Розрахунок та проектування паралельного стабілізатора. Особливості застосування. (10+)

Параметричний паралельний стабілізатор

Принцип дії параметричного паралельного стабілізатора заснований на тому, що крізь нього пропускається фіксований (або пості фіксований) струм, заданий джерелом струму (це дуже добре) або резистором (це трохи гірше). Далі струм поділяється на два русла. Частина струму прямує на навантаження. Інша частина проходить в обхід навантаження. Сила обхідного струму, а значить і сила струму навантаження, підтримується такою, щоб напруга на навантаженні дорівнювала заданому значенню. Типові схеми паралельних стабілізаторів наведено малюнку.

Типові схеми паралельних параметричних стабілізаторів

На жаль, у статтях періодично зустрічаються помилки, вони виправляються, статті доповнюються, розвиваються, готуються нові.
Огляд схем безтрансформаторних джерел живлення.

Надпотужний імпульсний підсилювач звуку. Площі. Мовний. Звуковий...
Надпотужний імпульсний підсилювач звуку для озвучування масових заходів та ін.

Тиристорні включають, вимикають, перемикають, комутують, ком...
Управління тиристорним силовим ключем за допомогою оптрона. Гальванічна розв'язка...

Як вибрати частоту роботи контролера і шпаруватість для пуш-пульного перетворення.

Параметричний стабілізатор напруги- це пристрій, в якому стабілізація вихідної напруги досягається за рахунок сильної нелінійності вольт-амперної характеристики електронних компонентів, використаних для побудови стабілізатора (тобто за рахунок внутрішніх властивостей електронних компонентів без побудови спеціальної системи регулювання напруги).

Для побудови параметричних стабілізаторів напруги зазвичай використовуються стабілітрони, стабістори та транзистори.

Через низький ККД такі стабілізатори знаходять застосування в основному в слаботочних схемах (з навантаженнями до декількох десятків міліампер). Найчастіше вони використовують як джерела опорного напруги (наприклад, у схемах компенсаційних стабілізаторів напруги).

Параметричні стабілізатори напруги бувають однокаскадними, багатокаскадними та мостовими.

Розглянемо найпростіший параметричний стабілізатор напруги, побудований на основі стабілітрона (схема наведена нижче):

1. Iст - струм через стабілітрон
2. Ін — струм навантаження
3. Uвих = Uст - вихідна стабілізована напруга
4. Uвх - вхідна нестабілізована напруга
5. R 0 - баластовий (обмежувальний, гасить) резистор

Робота стабілізатора заснована на тому властивості стабілітрона, що на робочій ділянці вольт-амперної характеристики (від Iст min до Iст max) напруга на стабілітроні практично не змінюється (насправді звичайно змінюється від Uст min до Uст max, але можна вважати, що Uст min = Uст max = Uст).

У наведеній схемі, при зміні вхідної напруги або струму навантаження — напруга на навантаженні практично не змінюється (вона залишається такою, як і на стабілітроні), натомість змінюється струм через стабілітрон (у разі зміни вхідної напруги і струм через баластовий резистор теж). Тобто, надлишки вхідної напруги гасяться баластним резистором, величина падіння напруги на цьому резистори залежить від струму через нього, а струм через нього залежить у тому числі від струму через стабілітрон, і таким чином, виходить, що зміна струму через стабілітрон регулює величину падіння напруги на баластному резистори.

Рівняння, що описують роботу цієї схеми:

Uвх = Uст + IR 0 , враховуючи, що I = Iст + Iн, отримаємо

Uвх = Uст + (Ін + Iст) R 0 (1)

Для нормальної роботи стабілізатора (щоб напруга на навантаженні завжди була в межах від Uст min до Uст max) необхідно, щоб струм через стабілітрон завжди був у межах від Iст min до Iст max. Мінімальний струм через стабілітрон буде текти при мінімальній вхідній напрузі та максимальному струмі навантаження. Знаючи це, знайдемо опір баластового резистора:

R 0 =(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) (2)

Максимальний струм через стабілітрон буде текти при мінімальному струмі навантаження та максимальній вхідній напрузі. Враховуючи це та сказане вище щодо мінімального струму через стабілітрон, за допомогою рівняння (1) можна знайти область нормальної роботи стабілізатора:

Перегрупувавши цей вислів, отримаємо:

Або, інакше:

Якщо вважати, що мінімальна та максимальна напруга стабілізації (Uст min і Uст max) відрізняються незначно, то перший доданок у правій частині можна вважати рівним нулю, тоді рівняння, що описує область нормальної роботи стабілізатора, набуде наступного вигляду:

З цієї формули відразу видно один із недоліків такого параметричного стабілізатора — ми не можемо сильно змінювати струм навантаження, оскільки це звужує діапазон вхідної напруги схеми, більше того, можна побачити, що діапазон зміни струму навантаження не може бути більшим, ніж діапазон зміни струму стабілізації стабілітрона (оскільки в цьому випадку права частина рівняння взагалі стає негативною)

Якщо струм навантаження постійний або незначно змінюється, Тоді формула визначення області нормальної роботи стає дуже елементарною:

Далі, розрахуємо ККД нашого параметричного стабілізатора. Він визначатиметься ставленням потужності, що віддається у навантаження до вхідної потужності: ККД=Uст*Ін/Uвх*І. Якщо врахувати, що I = Iн + Iст, то отримаємо:

(5)

З останньої формули видно, що чим більша різниця між вхідною та вихідною напругою, а також чим більше струм через стабілітрон – тим гірше ККД.

Щоб зрозуміти, що означає «гірше» і наскільки взагалі погано справи з ККД у цього стабілізатора — давайте, використовуючи формули вище, спробуємо прикинути, що буде, якщо знижувати напругу скажемо з 6-10 Вольт до 5-ти. Візьмемо звичайнісінький стабілітрон, скажімо КС147А. Струм стабілізації у нього може змінюватися в межах від 3-х до 53-х мА. Щоб при таких параметрах стабілітрона отримати область нормальної роботи завширшки 4 Вольти — нам потрібно взяти баластовий резистор на 80 Ом (скористаємося формулою 4, начебто струм навантаження у нас постійний, оскільки якщо це не так, то все буде ще гірше). Тепер з формули 2 можна порахувати який саме струм навантаження ми можемо в цьому випадку розраховувати. Виходить всього 19,5 мА, а ККД у цьому випадку буде в залежності від вхідної напруги в межах від 14% до 61%.

Якщо цього ж випадку порахувати який максимальний вихідний струм ми можемо розраховувати за умови, що вихідний струм не постійний, а може змінюватися від нуля до Imax, то вирішивши спільно системи рівнянь (2) і (3), отримаємо R 0 =110 Ом, Imax=13,5 мА. Як бачите, максимальний вихідний струм вийшов майже в 4 рази менше від максимального струму стабілітрона.

Більш того, вихідна напруга, отримана на такому стабілізаторі, матиме значну нестабільність залежно від вихідного струму (у КС147А на робочій ділянці ВАХ напруга змінюється від 4,23 до 5,16В), що може виявитися неприйнятним. Єдиний шлях боротьби з нестабільністю в даному випадку - взяти більш вузьку робочу ділянку ВАХ - такий, на якому напруга змінюється не від 4,23 до 5,16В, а скажемо від 4,5 до 4,9В, але в цьому випадку і робочий струм стабілітрона буде вже не 3..53мА, а скажемо 17. Відповідно, і так невелика область нормальної роботи стабілізатора стане ще менше.

Отже, єдиний плюс такого стабілізатора — це його простота, проте, як я вже казав, такі стабілізатори цілком собі існують і навіть знаходять активне застосування як джерела опорної напруги для більш складних схем.

Найпростіша схема, що дозволяє отримати значно більший вихідний струм (або значно ширшу область нормальної роботи, або й те й інше) — .

Для живлення пристроїв, що не вимагають високої стабільності напруги живлення, застосовують найбільш прості, надійні та дешеві стабілізатори – параметричні. У такому стабілізаторі регулюючий елемент при впливі на вихідну напругу не враховує різниці між ним та заданою напругою.

У найбільш простому вигляді параметричний стабілізатор це регулюючий компонент (стабілітрон), що приєднується паралельно до навантаження. Сподіваюся ви пам'ятаєте , адже, на відміну діода, він входить у електричну ланцюг у напрямі, т. е. на анод слід негативний, але в катод - позитивний потенціал напруги джерела. В основі принципу дії такого стабілізатора лежить властивість стабілітрона підтримувати на своїх висновках постійну напругу при суттєвих змінах сили струму, що протікає в схемі. Баластний опір R, включений послідовно зі стабілітроном і навантаженням, обмежує струм, що протікає через стабілітрон, якщо відключити навантаження.

Для живлення пристроїв, з напругою 5 В, в цій схемі стабілізатору можна застосувати стабілітрон типу КС 147. Номінал опору резистора R береться таким, щоб при максимальному рівні вхідної напруги та від'єднаного навантаження струм через стабілітрон не був більше 55 мА. Так як у робочому режимі через цей опір протікає струм стабілітрону та навантаження, його потужність повинна бути як мінімум 1-2 Вт. Струм навантаження цього стабілізатора повинен лежати в інтервалі 8-40 мА.

Якщо вихідний струм стабілізатора малий для живлення, збільшити його потужність можна, додавши підсилювач, наприклад, на основі транзистора.

Його роль у цій схемі виконує транзистор VT1, колектор колектор - емітер якого включається послідовно з навантаженням стабілізатора. Вихідна напруга такого стабілізатора дорівнює різниці вхідної напруги стабілізатора і падіння напруги в колі колектор - емітер транзистора і визначається напругою стабілізації стабілітрона VD1. Стабілізатор забезпечує навантаження струм до 1 А. В якості VT1 можна використовувати транзистори типу КТ807, КТ815, КТ817.

П'ять схем простих стабілізаторів

Класичні схеми, які неодноразово описані у всіх підручниках та довідниках з електроніки.

Рис.1. Стабілізатор за класичною схемою без захисту від КЗ у навантаженні. 5В, 1А.

Рис.2. Стабілізатор за класичною схемою без захисту від КЗ у навантаженні. 12В, 1А.

Рис.3. Стабілізатор за класичною схемою без захисту від КЗ у навантаженні. Регульована напруга 0..20В, 1А

Стабілізатор на 5V 5A побудований на основі статті "П'ятивольтовий із системою захисту", Радіо №11 за 84г стор. 46-49. Схема справді виявилася вдалою, що не завжди буває. Легко повторювана.

Особливо гарна ідея тиристорного захисту навантаження при виході з ладу самого стабілізатора. Якщо ж він (стабілізатор) погорить, то ремонтувати що він дорожчав собі. Транзистор стабілізатора струму VT1 германієвий для зменшення залежності вихідної напруги від температури. Якщо це не важливо, можна і кремнієвий застосувати. Інші транзистори підійдуть будь-які відповідні потужності. При виході з ладу регулюючого транзистора VT3 напруга на виході стабілізатора перевищує поріг спрацьовування стабілітрона VD2 типу КС156А (5.6V) відкривається тиристор і коротить вхід і вихід горить запобіжник. Просто та надійно. Призначення елементів регулювання вказано на схемах.

Рис.4. Принципова схема стабілізатора із захистом від короткого замикання у навантаженні та тиристорною схемою захистом при виході з ладу схеми самого стабілізатора.

Номінальна напруга – 5В, струм – 5А.
RP1 - встановлення струму спрацьовування захисту, RP2 - встановлення вихідної напруги

Наступна схема стабілізатора на 24V 2A

Рис.5. Принципова схема стабілізатора із захистом від короткого замикання у навантаженні.

Номінальна напруга – 24В, струм – 2А.
RP1 – установка вихідної напруги, R3 – установка струму спрацьовування захисту.

Схема розрахована на струм до 20 ампер. Напруга на виході стабілізатора ±19 вольт, а коефіцієнт стабілізації - не нижче 1000. Кожне плече запитане гальванічно розв'язаним живленням на 24 вольти, передбачено захист від короткого замикання.

Теоретична частина за джерелами живлення

Усі існуючі джерела живленнявідносять до однієї з двох груп: первинного та вторинного електроживлення. До джерел первинного електроживлення відносять системи, що переробляють хімічну, світлову, теплову, механічну або ядерну енергію на електричну. Наприклад, хімічну енергію перетворює на електричну сольовий елемент або батарея елементів, а світлову енергію - сонячна батарея.

До складу джерела первинного електроживлення може входити як сам перетворювач енергії, а й устрою та системи, які забезпечують нормальне функціонування перетворювача. Найчастіше безпосереднє перетворення енергії утруднене, і тоді вводять проміжне, допоміжне перетворення енергії. Наприклад, енергія внутрішньоатомного розпаду на атомній електростанції може бути перетворена на енергію перегрітої пари, що обертає турбіну електромашинного генератора, механічну енергію якого перетворюють на електричну енергію.

До джерел вторинного електроживлення відносять такі системи, які з електричної енергії одного виду виробляють електричну енергію іншого виду. Так, наприклад, джерелами вторинного електроживлення є інвертори та конвертори, випрямлячі та помножувачі напруги, фільтри та стабілізатори.

Класифікують джерела вторинного електроживлення за номінальною робочою вихідною напругою. При цьому розрізняють низьковольтні джерела живлення з напругою до 100 В, високовольтні з напругою більше 1 кВ та джерела живлення із середньою вихідною напругою від 100 до 1 кВ.

Будь-які джерела вторинного електроживлення класифікують за потужністю Рн, що вони здатні віддати навантаження. При цьому виділяють п'ять категорій:

мікропотужні (РН< 1 Вт);
малопотужні (1 Вт< Рн < 10 Вт);
середньої потужності (10 Вт< Рн < 100 Вт);
підвищеної потужності (100 Вт< Рн < 1 кВт);
великої потужності (Рн > 1 кВт)

Джерела живлення можуть бути стабілізованими та нестабілізованими. За наявності ланцюга стабілізації вихідної напруги стабілізовані джерела володіють меншою флюктуацією даного параметра, щодо нестабілізованих. Підтримка незмінною вихідної напруги може бути досягнута різними способами, проте всі ці способи можна звести до параметричного або компенсаційного принципу стабілізації. У компенсаційних стабілізаторах присутній ланцюг зворотного зв'язку для відстеження змін регульованого параметра, а параметричних стабілізаторах такий зворотний зв'язок відсутня.

Будь-яке джерело живлення по відношенню до мережі має наступні основні параметри:

мінімальна, номінальна і максимальна напруга живлення або відносна зміна номінальної напруги у бік підвищення або зниження;
вид струму живлення: змінний або постійний;
число фаз змінного струму;
частота змінного струму та діапазон її флюктуації від мінімуму до максимуму;
коефіцієнт споживаної від мережі потужності;
коефіцієнт форми споживаного від мережі струму, що дорівнює відношенню першої гармоніки струму до його чинного значення;
сталість напруги живлення, яка характеризується незмінністю параметрів у часі

По відношенню до навантаження джерело живлення може мати ті ж параметри, що і по відношенню до мережі живлення, і додатково характеризутися такими параметрами:

амплітуда пульсації вихідної напруги чи коефіцієнт пульсації;
величина струму навантаження;
тип регулювань вихідних струму та напруги;
частота пульсації вихідної напруги джерела живлення, в загальному випадку не дорівнює частоті змінного струму мережі живлення;
нестабільність вихідних струму та напруги під впливом будь-яких факторів, що погіршують стабільність.

Крім того, джерела живлення характеризуються:

ККД;
масою;
габаритними розмірами;
діапазоном температур навколишнього середовища та вологості
рівнем шуму, що генерується при використанні вентилятора в системі охолодження;
стійкістю до перевантажень та до ударів з прискоренням;
надійністю;
тривалістю напрацювання на відмову;
часом готовності до роботи;
стійкістю до перевантажень у навантаженнях, і, як окремий випадок, коротким замиканням;
наявністю гальванічної розв'язки між входом та виходом;
наявністю регулювань та ергономічністю;
ремонтопридатністю.

Щоб підібрати стабілітрон для схеми, показаної на рис. 3, потрібно знати діапазон вхідної напруги U1 і діапазон зміни навантаження R Н.

Мал. 3. Схема включення стабілітрона.

Наприклад розрахуємо опір R і підберемо стабілітрон для схеми на рис. 3 з такими вимогами:

Отже, спочатку розрахуємо значення опору R. Мінімальна напруга на вході дорівнює 11 В. При такій напрузі ми повинні забезпечити струм на навантаженні не менше 100 мА (або 0,1 А). Закон Ома дозволяє визначити опір резистора:

R Ц = U1 МІН / I Н.МАКС = 11 / 0,1 = 110 Ом Тобто ланцюг для забезпечення заданого струму на навантаженні повинен мати опір не більше 110 Ом.

На стабілітроні падає напруга 9 В (у нашому випадку). Тогда при токе 0,1 А эквивалент нагрузки: R Э = U2 / I Н.МАКС = 9 / 0,1 = 90 Ом Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь сопротивление: R = R Ц – R Э = 110 – 90 = 20 Ом С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24 ). Але, оскільки стабілітрон споживає невеликий струм, цим значенням здебільшого можна знехтувати.

Тепер визначимо максимальний струм через стабілітрон при максимальній вхідній напрузі та відключеному навантаженні. Розрахунок потрібно виконувати саме при відключеному навантаженні, оскільки навіть якщо у вас навантаження буде завжди підключене, не можна виключити ймовірність того, що якийсь проводок відпаюється і навантаження відключиться.

Отже, обчислимо падіння напруги на резисторі R при максимальній вхідній напрузі:

U R. МАКС = U1 МАКС – U2 = 15 – 9 = 6 В А тепер визначимо струм через резистор R з того ж закону Ома: I R. МАКС = U R. МАКС / R = 6 / 20 = 0,3 А = 300 мА Так як резистор R і стабілітрон VD включені послідовно, то максимально навантаженні), тобто I R. МАКС = I VD. МАКС = 0,3 А = 300 мА Потрібно ще розрахувати потужність розсіюваннярезистора R. Але це ми робитимемо не будемо, оскільки дана тема докладно описано у статті Резистори .

А ось потужність розсіювання стабілітрона розрахуємо:

P МАКС = I VD. МАКС * U СТ = 0,3 * 9 = 2,7 Вт = 2700 мВт Потужність розсіювання – дуже важливий параметр, який часто забувають врахувати. Якщо виявиться, що потужність розсіювання на стабілітроні перевищить максимально допустиму, це призведе до перегріву стабілітрона і виходу його з ладу. Хоча при цьому струм може бути в межах норми. Тому потужність розсіювання як для резистора R, що гасить, так і для стабілітрона VD потрібно завжди розраховувати.

Залишилося підібрати стабілітрон за отриманими параметрами:

U СТ = 9 В – номінальна напруга стабілізації
I СТ.МАКС = 300 мА – максимально допустимий струм через стабілітрон
Р МАКС = 2700 мВт - потужність розсіювання стабілітрону при I СТ.МАКС

За цими параметрами у довіднику знаходимо відповідний стабілітрон. Для наших цілей підійде, наприклад, стабілітрон Д815В.

Треба сказати, що це розрахунок досить грубий, оскільки він враховує деякі параметри, такі, наприклад, як температурні похибки. Однак у більшості практичних випадків описаний тут спосіб підбору стабілітрона цілком підходить.

Стабілітрони серії Д815 мають розкид напруги стабілізації. Наприклад, діапазон напруг Д815В - 7,4 ... 9,1 В. Тому, якщо потрібно отримати точну напругу на навантаженні (наприклад, рівно 9 В), то доведеться досвідченим шляхом підібрати стабілітрон з партії кількох однотипних. Якщо немає бажання возитися з підбором «методом тику», можна вибрати стабілітрони іншої серії, наприклад серії КС190. Щоправда, для нашої нагоди вони не підійдуть, оскільки мають потужність розсіювання не більше 150 мВт. Для підвищення вихідної потужності стабілізатора напруги можна використовувати транзистор. Але про це якось іншим разом…

І ще. У нашому випадку вийшла досить велика потужність розсіювання стабілітрона. І хоча за характеристиками Д815В максимальна потужність 8000 мВт, рекомендується встановлювати стабілітрон на радіатор, особливо якщо він працює в складних умовах (висока температура навколишнього середовища, погана вентиляція і т.п.).

Якщо необхідно, то ви можете виконати описані вище розрахунки для вашого випадку.

Донедавна для живлення малопотужних каскадів радіоелектронної апаратури використовувалися параметричні стабілізатори напруги. Зараз набагато дешевше та ефективніше застосувати малошумливі компенсаційні стабілізатори, подібні до ADP3330 або ADM7154. Проте в ряді апаратури, що вже виробляється, вже застосовані параметричні стабілізатори, тому необхідно вміти їх розраховувати. Найбільш поширена схема параметричного стабілізатора наведена малюнку 1.

Рисунок 1. Схема параметричного стабілізатора

На цьому малюнку наведена схема стабілізатора позитивної напруги. Якщо потрібно стабілізувати негативну напругу, то стабілітрон ставиться у протилежному напрямку. Напруга стабілізації повністю визначається типом стабілітрона.

Розрахунок стабілізатора в такий спосіб зводиться до розрахунку резистора R 0 . Перш ніж починати його розрахунок, слід визначитися з основним дестабілізуючим фактором:

• вхідна напруга;
• струм споживання.

Нестабільна вхідна напруга при стабільному струмі споживання є зазвичай у джерелах опорної напруги для аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів. Для параметричного стабілізатора, який живить певний вузол апаратури, доводиться враховувати зміну вихідного струму. У наведеній на малюнку 1 схемі при постійній вхідній напрузі струм Iзавжди буде стабільним. Якщо навантаження споживатиме менше струму, його надлишки підуть у стабилитрон.

I = Iст + Iн (1)

Тому максимальний струм навантаження не може перевищувати максимальний струм стабілітрону. Якщо вхідна напруга не буде постійною (а ця ситуація є дуже поширеною), то допустимий діапазон зміни струму навантаження додатково зменшується. Опір резистора R 0 розраховується згідно із законом Ома. Під час розрахунку використовується мінімальне значення вхідної напруги.

(2)

Максимальний діапазон зміни вхідної напруги можна визначити за законом Кіргофа. Після невеликих перетворень його можна звести до наступної формули:

(3)

Таким чином, розрахунок параметричного стабілізатора досить простий. Саме це і становить його привабливість. Однак при виборі типу стабілізатора слід мати на увазі та обставина, що стабілітрон (але не стабістор) є джерелом шуму. Тому описаний стабілізатор не слід застосовувати у відповідальних блоках радіоапаратури. Ще раз підкреслю, що при проектуванні нової апаратури як вторинне джерело живлення краще підійдуть малогабаритні малошумливі компенсаційні стабілізатори, такі як ADP7142.

Література:

1. Сажнів А.М., Рогуліна Л.Г., Абрамов С.С. "Електроживлення пристроїв та систем зв'язку": Навчальний посібник / ГОУ ВПО СібГУТІ. Новосибірськ, 2008р. - 112 с.
2. Алієв І.І. Електротехнічний довідник - 4-те вид. випр. - М.: ІП Радіо Софт, 2006. - 384с.
3. Гейтенко О.М. Джерела вторинного електроживлення. Схемотехніка та розрахунок. Навчальний посібник. - М., 2008. - 448 с.
4. Електроживлення пристроїв та систем телекомунікацій: Навчальний посібник для вузів/В.М.Бушуєв, В.А. Демінський, Л.Ф. Захаров та ін. – М.,2009. - 384 с.
5. Параметричні стабілізатори напруги. Розрахунок найпростішого параметричного стабілізатора на стабілітроні (http://www.radiohlam.ru/)