Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Расчет стабилизатора

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

  Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5 и регулирующий транзистор V6. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения Uн и максимального тока нагрузки Iн. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.

1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып) при заданном выходном (Uн):

Uвып = Uн + 3,

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения Uвып.

2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:

Рmах = 1,3 (Uвып — Uн) Iн,

3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше Uвып, а максимально допустимый ток коллектора — больше Iн.

4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:

Iб.макс = Iн / h21Э min,

где: h21Эmin — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора..

5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы Iб max.

6. Подсчитывают сопротивление резистора R1:

R1 = (Uвып — Uст) / (Iб max + Iст min),

Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом;
Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, В;
Iб.max — вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА;
Iст.min — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).
.

7. Определяют мощность рассеяния резистора R1:

PR1 = (Uвып — Uст)2 / R1,

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

  Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h21Э. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в h21Э раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.

  В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.
Источник: shems.h1.ru

Порядок расчёта стабилизатора напряжения (источника опорного напряжения)


Расчет простейшего стабилизатора напряжения мы проведём с рассмотрением конкретного примера.

Исходные, предъявляемые к схеме параметры:

1. Входное напряжение делителя — Uвх (может быть стабилизированным, а может и нет). Допустим, что Uвх = 25 вольт;

2. Выходное напряжение стабилизации — Uвых (опорное напряжение). Допустим, что нам необходимо получить Uвыx = 9 вольт.

Решение:

1. Исходя из необходимого напряжения стабилизации, по справочнику подбирают необходимый стабилитрон. В нашем случае это Д814В.

2. Из таблицы находят средний ток стабилизации — Iст . По таблице он равен 5 мА.

3. Вычисляют напряжение, падающее на резисторе — UR1, как разность входного и выходного стабилизированного напряжения.

UR1 = Uвx — Uвыx —>    UR1 = 25 – 9 = 16 вольт

4. По закону Ома делят это напряжение на ток стабилизации, протекающий через резистор, и получают значение сопротивления резистора.

R1 = UR1 / Iст    —>    R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ом = 3,2 кОм

Если полученного значения нет в резистивном ряде, выберите ближайший по номиналу резистор. В нашем случае это резистор номиналом 3,3 кОм.

5. Вычисляют минимальную мощность резистора, помножив падение напряжения на нём на протекающий ток (ток стабилизации).

РR1 = UR1 * Iст    —>    РR1 = 16 * 0,005 = 0,08 Вт

Учитывая, что через резистор кроме тока стабилитрона протекает ещё и выходной ток, поэтому выбирают резистор, мощностью не менее, чем в два раза больше вычисленной. В нашем случае это резистор мощностью не меньшей 0,16 Вт. По ближайшему номинальному ряду (в большую сторону) это соответствует мощности 0,25 Вт.

Вот и весь расчёт.


Как было написано ранее, простейшую цепочку стабилизатора постоянного напряжения можно использовать для питания схем, в которых используют малые токи, а для питания более мощных схем они не годятся.

Стабилизатор на эмитерном повторителеОдним из вариантов повышения нагрузочной способности стабилизатора постоянного напряжения является использование эмиттерного повторителя. На схеме изображён каскад стабилизации на биполярном транзисторе. Транзистор «повторяет» приложенное к базе напряжение.

Нагрузочная способность такого стабилизатора возрастает на порядок. Недостатком такого стабилизатора, как и простейшей цепочки состоящей из резистора и стабилитрона, является невозможность регулировки выходного напряжения.

Выходное напряжение такого каскада будет меньше напряжения стабилизации стабилитрона на значение падения напряжения на p-n переходе «база – эмиттер» транзистора. В статье Биполярный транзистор, я писал, что для кремниевого транзистора оно равно – 0,6 … 0,7 вольта, для германиевого транзистора – 0,2 … 0,3 вольта. Обычно грубо считают – 0,65 вольта и 0,25 вольта.

Поэтому, например при использовании кремниевого транзистора, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет на 0,65 вольта меньше, т.е – 8,35 вольта.

Стабилизатор на составном транзистореЕсли вместо одного транзистора использовать составную схему включения транзисторов, то нагрузочная способность стабилизатора возрастёт ещё на порядок. Здесь также, как и в предыдущей схеме следует учитывать уменьшение выходного напряжения за счёт его падения на p-n переходах «база – эмиттер» транзисторов. В данном случае, при использовании двух кремниевых транзисторов, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет уже на 1,3 вольта меньше (по 0,65 вольт на каждый транзистор), т.е – 7,7 вольта. Поэтому, при проектировании подобных схем необходимо учитывать такую особенность и подбирать стабилитрон с учётом потерь на переходах транзисторов.

Резистор R2 необходим для «гашения» реактивной (емкостной и индуктивной) составляющей транзистора VT2, оказывающей паразитное влияние на работу транзистора, и обеспечивает надёжное его реагирование на входное воздействие. Чем меньше сопротивление резистора, тем меньше паразитное влияние, но слишком малое сопротивление может привести к тому, что транзистор VT2 окажется закрытым и в качестве регулирующего элемента окажется только транзистор VT1. Практически, на схемах стабилизаторов, значение резистора R2 рассчитывают редко. Бывает, радиолюбители даже ставят такие номиналы, которые противоречат нормальной работе схем, а сами радиолюбители даже об этом не подозревают. Поэтому его значение подбирают исходя из максимального расчётного нагрузочного тока. Через этот резистор должен протекать ток, приблизительно в 50 раз меньше максимального нагрузочного тока стабилизатора. Цифра 50 — это усреднённое значение коэффициента передачи силовых транзисторов, работающих в режиме больших токов. Сопротивление резистора определяется по закону Ома. Значение падения напряжения на переходе «база – эмиттер», (для кремниевого транзистора – 0,65 вольт) делится на максимальный ток нагрузки стабилизатора (например 2,5 ампер). Полученное значение умножается на 50. Если Вы используете составные транзисторы, то это значение может быть больше на 1 — 2 порядка (не 50, а 500…5000).

R2 = UR2 / Iст.max * 50    —>    R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ом

Рассчитанное таким образом сопротивление позволяет более эффективно гасить реактивную составляющую выходного транзистора и полноценно использовать мощностные способности обоих транзисторов. Не забывайте производить расчёт требуемой мощности резисторов, иначе всё сгорит в неподходящий момент. Выход из строя резистора R2 может привести к выходу из строя транзисторов и того, что Вы подключите в качестве нагрузки. Расчёт мощности стандартный, описанный на страничке Резистор.





Как выбрать транзистор для стабилизатора?


Основные параметры для транзистора в стабилизаторе напряжения: максимальный ток коллектора, максимальное напряжение «коллектор-эмитер» и максимальная мощность. Все эти параметры всегда имеются в справочниках.
      1. При выборе транзистора необходимо учитывать, что паспортный (по справочнику) максимальный ток коллектора должен быть не менее, чем в полтора раза больше максимального тока нагрузки, который вы хотите получить на выходе стабилизатора. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по току нагрузки при случайных кратковременных бросках нагрузки (например короткого замыкания). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.

2. Максимальное напряжение «коллектор-эмитер» характеризует способность транзистора выдерживать определённое напряжение между коллектором и эмитером в закрытом состоянии. В нашем случае этот параметр должен также превышать не менее, чем в полтора раза напряжение подводимое к стабилизатору от цепи «трансформатор-выпрямитель-фильтр питания» вашего блока стабилизированного питания.

3. Паспортная выходная мощность транзистора должна обеспечивать работу транзистора в режиме «полуоткрытого» состояния. Всё напряжение, которое вырабатывается цепочкой «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» делится на две нагрузки: собственно нагрузка вашего блока стабилизированного питания и сопротивление коллекторно-эмитерного перехода транзистора. По обоим нагрузкам течёт один и тот же ток, поскольку они подключены последовательно, а вот напряжение делится. Из этого следует, что необходимо выбрать такой транзистор, который при заданном токе нагрузки способен выдерживать разницу между напряжением, вырабатываемым цепочкой «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» и выходным напряжением стабилизатора. Мощность вычисляется как произведение напряжения на ток (из учебника физики средней школы).

Например: На выходе цепи «трансформатор-выпрямительный мост-фильтр питания» (а значит на входе стабилизатора напряжения) напряжение равно 18 вольт. Нам необходимо получить выходное стабилизированное напряжение 12 вольт, при токе нагрузки 4 ампера.

Находим минимальное значение необходимого паспортного тока коллектора (Iк max):

4 * 1,5 = 6 ампер

Определяем минимальное значение необходимого напряжения «коллектор-эмитер» (Uкэ):

18 * 1,5 = 27 вольт

Находим среднее напряжение, которое в рабочем режиме будет «падать» на переходе «коллектор-эмитер», и тем самым поглощаться транзистором:

18 — 12 = 6 вольт

Определяем потребную номинальную мощность транзистора:

6 * 4 = 24 ватт

При выборе типа транзистора необходимо учитывать, что паспортная (по справочнику) максимальная мощность транзистора должна быть не менее, чем в два — три раза больше номинальной мощности падающей на транзисторе. Это делается для того, чтобы обеспечить запас по мощности при различных бросках тока нагрузки (а следовательно и изменения падающей мощности). При этом следует учесть, чем больше эта разница, тем менее массивный радиатор охлаждения требуется транзистору.

В нашем случае необходимо выбрать транзистор с паспортной мощностью (Рк) не менее:

24 * 2 = 48 ватт

Выбираете любой транзистор, удовлетворяющий этим условиям, с учётом, что чем паспортные параметры будут намного больше расчётных, тем меньше по размерам потребуется радиатор охлаждения (а может и вообще не нужен будет). Но при чрезмерном превышении этих параметров учитывайте тот факт, что чем больше выходная мощность транзистора, тем меньше его коэффициент передачи (h21), а это ухудшает коэффициент стабилизации в источнике питания.


В следующей статье мы рассмотрим компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия. В нём используется принцип контроля выходного напряжения мостовой схемой. Он обладает меньшей пульсацией выходного напряжения, чем «эмиттерный повторитель», кроме того, он позволяет регулировать выходное напряжение в небольших пределах. На его основе будет рассчитана простая схема стабилизированного блока питания.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.