Захист навантаження стабілізатора напруги постійного струму. Параметричні стабілізатори напруги. Розрахунок найпростішого параметричного стабілізатора на стабілітроні

Для того, щоб справлятися з перешкодами в мережі, потрібні стабілізатори струму. Дані пристрої можуть відрізнятися за своїми характеристиками, а пов'язано це з джерелами живлення. Побутові приладив будинку є не дуже вимогливими у плані стабілізації струму, проте вимірювальне обладнання потребує стабільної напруги. Завдяки безперешкодним моделям у вчених з'явилася можливість отримати достовірну інформацію у своїх дослідженнях.

Як улаштований стабілізатор?

Основним елементом стабілізатора прийнято вважати трансформатор. Якщо розглядати просту модель, то є випрямний міст. З'єднується він із конденсаторами, а також з резисторами. У ланцюзі можуть встановлюватися різних типів і граничний опір вони витримують різне. Також у стабілізаторі є конденсатор.

Принцип роботи

Коли струм потрапляє трансформатор, його гранична частота змінюється. На вході цей параметр знаходиться в районі 50 Гц. Завдяки перетворенню струму гранична частота на виході становить 30 Гц. Високовольтні випрямлячі оцінюють полярність напруги. Стабілізація струму у разі здійснюється завдяки конденсаторам. Зниження перешкод відбувається у резисторах. На виході напруга знову стає постійною, і трансформатор надходить з частотою не вище 30 Гц.

Принципова схема релейного пристрою

Релейний стабілізатор струму (схема показана нижче) включає компенсаційні конденсатори. Мостові випрямлячі у разі використовуються на початку ланцюга. Також слід враховувати, що транзисторів у стабілізаторі є дві пари. Один із них встановлюється перед конденсатором. Необхідно це для підвищення граничної частоти. В даному випадку вихідна напруга постійного струмуперебуватиме на рівні 5 А. Щоб номінальний опір витримувалося, використовуються резистори. Для найпростіших моделей властиві двоканальні елементи. Процес перетворення у разі відбувається довго, проте коефіцієнт розсіювання буде незначним.

Пристрій стабілізатору LM317

Як очевидно з назви, основним елементом LM317 (стабілізатор струму) є симистор. Він дає пристрою колосальне збільшення в граничній напрузі. На виході цей показник коливається в районі 12 В. Зовнішній опір системою витримується 3 Ом. Для високого коефіцієнта згладжування використовують багатоканальні конденсатори. Для високовольтних пристроїв використовуються транзистори лише відкритого типу. Зміна їх положення у такій ситуації контролюється за рахунок зміни номінального струму на виході.

Диференціальний опір LM317 (стабілізатор струму) витримує 5 Ом. Для вимірювальних приладів цей показник має становити 6 Ом. Нерозривний режим дроселя забезпечується за рахунок потужного трансформатора. Встановлюється він у стандартною схемоюза випрямлячем. Діодні мости для низькочастотних приладів використовуються рідко. Якщо розглядати приймачі на 12, то для них властиві резистори баластного типу. Це необхідно для того, щоб знизити коливання ланцюга.

Високочастотні моделі

Високочастотний стабілізатор струму на транзисторі КК20 відрізняється швидким процесом перетворення. Відбувається це рахунок зміни полярності на виході. Частотозадаючі конденсатори встановлюються в ланцюзі попарно. Фронт імпульсів у такій ситуації не повинен перевищувати 2 мкс. В іншому випадку стабілізатор струму на транзисторі КК20 чекають на значні динамічні втрати. Насичення резисторів у ланцюзі може здійснюватися за допомогою підсилювачів. У стандартній схемі їх передбачено щонайменше трьох одиниць. Для зменшення теплових втрат використовують ємнісні конденсатори. Швидкісні характеристики ключового транзистора залежать тільки від величини дільника.

Широтно-імпульсні стабілізатори

Широтно-імпульсний стабілізатор струму відрізняється великими значеннями індуктивності дроселя. Відбувається це за рахунок швидкої зміни дільника. Також слід враховувати, що резистори у цій схемі застосовуються двоканальні. Струм вони здатні пропускати в різних напрямках. Конденсатори у системі використовуються ємнісні. За рахунок цього граничний опір на виході витримується лише на рівні 4 Ом. У свою чергу, максимальне навантаження стабілізатори можуть тримати 3 А.

Для вимірювальних пристроїв такі моделі використовуються досить рідко. Джерела живлення в даному випадку гранична напруга повинна мати не більше 5 В. Таким чином, коефіцієнт розсіювання перебуватиме в межах норми. Швидкісні характеристики ключового транзистора у стабілізаторах даного типуне дуже високі. Пов'язано це з низькою здатністю резисторів блокувати струм від випрямляча. В результаті перешкоди з високою амплітудою призводять до значних теплових втрат. Спади імпульсів у разі відбуваються виключно з допомогою зниження нейтралізації властивостей трансформатора.

Процесом перетворення займається лише баластний резистор, який розташовується за випрямляючим мостом. Напівпровідникові діоди у стабілізаторах використовують рідко. Необхідність у яких відпадає через те, що фронт імпульсів у ланцюгу, зазвичай, вбирається у 1 мкс. Через війну динамічні втрати у транзисторах є фатальними.

Схема резонансних пристроїв

Резонансний стабілізатор струму (схема показана нижче) включають малоємні конденсатори і резистори з різним опором. Трансформатори у разі є невід'ємною частиною підсилювачів. Для збільшення коефіцієнта корисної дії використовується безліч запобіжників. Динамічні характеристики резисторів від цього зростають. Низькочастотні транзисторимонтуються одразу за випрямлячами. Для хорошої провідності струму конденсатори здатні працювати за різної частоти.

Стабілізатор змінного струму

Стабілізатор струму цього типу є невід'ємною частиною джерел живлення потужністю до 15 В. Зовнішній опір пристроями сприймається до 4 Ом. Напруга змінного струму на вході в середньому становить 13 В. У даному випадку коефіцієнт згладжування контролюється за рахунок відкритих конденсаторів типу. Рівень пульсації на виході залежить від схеми побудови резисторів. Порогова напруга стабілізатор струму може бути здатним витримувати 5 А.

У разі параметр диференціального опору повинен бути на позначці 5 Ом. Максимально допустима потужність розсіювання становить 2 Вт. Це говорить про те, що стабілізатори змінного струмумають суттєві проблеми з фронтом імпульсів. Зменшити їх коливання у разі здатні лише мостові випрямлячі. При цьому обов'язково враховується величина дільника. Для зниження теплових втрат у стабілізаторах застосовуються запобіжники.

Модель для світлодіодів

Для регулювання світлодіодів великою потужністю стабілізатор струму не повинен мати. У цьому випадку завдання полягає в тому, щоб максимально знизити поріг розсіювання. Зробити стабілізатор струму для світлодіодів може декількома способами. Насамперед, у моделях застосовуються перетворювачі. У результаті гранична частота всіх етапах вбирається у 4 Гц. У цьому випадку це дає значне збільшення продуктивності стабілізатора.

Другий спосіб полягає у використанні підсилювальних елементів. У такій ситуації все зав'язується на нейтралізації змінного струму. Для зменшення динамічних втрат транзистори у схемі використовуються високовольтні. Впоратися із зайвим насиченням елементів здатні конденсатори відкритого типу. Для найбільшої швидкодії трансформаторів використовуються ключові резистори. У схемі вони розміщуються стандартно за випрямляючим мостом.

Стабілізатор із регулятором

Регульований стабілізатор струму затребуваний у промисловій сфері. З його допомогою користувач може проводити налаштування пристрою. Додатково багато моделей розраховані на дистанційне управління. З цією метою у стабілізаторах монтуються контролери. Гранична напруга змінного струму такі пристрої витримують лише на рівні 12 В. Параметр стабілізації у разі повинен становити щонайменше 14 Вт.

Показник граничної напруги залежить виключно від частотності приладу. Для зміни коефіцієнта згладжування регульований стабілізаторструму використовує ємнісні конденсатори. Максимальний струм системою підтримується лише на рівні 4 А. У свою чергу, показник диференціального опору допускається лише на рівні 6 Ом. Все це говорить про хорошу продуктивність стабілізаторів. Проте потужність розсіювання може дуже відрізнятися. Також слід знати, що нерозривний режим дроселя забезпечується за рахунок трансформатора.

На первинну обмотку напруга подається через катод. Блокування струму на виході залежить лише від конденсаторів. Для стабілізації процесу запобіжники зазвичай не використовуються. Швидкодія системи забезпечується з допомогою спадів імпульсів. Швидкий процес перетворення струму ланцюга призводить до зниження фронту. Транзистори у схемі використовуються виключно ключового типу.

Стабілізатори постійного струму

Стабілізатор постійного струму працює за принципом подвійного інтегрування. Перетворювачі у всіх моделях відповідають за цей процес. Для збільшення динамічних характеристик стабілізаторів використовуються двоканальні транзистори. Щоб мінімізувати теплові втрати, ємність конденсаторів має бути значною. Точний розрахунок значення дозволяє зробити показник випрямлення. При вихідній напрузі постійного струму 12 А граничне значення максимум має становити 5 В. У такому разі робоча частота пристрою підтримуватиметься на позначці 30 Гц.

Порогова напруга залежить від блокування сигналу трансформатора. Фронт імпульсів у разі не повинен перевищувати 2 мкс. Насичення ключових транзисторів відбувається лише після перетворення струму. Діоди у цій схемі можуть використовуватися виключно напівпровідникового типу. Баластні резистори приведуть стабілізатор струму до значних теплових втрат. В результаті коефіцієнт розсіювання дуже зросте. Як наслідок – амплітуда коливань збільшиться, процес індуктивності не станеться.

Паралельний параметричний стабілізатор, послідовний стабілізатор на біполярному транзисторі. Практичні розрахунки.

Доброго дня, шановні Радіоаматори!
Сьогодні на сайті " ", у розділі " ", ми продовжимо розгляд статті " ". Нагадаю, що минулого разу, вивчаючи схему джерела живлення радіоаматорських пристроїв, ми зупинилися на призначенні та розрахунку фільтра, що згладжує:

Сьогодні ми розглянемо останній елемент – стабілізатор напруги.

Стабілізатор напруги - перетворювач електричної енергії, що дозволяє отримати на виході напругу, що знаходиться в заданих межах при коливаннях вхідної напруги та опору навантаження

Сьогодні ми розглянемо два найпростіші стабілізатори напруги:
- ;
– .

Паралельний параметричний стабілізатор напруги на стабілітроні

Напівпровідниковий стабілітрон - (інша назва – діод Зенера) призначений для стабілізації постійної напруги джерел живлення. В найпростішою схемоюлінійного параметричного стабілізаторавін виступає одночасно і джерелом опорної напруги, і силовим регулюючим елементом. У складніших схемах йому приділяється лише роль джерела опорної напруги.

Один з зовнішніх видівта позначення стабілітрона:

Як працює стабілітрон

Напруга на стабілітрон (на відміну від діода) подають у зворотній полярності (анод з'єднують з мінусом, а катод з плюсом джерела живлення – Uобр). При такому включенні через стабілітрон тече зворотний струм – Iобр.
При збільшенні напруги зворотний струм зростає дуже повільно (на схемі, майже паралельно до осі Uобр), але при певній напрузі Uобрперехід стабілітрона пробивається (але руйнація стабілітрона в цей момент не відбувається) і через нього починає йти зворотний струм значно більшого значення. В цей момент вольтамперна характеристика стабілітрона ( ВАХ) різко йде вниз (майже паралельно до осі Iобр) – настає режим стабілізації, основні параметри якого – напруга стабілізації мінімальна ( Ust min) і струм стабілізації мінімальний ( Іст min).
При подальшому збільшенні UобрВАХ стабілітрона знову змінює свій напрямок - закінчується режим стабілізації, основні параметри якого - максимальна напруга стабілізації ( Uст max) та струм стабілізації максимальний ( Іст max). З цього моменту стабілітрон втрачає свої властивості, починає розігріватися, що може призвести до теплового пробою переходу стабілітрона і відповідно до його виходу з ладу.

Режим стабілізації стабілітрона може бути в широких межах, тому в документації на стабілітрони вказують допустимі мінімальні та максимальні значення струмів ( Іст minі Іст max) та напруг стабілізації ( Ust minі Uст max). Усередині цих діапазонів лежать обрані виробником номінальні значення – Істі Uст. Номінальний струм стабілізації зазвичай встановлюється виробниками на рівні 25-35% від максимального, а номінальне значення напруги стабілізації як середнє від максимального і мінімального.

Для прикладу можна скористатися програмою “ “ і на власні очі подивитися які характеристики наводяться в довідниках зі стабілітронів:

Наприклад стабілітрон Д814Г:
- номінальний струм стабілізації (Іст) = 5 мА;
– Номінальну напругустабілізації (Uст) = (від 10 до 12 вольт) = 11 вольт;
- Максимальний струм стабілізації (Iст max) = 29 мА.
Ці дані будуть необхідні при розрахунках найпростішого стабілізатора напруги.

Якщо ви не змогли знайти потрібний наш рідний, радянський, стабілітрон, то можна використовуючи, наприклад, програму, підібрати за потрібними параметрами буржуйський аналог:

Як бачите, стабілітрон Д814Г легко можна замінити аналогом - BZX55C11 (у якого характеристики навіть трохи кращі)

Ну а тепер розглянемо паралельний параметричний стабілізатор напруги на стабілітроні.

Паралельний параметричний стабілізатор напруги на стабілітронізастосовується в слаботочних пристроях (кілька міліампер) і є дільником напруги (на резисторі R– баластний резистор та стабілітроне VD– який виконує роль другого резистора) на вхід якого подається нестабільна напруга, а вихідна напруга знімається з нижнього плеча дільника. При підвищенні (зниженні) вхідної напруги внутрішній опір стабілітрона зменшується (збільшується), що дозволяє утримувати вихідну напругу на заданому рівні. На баластному резисторі падає різниця між вхідною напругою живлення та напругою стабілізації стабілітрона.

Розглянемо схему даного (найпростішого) стабілізатора напруги:

Для нормальної роботи схемиструм через стабілітрон повинен у кілька разів (3-10 разів) перевищувати струм у стабілізованому навантаженні. Практично, оскільки номінальний струм стабілізації стабілітрона в кілька разів менше максимального, то допускається при розрахунках вважати, що струм навантаження не повинен перевищувати номінального струму стабілізації.
Наприклад: струм споживаний навантаженням становить 10 мА, значить нам необхідно підібрати такий стабілітрон, щоб його номінальний струм стабілізації не був менше 10 мА (краще звичайно, якщо він буде більшим).

Розрахунок паралельного параметричного стабілізатора напруги на стабілітроні

Дано:
Uвх- Вхідна напруга = 15 вольт
Uвих- Вихідна напруга (напруга стабілізації) = 11 вольт

Розрахунок:
1. За довідником, наведеним вище, визначаємо, що для наших цілей підходить стабілітрон Д814Г:
Uст(10-12в) = 11 вольт
Іст max= 29 мА
Істномінальний = 5 мА
Виходячи зі сказаного вище, визначаємося, що струм навантаження не повинен перевищувати Істномінального – 5 мА
2. Визначаємо напругу падіння на баластному резисторі (R) як різницю вхідної та вихідної стабілізованої напруги:
Uпад = Uвх - Uвих= 15-11 = 4 вольта
3. Використовуючи закон Ома, визначаємо номінал баластного опору R, ділячи напругу падіння Uпад на Іст стабілітрона:
R= Uпад/Iст= 4/0,005 = 800 Ом
Оскільки резисторів номіналом 800 Ом немає, беремо найближчий більший номінал – R=1000 Ом= 1 кОм
4. Визначаємо потужність баластного резистора R:
Pрез = Uпад * Iст= 4 * 0,005 = 0,02 Ват
Оскільки через резистор протікає як струм стабілізації стабилитрона а й струм споживаний навантаженням, то отримане значення збільшуємо мінімум удвічі:
Pрез= 0,004 * 2 = 0,008 ват, що відповідає найближчому номіналу = 0,125 ват.

Що робити, якщо ви не знайшли стабілізатор з необхідною напругою стабілізації.
У цьому випадку можна застосувати послідовне з'єднання стабілітронів. Наприклад, якщо ми з'єднаємо послідовно два стабілітрони Д814Г, то напруга стабілізації складе 22 вольта (11+11). Якщо з'єднаємо Д814Г і Д810, то отримаємо напругу стабілізації 20 вольт (11+10).
Допускається будь-яке число послідовного з'єднання стабілітронів однієї серії (як у прикладі – Д8**).
Послідовне з'єднанняСтабілітрони різної серії допускається тільки в тому випадку, якщо робочі струми послідовного ланцюжка укладаються в паспортні діапазони струмів стабілізації кожної використаної серії.

Що робити, якщо в наведеному вище прикладі, струм навантаження становить, наприклад, не 5 а 25 мА?
Можна, звичайно, все так і залишити, так як максимальний струм стабілізації (Iст max) Д814Г дорівнює 29 мА, єдине доведеться перерахувати потужність баластного резистора. Але в цьому випадку стабілітрон працюватиме на межі своїх можливостей і у вас не буде жодних гарантій, що він не вийде з ладу.
А що робити, якщо струм навантаження становить, наприклад, 50 мА?

Послідовний стабілізатор напруги на біполярному транзисторі

Послідовний стабілізатор напруги на біполярному транзисторі– це, по суті, паралельний параметричний стабілізатор на стабілітроні, підключений до входу еммітерного повторювача.

Його вихідна напруга менша за напругу стабілізації стабілітрона за рахунок падіння напруги на переході база-еммітер транзистора (для кремнієвих транзисторів – близько 0,6 вольт, для германієвої – окло 0,25 вольт), що потрібно враховувати при виборі стабілітрона.
Еммітерний повторювач (він же – підсилювач струму) дозволяє збільшити максимальний струм стабілізатора напруги порівняно з паралельним параметричним стабілізатором на стабілітроні β (h 21е)раз (де β (h21е)- Коефіцієнт посилення по струму даного транзистора, береться найменше значення).

Схема послідовного стабілізатора на біполярному транзисторі :

Так як цей стабілізатор складається з двох частин - джерело опорної напруги(він же паралельний параметричний стабілізатор на стабілітроні) та підсилювача струмуна транзисторі (він же еммітерний повторювач), то розрахунок такого стабілізатора проводиться аналогічно вище наведеному прикладу.
Єдина відмінність:
- Наприклад, нам треба отримати струм навантаження 50 мА, тоді вибираємо транзистор з коефіцієнтом посилення β (h 21е)не менше 10 ( β (h 21е)=Інавантаження/Iст=50/5=10
- Потужність баластного резистора розраховуємо за формулою: Ррез = Uпад * (Iст + Iнавантаження)

Струм навантаження можна збільшити ще в кілька разів, якщо застосувати схему зі складеним тразистором (два транзистори, включені за схемою Дарлінгтона або Шиклаї):

Ось, у принципі, і все.

Блок живлення "Простіше не буває". Частина друга

Ага, таки зайшов? Що, цікавість замучило? Але я дуже радий. Ні правда. Розташуйся зручніше, зараз ми разом зробимо деякі нехитрі розрахунки, які потрібні, щоб сварганити блок живлення, який ми вже зробили в першій частині статті. Хоча треба сказати, що ці розрахунки можуть стати в нагоді і в більш складних схемах.

Отже, наш блок живлення складається з двох основних вузлів - це випрямляч, що складається з трансформатора, діодів, що випрямляють, і конденсатора і стабілізатор, що складається з усього іншого. Як справжні індіанці почнемо, мабуть, з кінця і розрахуємо спочатку стабілізатор.

Стабілізатор

Схема стабілізатора показана малюнку.

Це так званий параметричнийстабілізатор. Складається він із двох частин:
1 - сам стабілізатор на стабілітроні D з баластним резистором Rб
2 - емітерний повторювач на транзисторі VT.

Безпосередньо за тим, щоб напруга залишалася тим, яким нам треба, стежить стабілізатор, а емітерний повторювач дозволяє підключати потужне навантаженнядо стабілізатора. Він грає роль ніби підсилювача або якщо завгодно - умощувача.

Два основних параметри нашого блоку живлення – напруга на виході та максимальний струм навантаження. Назвемо їх:
Uвих- це напруга
і
Imax- Це струм.

Для блоку живлення, який ми відгрохали в минулій частині, Uвих = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Спочатку нам необхідно визначити, яку напругу Uвх ми повинні подати на стабілізатор, щоб на виході отримати необхідне Uвх.
Ця напруга визначається за формулою:

Uвх = Uвих + 3

Звідки взялася цифра 3? Це падіння напруги на переході колектор-емітер транзистора VT. Таким чином, для роботи нашого стабілізатора на його вхід ми повинні подати щонайменше 17 вольт.

Транзистор

Визначимо, який нам потрібний транзистор VT. Для цього нам треба визначити, яку потужність він розсіюватиме.

Pmax=1.3(Uвх-Uвих)Imax

Тут треба зважити на один момент. Для розрахунку ми взяли максимальну вихідну напругу блоку живлення. Проте, у цьому розрахунку, треба навпаки брати мінімальну напругу, яку видає БП. А воно у нашому випадку становить 1,5 вольта. Якщо цього не зробити, транзистор може накритися мідним тазом, оскільки максимальна потужність буде розрахована невірно.
Дивись сам:

Якщо ми беремо Uвых=14 вольтам, то отримуємо Pmax = 1.3 * (17-14) * 1 = 3.9 Вт.
Якщо ж ми приймемо Uвых=1.5 вольта, то Pmax = 1.3 * (17-1.5) * 1 = 20,15 Вт

Тобто, якби не врахували цього, то вийшло б, що розрахункова потужність у П'ЯТЬ разів менша за реальну. Зрозуміло, транзисторові це не сподобалося б.

Ну от тепер ліземо в довідник і вибираємо собі транзистор.
Крім щойно отриманої потужності, треба врахувати, що гранична напруга між емітером і колектором має бути більше Uвх, а максимальний струм колектора повинен бути більше Imax. Я вибрав КТ817 - цілком пристойний транзистор.

Вважаємо сам стабілізатор.

Спочатку визначимо максимальний струм бази свіжовибраного транзистора (а ти як думав? у нашому жорстокому світі споживають усі - навіть бази транзисторів).

Iб max =Imax/h21Е min

h21Е min- це мінімальний коефіцієнт передачі струму транзистора і береться він із довідника. Ну, у мене в довіднику написано лише одне число - 25, з ним і рахуватимемо, а що ще залишається?

Iб max =1/25=0.04 А (або 40 мА). Чимало.

Ну давайте тепер шукатимемо стабілітрон.
Шукати його треба за двома параметрами - напрузі стабілізації та струму стабілізації.

Напруга стабілізації має дорівнювати максимальному вихідному напрузі блоку живлення, тобто 14 вольтам, а струм - щонайменше 40 мА, тобто тому, що ми порахували.
Полізли знову до довідника.

По напрузі нам страшно підходить стабілітрон Д814Д, До того ж він у мене був під рукою. Але струм стабілізації ... 5 мА нам ніяк не годиться. Що робитимемо? Зменшуватимемо струм бази вихідного транзистора. А для цього додамо до схеми ще один транзистор. Дивимось на малюнок. Ми додали до схеми транзистор VT2. Ця операція дозволяє нам знизити навантаження на стабілітрон в h21Е разів. h21Е, зрозуміло, того транзистора, який ми щойно додали до схеми. Особливо не думаючи, я взяв із купи залізняк КТ315. Його мінімальний h21Е дорівнює 30, тобто ми можемо зменшити струм до 40/30 = 1.33 мАщо нам цілком підходить.

Тепер порахуємо опір і потужність баластного резистора Rб.

Rб = (Uвх-Uст) / (Iб max + Iст min)

де Uст - напруга стабілізації стабілітрона,
Iст min – струм стабілізації стабілітрона.

Rб = (17-14) / ((1.33 +5) / 1000) = 470 Ом.

Тепер визначимо потужність цього резистора

Prб = (Uвх-Uст) 2/Rб.

Prб = (17-14) 2/470 = 0,02 Вт.

Власне, і все. Таким чином, з вихідних даних - вихідної напруги та струму, ми отримали всі елементи схеми та вхідну напругу, яка має бути подана на стабілізатор.

Проте не розслаблюємося - на нас чекає випрямляч. Вже рахувати так рахувати, я так вважаю (каламбур однак).

Отже, дивимося на схему випрямляча.

Ну, тут все простіше та майже на пальцях. Враховуючи те, що ми знаємо, яку напругу треба подати на стабілізатор - 17 вольт, обчислимо напругу на вторинній обмотці трансформатора. Для цього підемо, як і на початку – з хвоста. Отже, після конденсатора фільтра ми повинні мати напругу 17 вольт.

Враховуючи те, що конденсатор фільтра збільшує випрямлену напругу в 1,41 рази, отримуємо, що після випрямляючого мосту у нас має вийти 17/1,41 = 12 вольт.
Тепер врахуємо, що на випрямному мосту ми втрачаємо близько 1,5-2 вольт, отже, напруга на вторинній обмотці має бути 12+2=14 вольт. Цілком може статися так, що такого трансформатора не знайдеться, не страшно – в даному випадку можна застосувати трансформатор з напругою на вторинній обмотці від 13 до 16 вольт.

Cф =3200Iн/Uн Kн

де Iн - максимальний струм навантаження,
Uн - напруга на навантаженні,
Kн – коефіцієнт пульсацій.

У нашому випадку
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтів,
Kн = 0,01.

Cф = 3200 * 1 / 17 * 0,01 = 18823.

Однак, оскільки за випрямлячем йде ще стабілізатор напруги, ми можемо зменшити розрахункову ємність у 5...10 разів. Тобто 2000 мкф буде цілком достатньо.

Залишилося вибрати випрямні діоди чи діодний міст.

Для цього нам треба знати два основні параметри - максимальний струм, що пливе через один діод і максимальну зворотну напругу, так само через один діод.

Необхідна максимальна зворотна напруга вважається так

Uобр max = 2Uн, тобто Uобр max = 2 * 17 = 34 Вольта.

А максимальний струм, для одного діода повинен бути більшим або дорівнює струму навантаження блока живлення. Ну а для діодних складання в довідниках вказують загальний максимальний струм, який може протікати через це складання.

Ну от начебто б і все про випрямлячі та параметричні стабілізатори.
Попереду у нас стабілізатор для найледачіших – на інтегральній мікросхемі та стабілізатор для найпрацьовитіших – компенсаційний стабілізатор.

ID: 667

Як вам ця стаття?

Напівпровідниковий прилад, про який йтиметься, призначений для стабілізації струму на необхідному рівні, має низьку вартість і дає можливість спростити розробку схем багатьох електронних приладів. Спробую трохи заповнити нестачу інформації про прості схемотехнічні рішення стабілізаторів постійного струму.

Трохи теорії

Ідеальне джерело струму має нескінченно великий ЕРС і нескінченно великий внутрішній опір, що дозволяє отримати необхідний струм в ланцюзі незалежний від опору навантаження.

Розгляд теоретичних припущень щодо параметрів джерела струму допомагає зрозуміти визначення ідеального джерела струму. Струм, створюваний ідеальним джерелом струму, залишається постійним при зміні опору навантаження від короткого замиканнядо нескінченності. Для підтримки величини струму постійної значення ЕРС змінюється від величини не рівної нулю до нескінченності. Властивість джерела струму, що дозволяє отримати стабільне значення струму: при зміні опору навантаження змінюється ЕРС джерела струму таким чином, що значення струму залишається незмінним.

Реальні джерела струму підтримують струм на необхідному рівні обмежений діапазон напруги, створюваного на навантаженні та обмеженому опір навантаження. Ідеальне джерело розглядається, а реальне джерело струму може працювати за нульового опору навантаження. Режим замикання виходу джерела струму не є винятком або функцією джерела струму, що важко реалізується, це один з режимів роботи, в який може безболісно перейти прилад при випадковому замиканні виходу і перейти на режим роботи з опором навантаження більше нуля.

Реальне джерело струму використовується разом із джерелом напруги. Мережа 220 вольт 50 Гц, лабораторний блокживлення, акумулятор, бензиновий генератор, сонячна батарея – джерела напруги, що постачають електроенергію споживачеві. Послідовно з одним із них включається стабілізатор струму. Вихід такого приладу сприймається як джерело струму.

Найпростіший стабілізатор струму являє собою двовивідний компонент, що обмежує струм, що протікає через нього, величиною і точністю відповідної даними фірми виробника. Такий напівпровідниковий прилад здебільшого має корпус, що нагадує діод малої потужності. Завдяки зовнішній подібності та наявності всього двох висновків компоненти цього класу часто згадуються у літературі як діодні стабілізатори струму. Внутрішня схема не містить діодів, така назва закріпилася лише завдяки зовнішній схожості.

Приклади діодних стабілізаторів струму

Діодні стабілізатори струму випускаються багатьма виробниками напівпровідників.

1N5296 Виробники: Microsemi та CDI Струм стабілізації 0,91мА ± 10% Мінімальна напруга на виводах у режимі стабілізації 1,29 В максимальне імпульсна напруга 100 В
E-103 Виробник Semitec Струм стабілізації 10 мА ± 10% Мінімальна напруга на виводах у режимі стабілізації 4,2 В
L-2227 Виробник Semitec Струм стабілізації 25 мА ± 10% Мінімальна напруга на виводах у режимі стабілізації 4 В Максимальна імпульсна напруга 50 В

Від теорії до практики

Застосування діодних стабілізаторів струму спрощує електричні схеми та знижує вартість приладів. Використання діодних стабілізаторів струму привабливе не тільки своєю простотою, але й підвищенням стійкості роботи приладів, що розробляються. Один напівпровідник цього класу залежно від типу забезпечує стабілізацію струму на рівні від 0,22 до 30 міліампер. Найменування цих напівпровідникових приладів за ГОСТом та схемного позначення знайти не вдалося. У схемах статті довелося застосувати позначення звичайного діода.

При включенні в ланцюг живлення світлодіода діодний стабілізатор забезпечує потрібний режим та надійну роботу. Одна з особливостей діодного стабілізатора струму - робота в діапазоні напруги від 1,8 до 100 вольт, що дозволяє захистити світлодіод від виходу з ладу при впливі імпульсних і тривалих змін напруги. Яскравість і відтінок світіння світлодіода залежать від струму, що протікає. Один діодний стабілізатор струму може забезпечити режим роботи кількох послідовно увімкнених світлодіодів, як показано на схемі.

Цю схему легко перетворити залежно від світлодіодів та напруги живлення. Один або кілька паралельно включених діодних стабілізаторів струму в ланцюг світлодіодів зададуть струм світлодіодів, а кількість світлодіодів залежить від діапазону зміни напруги живлення.

За допомогою діодних джерел струму можна побудувати індикаторний або освітлювальний прилад, призначений для живлення від постійної напруги Завдяки живленню стабільним струмом джерело світла матиме постійну яскравість світіння при коливаннях напруги живлення.

Використання резистора в ланцюгу світлодіода індикатора напруги живлення двигуна постійного струму верстата свердловки друкованих плат призводило до швидкого виходу з ладу світлодіода. Застосування діодного стабілізатора струму дозволило отримати надійну роботу індикатора. Діодні стабілізатори струму допускається включати паралельно. Потрібний режим живлення навантажень можна отримати, змінюючи тип або включаючи паралельно потрібну кількість цих приладів.

При живленні світлодіода оптопари через резистор пульсації напруги живлення схеми призводять до коливань яскравості, що накладаються на фронт прямокутного імпульсу. Застосування діодного стабілізатора струму ланцюга живлення світлодіода, що входить до складу оптопари, дозволяє знизити спотворення цифрового сигналу, що передається через оптопару і збільшити надійність каналу інформації.

Застосування діодного стабілізатора струму, що задає режим роботи стабілітрона, дозволяє розробити простий джерело опорної напруги. При зміні струму живлення на 10 відсотків напруга на стабілітроні змінюється на 0,2 відсотка, а так як струм стабільний, то величина опорної напруги стабільна при зміні інших факторів.

Вплив пульсацій напруги живлення на вихідну опорну напругу зменшується на 100 децибел.

Внутрішня схема

Вольтамперна характеристика допомагає зрозуміти роботу діодного стабілізатора струму. Режим стабілізації починається за перевищення напруги на висновках приладу близько двох вольт. При напругах понад 100 вольт відбувається пробій. Реальний струм стабілізації може відхилятися від номінального струму до десяти відсотків. При зміні напруги від 2 до 100 вольт струм стабілізації змінюється на 5 відсотків. Діодні стабілізатори струму, які випускаються деякими виробниками, змінюють струм стабілізації при зміні напруги до 20 відсотків. Що струм стабілізації, то більше відхилення зі збільшенням напруги. Паралельне включення п'яти приладів, розрахованих на струм 2 міліампера, дозволяє отримати більш високі параметри, ніж один на 10 міліампер. Так як зменшується мінімальна напруга стабілізації струму, діапазон напруги в якому працює стабілізатор збільшується.

Основою схеми діодного стабілізатора струму є польовий транзистор p-n перехідом. Напруга затвор-витік визначає струм стоку. При напрузі затвор-витік рівному нулю струм через транзистор дорівнює початковому струму стоку, який тече при напрузі між стоком та витоком більшої напруги насичення. Тому для нормальної роботи діодного стабілізатора струму напруга, прикладена до висновків повинна бути більшою за деяке значення від 1 до 3 вольт.

Польовий транзистор має великий розкид початкового струму стоку, що цю величину передбачити не можна. Дешеві діодні стабілізатори струму є відібрані по струму польові транзистори, у яких затвор з'єднаний з витоком.

При зміні полярності напруги діодний стабілізатор струму перетворюється на звичайний діод. Ця властивість обумовлена ​​тим, що p-n перехід польового транзисторавиявляється зміщеним у прямому напрямку і струм тече по ланцюгу затвор-стік. Максимальний зворотний струм деяких діодних стабілізаторів струму може досягати 100 міліампер.

Джерело струму 0.5А і більше

Для стабілізації струмів силою 0,5-5 ампер і більше застосовується схема, головний елемент якої потужний транзистор. Діодний стабілізатор струму стабілізує напругу на резисторі 180 Ом та на базі транзистора КТ818. Зміна резистора R1 від 0,2 до 10 Ом змінюється струм, що надходить у навантаження. За допомогою цієї схеми можна отримати струм, обмежений максимальним струмом транзистора або максимальним струмом джерела живлення. Застосування діодного стабілізатора струму з найбільш можливим номінальним струмомстабілізації покращує стабільність вихідного струму схеми, але при цьому не можна забувати про мінімально можливу напругу роботи діодного стабілізатора струму. Зміна резистора R1 на 1-2 Ом значно змінює величину вихідного струму схеми. Цей резистор повинен мати велику потужність розсіювання тепла, зміна опору через нагрівання призведе до відхилення вихідного струму від заданого значення. Резистор R1 краще зібрати з кількох паралельно увімкнених потужних резисторів. Резистори, застосовані у схемі, повинні мати мінімальне відхилення опору при зміні температури. При побудові регульованого джерела стабільного струмуабо для точного настроювання вихідного струму резистор 180 Ом можна замінити змінним. Для покращення стабільності струму транзистор КТ818 посилюється другим транзистором меншої потужності. Транзистори з'єднуються за схемою складеного транзистори. При використанні складеного транзистора мінімальна напруга стабілізації збільшується.

Цю схему можна використовувати для живлення соленоїдів, електромагнітів, обмоток крокових двигунів, в гальваніку, для заряджання акумуляторів та інших цілей. Транзистор обов'язково встановлюється на радіатор. Конструкція приладу повинна забезпечувати хороше тепловідведення.

Для деяких електричних ланцюгіві схем цілком вистачає звичайного блоку живлення, що не має стабілізації. Джерела струму такого типу зазвичай складаються з понижуючого трансформатора, діодного випрямного моста і фільтруючого конденсатора. Вихідна напруга блоку живлення залежить від кількості витків вторинної обмоткина знижувальному трансформаторі. Але як відомо мережна напруга 220 вольт нестабільно. Воно може коливатись у деяких межах (200-235 вольт). Відтак і вихідна напруга на трансформаторі теж «плаватиме» (у місце допустимо 12 вольт буде 10-14, або близько того).

Електротехніка, яка особливо не примхлива до невеликих змін живильної постійної напруги може обійтися таким ось простим блокомхарчування. Але чутливіша електроніка вже це не терпить, вона від цього навіть може вийти з ладу. Так що виникає необхідність у додатковій схемі стабілізації постійної вихідної напруги. У цій статті я наводжу електричну схему досить простого стабілізатора постійної напруги, який має стабілітрон та транзистор. Саме стабілітрон виступає в ролі опорного елемента, який визначає та стабілізує вихідну напругу блоку живлення.

Тепер давайте перейдемо до безпосереднього розбору електричної схемипростого стабілізатора постійної напруги. Отже, наприклад у нас є знижуючий трансформатор з вихідною змінною напругою 12 вольт. Ці 12 вольт ми подаємо на вхід нашої схеми, а саме на діодний міст і фільтруючий конденсатор. Діодний випрямляч VD1 із змінного струму робить постійний (але стрибкоподібний). Його діоди повинні бути розраховані на ту максимальну силу струму (з невеликим запасом приблизно 25%), який може видавати блок живлення. Ну, і напруга їх (зворотне) має бути не нижчою від вихідного.

Фільтруючий конденсатор C1 згладжує ці стрибки напруги, роблячи форму постійної напруги більш рівною (хоч і не ідеальною). Його ємність має бути від 1000 мкф до 10000 мкф. Напруга, також більша за вихідний. Врахуйте, що є такий ось ефект. змінна напругапісля діодного мосту та фільтруючого конденсатора електроліту збільшується приблизно на 18%. Отже, у результаті ми вже отримаємо на виході не 12 вольт, а десь 14,5.

Тепер починається частина стабілізатора постійної напруги. Основним функціональним елементом є сам стабилитрон. Нагадаю, що стабілітрони мають здатність у деяких межах стабільно тримати на собі певну постійну напругу (напругу стабілізації) при зворотному включенні. При подачі на стабілізатор напруги від 0 до напруги стабілізації воно просто буде збільшуватися (на кінцях стабілітрона). Дійшовши до рівня стабілізації напруга залишатиметься незмінною (з незначним зростанням), а рости почне сила струму, що протікає через нього.

У нашій схемі простого стабілізатора, який на виході повинен видавати 12 вольт, стабілітрон VD2 розрахований на напругу 12,6 (поставимо стабілізатор на 13 вольт, це відповідає Д814Д). Чому 12,6 вольт? Тому що 0,6 вольт осядуть на транзисторному переході емітер-база. А на виході вийде рівно 12 вольт. Ну а оскільки ми ставимо стабілітрон на 13 вольт, то на виході БП буде десь 12,4 В.

Стабілітрон VD2 (що створює місце опорної постійної напруги) потребує обмежувача струму, який захищатиме його від надмірного перегріву. На схемі цю роль виконує резистор R1. Як видно, він підключений послідовно стабілітрону VD2. Ще один фільтруючий конденсатор електроліт C2 стоїть паралельно стабілітрону. Його завдання також згладжувати надлишки пульсацій напруги. Можна обійтися і без нього, але все ж таки краще буде з ним!

Далі на схемі бачимо біполярний транзистор VT1, який підключений за схемою загальний колектором. Нагадаю, схеми підключення біполярних транзисторівза типом загальний колектор (це ще називається емітерний повторювач) характеризуються тим, що вони значно посилюють силу струму, але при цьому немає ніякого посилення по напрузі (навіть воно трохи менше вхідного, саме на ті 0,6 вольт). Отже ми на виході транзистора отримуємо ту постійну напругу, яка є на його вході (а саме напруга опорного стабілітрона, що дорівнює 13 вольтам). І оскільки емітерний перехід залишає на собі 0,6 вольта, то і на виході транзистора вже буде не 13, а 12,4 вольта.

Як ви повинні знати, щоб транзистор почав відкриватись (пропускати через себе керовані струми по колу колектор-емітер) йому потрібен резистор для створення зміщення. Це завдання виконує той самий резистор R1. Змінюючи його номінал (у певних межах) можна змінювати силу струму на виході транзистора, отже, і на виході нашого стабілізованого блоку живлення. Тим, хто хоче з цим поекспериментувати раджу на місце R1 поставити підстроювальний опір номіналом близько 47 кілоом. Підстроюючи його дивіться, як змінюватиметься сила струму на виході блоку живлення.

Ну, і на виході схеми простого стабілізатора постійної напруги стоїть ще один невеликий конденсатор, що фільтрує, електроліт C3, що згладжує пульсації на виході стабілізованого блоку живлення. Паралельно йому припаяний резистор навантаження R2. Він замикає емітер транзистора VT1 мінус схеми. Як бачимо, схема досить проста. Містить мінімум компонентів. Вона забезпечує цілком стабільну напругу на своєму виході. Для живлення багатої електротехніки даного стабілізованого блоку живлення цілком вистачатиме. Цей транзистор розрахований на максимальну силу струму 8 ампер. Отже для такого струму потрібен радіатор, який відводитиме надлишок тепла від транзистора.

P.S. Якщо паралельно стабілітрону поставити ще змінний резистор номіналом 10 кілоом (середній висновок приєднуємо до бази транзистора), то в результаті ми отримаємо вже регульований блокхарчування. На ньому можна плавно змінювати вихідну напругу від 0 до максимуму (напруга стабілітрона мінус ті самі 0,6 вольт). Думаю, така схема вже буде більш затребувана.