Как работает параметрический стабилизатор напряжения для чего служит балластный резистор

Как работает параметрический стабилизатор напряжения для чего служит балластный резистор

Сопротивление (в Омах) балластного резистора R1 равно:

Вычисляют рассеиваемую на резисторе R1 максимальную мощность (в ваттах):

(U вх min — U вых )/R б = U вых /R н min + I ст min ; (1)
(U вх max — U вых )/R б = U вых /R н max + I ст max (2)

Итак, конкретный пример расчета.
Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения при следующих условиях: выходное напряжение U вых = 5,6В; изменение тока нагрузки 5. 15мА; изменение входного напряжения +15. -20%. Решение: 1. По заданному напряжению выберем тип стабилитрона. Заданное напряжение обеспечивает стабилитрон КС456А, имеющий следующие параметры: U ст min = 5,04В при I ст = 10мА; U ст max = 6,16В при I ст = 10мА; I ст min = 3мА; I ст max = 140мА; r д = 7Ом.
2. Зададим минимальный рабочий ток стабилитрона I ст min р = 5мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ ст max = U ст max — ΔI′ ст *r д = 6,16 — (10 — 5)*10‾ ³ *7 = 6,125В.
3. Зададим максимальный рабочий ток стабилитрона I ст mах р = 50мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ ст min = U ст min + ΔI′′ ст *r д = 5.04 + (50 — 10)*10‾ ³ *7 = 5.32В.
4. Значение номинального входного напряжения U вх ном и R б найдем из выражения (1) и (2) — (см. выше):

Здесь надо учесть, что минимальное значение нагрузки будет при максимальном потреблении тока, т.е. R н min = U вых /I ст max р = 5,6B/0.015mA = 373.333 Ом; максимальное значение нагрузки будет при минимальном потреблении тока, т.е. R н max =Uвых/Iст min р = 5.6B/0.005mA = 1120 Ом.
Выразим R б из каждого уравнения. Получим:

Теперь немного математики.

Поскольку левые части уравнений — это одно и то же, значит и правые равны между собою, т.е.

Подставив известные значения, получим:

Далее получаем: (0,8*U вх ном — 6,125)*0,055 = (1,15*U вх ном — 3,52)*0,0214. Раскрывая скобки, получим: 0,044*U вх ном — 0,337 = 0,0246*U вх ном — 0,114. Откуда 0,0194*U вх ном = 0,223. Находим U вх ном = 11,5В. Далее возвращаемся на три формулы выше и находим по любому нам понравившемуся из двух уравнений значение Rб. Оно будет около 143Ом. Выбираем ближайшее стандартное значение сопротивления, т.е. 150Ом.
5. Минимальное и максимальное входное напряжение при заданной в условии погрешности равно: U вх max = 1.15*U вх ном = 1,15*11,5 = 13,2В и U вх min = 1.15*U вх ном = 0,8*11,5 = 9,2В
6. Для найденных U вх min и U вх max при нагрузке от R н min = 373,333Ом до R н max = 1120 Ом и заданном выходном напряжении Uвых = 5,6В определим реальные токи стабилизации I ст max и I ст min :

Полученные значения лежат в рабочем диапазоне токов выбранного стабилитрона.
7. Найдем коэффициент стабилизации стабилитрона согласно выражения, оговоренного выше, а именно: К ст = (Δ Uвх / Uвх) / ( ΔU вых /U вых) = Uвых* R б / Uвх *r д , где Uвх = (U вх max + U вх min )/2

Стандартная величина коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора лежит в пределах К ст = 10. 30. Для получения коэффициента стабилизации напряжения с коэффициентом до 1000 и более применяют компенсационные стабилизаторы.

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.

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.

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:

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

• 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.

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.

Стабилитрон и параметрический стабилизатор напряжения

В схеме ВИЭ, представленной на рис. 1.3.1, напряжение на нагрузке поддерживается постоянным по значению с помощью стабилизатора Ст. Простейший стабилизатор напряжения — параметрический, в котором используется специальный диод — стабилитрон.

Стабилитроном называют полупроводниковый диод со специфической ВЛХ, которую можно получить, используя схему на рис. 1.4.1.

Рис. 1.4.1. Схема получения ВЛХ стабилитрона

Условное графическое обозначение стабилитрона имеет отличительный признак — излом линии катода. Резистор включен для ограничения тока диода до значений менее V_x/R_x.

Типовая ВЛХ стабилитрона, полученная в MicroCAP, приведена на рис. 1.4.2. На ВЛХ видно, что имеется участок ЛВ с большими значениями тока при отрицательной полярности напряжения диода. В отличие от ранее рассмотренного выпрямительного диода стабилитрон всегда включается последовательно с резистором, что позволяет ограничить ток стабилитрона, не допустить перехода режима электрического пробоя в тепловой пробой и разрушения диода. На этом участке напряжение на стабилитроне остается практически постоянным при значительных изменениях тока. Это свойство используется в параметрических стабилизаторах напряжений. При положительном напряжении ВЛХ стабилитрона совпадает с ВЛХ выпрямительного диода.

Рис. 1.4.2. ВАХ стабилитрона D814A (MicroCAP)

На участке АВ ВАХ имеет линейную зависимость тока от напряжения, поэтому главными эксплуатационными параметрами стабилитрона явля-

ются координаты точек Л и В: U„ /„ _мнн, U_CT шкс, /„ _макс. Из этих параметров

• средние напряжение и ток стабилитрона

• дифференциальное сопротивление стабилитрона

• уравнение для линейной аппроксимации участка А В или

Параметрический стабилизатор напряжения. Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.4.3.

Рис. 1.4.3. Схема параметрического стабилизатора напряжения

В схему включены:

• • источник нестабильного напряжения Е_вх > U_cr 0;
• • балластный резистор /С для избыточного напряжения;
• • стабилитрон D_v работающий на участке стабилизации напряжения;
• • резистор нагрузки R_H — приемник стабилизированного напряжения.

В этой схеме согласованы полярность источника напряжения Е_вх и полярность включения стабилитрона таким образом, чтобы направления стрелок положительного напряжения на стабилитроне и на резисторе нагрузки совпадали. График рабочего участка с точками А и В ВАХ стабилитрона изображен в виде кривой на рис. 1.4.4.

Рис. 1.4.4 ВАХ стабилитрона (MicroCAP)

Из уравнения (1.4.4) следует, что при работе стабилитрона на участке Л В ВАХ можно заменить нелинейный элемент — стабилитрон в схеме стабилизатора (см. рис. 1.4.3) двухполюсником, содержащим источник ЭДС Е_Ст,о“ и ст.о и резистор Д_диф (рис. 1.4.5).

Рис. 1.4.5. Линейная схема замещения параметрического стабилизатора напряжения

Напряжение С/_ст0 — точка пересечения прямой, проведенной через точки Л и В, с осью напряжения:

Схема имеет два узла, поэтому напряжение между узлами а и Ъ равно

Обычно в хорошем стабилизаторе /? _шф R_Cl R. и это выражение можно упростить:

Отсюда можно найти коэффициент влияния входного напряжения на значение выходного напряжения параметрического стабилизатора:

Он показывает, что изменение входного напряжения ослабляется по мере уменьшения дифференциального сопротивления стабилитрона и увеличения балластного сопротивления.

Напряжение стабилизируется за счет изменения потерь энергии на балластном резисторе. Поэтому качество стабилизатора напряжения оценивают обычно с помощью коэффициента стабилизации (U_m — входное напряжение, ?/„ — напряжение на нагрузке):

В параметрическом стабилизаторе со стабилитроном напряжение нагрузки U„ = 11 В при сопротивлении /?_(| = 1,5 кОм. Входное напряжение изменяется в интервале U_ux = 17^27 В. Параметры стабилитрона Н_стср = 11 В, /?_диф = 5,5 Ом, 1„_т„ = 0,25 мА, /_ггмакг = 23 мА. Определить балластное сопротивление R_(t, коэффициент стабилизации К_п и оценить, превышает ли максимальный ток стабилитрона /_макс допустимый ток /_ггмакс.

1. Сопротивление балластного резистора:

2. Коэффициент стабилизации:

3. Максимальный ток стабилитрона в стабилизаторе:

Определить сопротивление резистора R-, коэффициент стабилизации К_п и максимальный ток стабилитрона в параметрическом стабилизаторе с различными типами стабилитронов, данные для которых приведены в табл. 1.4.1, а также значения Д,„ U_uxs. t/_BXMaKc.