Каталог огранизаций по электромонтажу и электролабораторий:
Москва
Санкт-Петербург

Параметрический стабилизатор напряжения

Для корректной работы подключенных нагрузок необходимо поддерживать определенный диапазон выходных параметров источника питания. Для решения обозначенной задачи достаточно часто применяют стабилизатор на стабилитроне. Такие схемы отличаются не самыми лучшими показателями КПД. Однако для объективности нужно отметить наличие значительных преимуществ: простоту, надежность, хорошие функциональные характеристики.

Отсутствие существенных затруднений при самостоятельной сборке поясняет фото простого параметрического стабилизатора источника питания по напряжению
Отсутствие существенных затруднений при самостоятельной сборке поясняет фото простого параметрического стабилизатора источника питания по напряжению

Принцип работы стабилитрона

Полупроводниковые приборы отличаются нелинейной реакцией при работе с разными токами (напряжениями). Для изучения функциональности пользуются вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая наглядно демонстрирует взаимное влияние базовых параметров и особенности определенной конструкции.

ВАХ диода
ВАХ диода

Так как стабилитрон является одной из разновидностей диода, изучение принципов работы можно начать с рассмотрения типичного электронно-дырочного (n-p) полупроводникового перехода. В правой части показано включение диода в прямом направлении. Хорошо видно, как от порогового уровня Uп дальнейшее повышение напряжения сопровождается практически линейным увеличением тока в цепи. Определенные потери можно учесть при составлении электрической схемы.

При обратном включении источника питания (левая часть рисунка) увеличение напряжения до показанного значения незначительно изменяет ток. Далее (при значении Uпр) возникает пробой, который определяется особенностями перехода:

  1. тепловой,
  2. лавинный;
  3. туннельный.

Первый из отмеченных в перечне вариантов означает чрезмерное повышение температуры и разрушение полупроводникового прибора. Третий – сопровождается увеличением тока, образованного парными зарядами. Для стабилизации подходит лавинная реакция в переходе. Как показано на графике, напряжение в этом режиме изменяется незначительно.

Основные параметры стабилитрона

Для создания рабочей схемы применяют обратное включение полупроводникового прибора. На анод подают «минус» источника питания. На катод – «плюс».

ВАХ стабилитрона
ВАХ стабилитрона

С помощью измерительной аппаратуры можно составить по точкам распределение электрических величин. На рисунке отмечены основные характеристики стабилитрона, которые нужно учитывать при расчете стабилизатора напряжения. Показаны уровни, определяющие:

  • начало пробоя;
  • рабочий режим (Uст, Iст);
  • максимально допустимое значение (Uобр, Imax).

Серийные приборы рассматриваемой категории способны стабилизировать напряжение в диапазоне от 0,6 до 210 V. Допустимый ток (Imax) ограничен мощностью рассеивания. Для улучшения этого параметра применяют монтаж на радиаторе через слой термопасты, эффективную пассивную и принудительную вентиляцию. Отмеченное на графике значение Imin соответствует уровню сохранения работоспособности перехода в обычном режиме. Для стабилизации используют участок ΔU, который характеризуется незначительным изменением напряжения при достаточно большом увеличении силы тока в обратном направлении (ΔI).

Параметрический стабилизатор

Для изучения рабочих режимов и принципов расчета можно использовать простейшую схему. Чтобы не повредить стабилитрон, ограничивают максимальный ток (менее уровня Imax по сопроводительной документации прибора) резистором Rогр. Нагрузка (Rн) соответствует электрическому сопротивлению подключаемого устройства. Для упрощения не рассматривают возможные индуктивные (емкостные) компоненты.

Схема параметрического стабилизатора

Представленный ниже базовый вариант можно модернизировать. На втором рисунке показано последовательное расположение стабилитронов. Так можно составлять несколько приборов для получения необходимого значения напряжения Uст. Встречное соединение применяют для стабилизации переменного напряжения, когда действие функциональных компонентов ограничено соответствующими периодами волнового колебательного процесса.

Схемы
Схемы

К сведению. Этот пример создан с применением классических принципов деления напряжения элементами Rогр и VD. Если правильно рассчитать рабочий режим, изменения на выходе источника питания будут сглажены.

Расчёт параметрического стабилизатора

Для вычислений рабочих параметров применяют следующие формулы:

  • с учетом деления напряжения разницу потенциалов на отдельных компонентах определяют следующим образом: Uвх = Uн + I*Rогр = Uн + (Iст + Iн)*Rогр;
  • для поддержания стабильного напряжения необходимо поддерживать допустимую силу тока в соответствии с ограничениями по ВАХ (Imin, Imax);
  • с учетом отмеченных принципов определяют номинал ограничительного сопротивления: Rогр = (Uвх min – Uст min)/ (In max + Iст min);
  • функциональный диапазон схемы параметрического стабилизатора уточняют по допустимому диапазону изменения входного напряжения: ΔUвх = Uвх max – Uвх min = Uст max + ((Iст max + In min) * Rогр – (Ucт min + (In max + I cт min) * Rогр);
  • для упрощения можно применить математическое преобразование формулы: ΔUвх = (Uст max – Uст min) + (Iст max – I ст min) * Rогр – (In max – In min) * Rогр;
  • с учетом сделанного разделения: ΔUвх = ΔUст +ΔIст * R огр + ΔIn * Rогр;
  • если ток в нагрузке не изменяется: ΔUвх = ΔIст * R огр;
  • энергетическую эффективность созданного устройства рассчитать можно с учетом потерь: КПД = (Uст*In)/(Uвх * Iвх) = (Uст/Uвх)/(1+Iст/In).

К сведению. Последняя формула объясняет увеличение энергетических затрат при повышении разницы между напряжением на входе и выходе. Аналогичное условие соблюдается при прохождении большего тока через полупроводниковый прибор.

Исходные данные определяют по параметрам источника питания (нагрузки). В соответствии с результатами вычислений подбирают подходящий ограничительный резистор и стабилитрон. Располагать компоненты нужно в соответствии с показанной на рисунке схемой.

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Простейший вариант схемы, где установлен только один полупроводниковый прибор, предполагает ограниченную мощность в нагрузке. Если загородный дом или другой объект нужно защитить от перепадов напряжения полностью, придется использовать более сложные решения.

Параллельный стабилизатор

Представленная ниже схема работает следующим образом. Транзистор выполняет функцию усилителя, что обеспечивает компенсационный эффект при увеличении выходного напряжения. Тем самым создают условия для прохождения гораздо большего тока в подключенной нагрузке, по сравнению с применением простейшего варианта, рассмотренного выше.

Схема параллельного включения с формулами для расчетов
Схема параллельного включения с формулами для расчетов

Последовательный стабилизатор

Такое подключение нагрузки обеспечивает корректировку рабочих режимов за счет изменения отпирающего напряжение транзистора. Ток через стабилитрон ограничен номиналом резистора R2. Такой параметрический стабилизатор напряжения выполняет свои функции с высокой точностью. Коэффициент стабилизации при правильном расчете компонентов составляет от 14 до 20 ед.

Последовательная схема
Последовательная схема

Порядок включения

Расчет стабилитрона необходимо выполнять с учетом характеристик обратной ветви ВАХ. Точку номинального напряжения устанавливают в центре рабочего участка. Надо расположить правильно элементы стабилизатора, если применяются транзисторы и другие дополнительные компоненты. Для упрощения вычислений можно воспользоваться специализированным калькулятором в режиме онлайн. Такие возможности справочные ресурсы в интернете предоставляют бесплатно. В некоторых ситуациях удобно использовать схему на полевом транзисторе.

Стабилизатор с регулировкой напряжения
Стабилизатор с регулировкой напряжения

Представленный на картинке стабилизатор оснащен регулятором. С применением указанных компонентов при входном напряжении 50V на выходе можно поддерживать установленный пользователем уровень в диапазоне 16-27 V.

Видео