 ; просмотров: 1217 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник



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:

Читайте также:  Определяя допускаемое напряжение для чугуна при растяжении

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/)

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

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:  Возгорание электроустановки под напряжением до 10 кв необходимо тушить огнетушителем

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