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.
Как известно, ни одно электронное устройство не работает без подходящего источника питания. В самом простейшем случае, в качестве источника питания может выступать обычный трансформатор и диодный мост (выпрямитель) со сглаживающим конденсатором. Однако, не всегда под рукой есть трансформатор на нужное напряжение. Да и тем более, такой источник питания нельзя назвать стабилизированным, ведь напряжение на его выходе будет зависеть от напряжения в сети.
Вариант решения этих двух проблем – использовать готовые стабилизаторы, например, 78L05, 78L12. Они удобны в использовании, но опять-таки не всегда есть под рукой. Ещё один вариант – использовать параметрический стабилизатор на стабилитроне и транзисторе. Его схема показана ниже.
Схема стабилизатора
VD1-VD4 на этой схеме – обычный диодный мост, преобразующий переменное напряжение с трансформатора в постоянное. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения, превращая напряжение из пульсирующего в постоянное. Параллельно этому конденсатору стоит поставить плёночный или керамический конденсатор небольшой ёмкости для фильтрации высокочастотных пульсаций, т.к. при большой частоте электролитический конденсатор плохо справляется со своей задачей. Электролитические конденсаторы С2 и С3 в этой схеме стоят с этой же целью – сглаживание любых пульсаций. Цепочка R1 – VD5 служит для формирования стабилизированного напряжения, резистор R1 в ней задаёт ток стабилизации стабилитрона. Резистор R2 нагрузочный. Транзистор в этой схеме гасит на себе всю разницу входного и выходного напряжения, поэтому на нём рассеивается приличное количество тепла. Данная схема не предназначена для подключения мощной нагрузки, но, тем не менее, транзистор стоит прикрутить к радиатору с использованием теплопроводящей пасты.Напряжение на выходе схемы зависит от выбора стабилитрона и значения резисторов. Ниже показана таблица, в которой указаны номиналы элементов для получения на выходе 5, 6, 9, 12, 15 вольт.
Вместо транзистора КТ829А можно использовать импортные аналоги, например, TIP41 или BDX53. Диодный мост допустимо ставить любой, подходящий по току и напряжению. Кроме того, можно собрать его из отдельных диодов. Таким образом, при использовании минимума деталей получается работоспособный стабилизатор напряжения, от которого можно питать другие электронные устройства, потребляющие небольшой ток.
Фото собранного мной стабилизатора:
Калькулятор мощности стабилизатора напряжения
Для правильного выбора мощности стабилизатора, необходимо определить сумму мощностей всех потребителей, нуждающихся одновременно в снабжении электроэнергией, учитывая пусковые токи приборов.
ВАЖНО:
Калькулятор мощности позволяет расчитать силу потребляемого тока популярных бытовых устройств и, предполагаемую мощность стабилизатора напряжения. Электродвигатели имеют пусковые токи гораздо выше номинальных. Рабочая мощность стабилизатора при использовании асинхронных двигателей, компрессоров, насосов должна в 3-5 раз превышать номинальную мощность потребителей.
Онлайн калькулятор мощности
Онлайн калькулятор мощности стабилизатора напряжения
Используйте онлайн калькулятор мощности стабилизатора напряжения для расчета потребления тока каждого бытового прибора. Для аппаратуры, Вы можете посмотреть потребление энергии в паспорте, а так же эта информация дублируется и на самом приборе (на задней стенке прибора). Так же необходимо учитывать различные типы нагрузки. Нагрузка существует как активная, так и реактивная.
Что это такое?
Онлайн калькулятор мощности позволяет правильно учесть активную нагрузку. Активная нагрузка, потому и называется активной, что вся потребляемая электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую и др.). Многие приборы и устройства имеют только активную нагрузку. К таким приборам и устройствам можно отнести лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т.д. Если их указанная потребляемая мощность составляет 1 кВт, для их питания достаточно стабилизатора мощностью 1кВт. Реактивные нагрузки. К таким устройствам можно отнести приборы и изделия имеющие электродвигатель. Среди бытовой техники, таких устройств очень много - почти вся электронная и бытовая техника. Они имеют полную мощность и активную.
Полная мощность исчисляется ВА (вольт-амперы), активная мощность исчисляется Вт (ваттах). Полная мощность (вольт-амперы) и активная мощность (ватты) связаны между собой коэффициентом cos ф. На электроприборах имеющих реактивную составляющую нагрузки, часто указывают их активную потребляемую мощность в ваттах и cos ф. Для того чтобы Вам подсчитать полную мощность в ВА, нужно активную мощность в Вт разделить на cos ф.
Расчет мощности стабилизатора напряжения
Расчет мощности стабилизатора напряжения очень ответственное дело и подходить к этому надо внимательно, иначе вы рискуете оказаться в ситуации, когда стабилизатор напряжения будет все время отключать ваших потребителей (так работает защита по току).
Расчет мощности стабилизатора напряжения
Сделаем расчет мощности стабилизатора напряжения на примере.
Пример: если на дрели написано "700 Вт" и " cos ф = 0,7", это означает, что на самом деле потребляемая инструментом полная мощность будет равна 700/0,7=1000 ВА. Если cos ф не указан, то в среднем активную мощность можно разделить на 0,7.
Высокие пусковые токи. Многие приборы в момент пуска могут потреблять энергии в несколько раз больше, чем их номинальная мощность. К таким приборам относятся все устройства, содержащие двигатель.
Например, глубинный насос, холодильник и т.д.. Указанную в паспорте потребляемую мощность необходимо умножить на 3-5 раз, иначе Вы не сможете включить эти устройства через стабилизатор, потому что будет срабатывать защита от превышения мощности.
После того как Вы получили суммарную мощность всех приборов, необходимо посчитать какие именно приборы будут включатся одновременно и у каких приборов есть пусковые токи. Только в этом случае Вы правильно рассчитаете правильную мощность стабилизатора напряжения необходимого для питания Вашей бытовой техники.
Рекомендуется выбирать модель стабилизатора с 20% запасом по мощности. Во-первых, Вы обеспечите "щадящий" режим работы стабилизатора, тем самым, увеличив его срок службы, во-вторых, создадите себе резерв мощности для дополнительного подключения нового оборудования.
До недавнего времени для питания маломощных каскадов радиоэлектронной аппаратуры использовались параметрические стабилизаторы напряжения. Сейчас намного дешевле и эффективней применить малошумящие компенсационные стабилизаторы, подобные ADP3330 или ADM7154. Тем не менее в ряде уже производящейся аппаратуры уже применены параметрические стабилизаторы, поэтому необходимо уметь их расчитывать. Наиболее распространенная схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема параметрического стабилизатора
На данном рисунке приведена схема стабилизатора положительного напряжения. Если требуется стабилизировать отрицательное напряжение, то стабилитрон ставится в противоположном направлении. Напряжение стабилизации полностью определяется типом стабилитрона.
Расчет стабилизатора таким образом сводится к расчету резистора R 0 . Прежде чем начинать его расчет следует определиться с основным дестабилизирующим фактором:
- входное напряжение;
- ток потребления.
Нестабильное входное напряжение при стабильном токе потребления присутствует обычно в источниках опорного напряжения для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Для параметрического стабилизатора, питающего определенный узел аппаратуры, приходится учитывать изменение выходного тока. В приведенной на рисунке 1 схеме при постоянном входном напряжении ток I всегда будет стабильным. Если нагрузка будет потреблять меньше тока, то его излишки уйдут в стабилитрон.
I = I ст + I н (1)Поэтому максимальный ток нагрузки не может превышать максимальный ток стабилитрона. Если входное напряжение не будет постоянным (а эта ситуация очень распространена), то допустимый диапазон изменения тока нагрузки дополнительно уменьшается. Сопротивление резистора R 0 расчитывается по закону Ома. При расчете используется минимальное значение входного напряжения.
(2)
Максимальный диапазон изменения входного напряжения можно определить по закону Киргофа. После небольших преобразований его можно свести к следующей формуле:
(3)
Таким образом расчет параметрического стабилизатора достаточно прост. Именно это и составляет его привлекательность. Однако при выборе типа стабилизатора следует иметь в виду то обстоятельство, что стабилитрон (но не стабистор) является источником шума. Поэтому описанный стабилизатор не следует применять в ответственных блоках радиоаппаратуры. Еще раз подчеркну, что при проектировании новой аппаратуры в качестве вторичного источника питания лучше подойдут малогабаритные малошумящие компенсационные стабилизаторы, такие как ADP7142.
Литература:
- Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
- Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
- Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
- Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
- Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне (http://www.radiohlam.ru/)
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.