Упрощенный расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Практические советы

Опубликовано: 28.04.2018 10:23

Просмотров: 6504

Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1. Входное напряжение Uвx 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 mА, а максимальный 25 mА. 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. 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.
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).

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:
Iн = (Iст - Iст.мин)h21э.
где Iст. - 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 h21э - 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).
Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2. Возьмем такие исходные данные:
Входное напряжение UBX = 15V, выходное напряжение Uвых = 12V, максимальный ток через нагрузку Iн = 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 Iн = (Iст -Iст.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 mА, максимальный ток 67 mА. То есть средний ток 0,0ЗЗА.
В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, a 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.

Теперь вычисляем сопротивление R1: R = (15 -12) / 0.0125А = 160 Оm.
Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Iк.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) Iвых. В нашем случае, Р= (15-12)0,5=1,5W.
Таким образом, Iк.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1.5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Iк.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).
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.
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 1,3V. Это нужно учесть при выборе стабилитрона, - его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,3V больше требуемого выходного напряжения.
К тому же появился резистор R2. Его назначение - подавлять реактивную составляющую транзистора VT2, 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.
Иванов А.