Расчет параметрических стабилизаторов напряжения.

1. 
   Простейший параметрический стабилизатор напряжения.
   

Схема простейшего параметрического стабилизатора, построенного на полупроводниковом стабилитроне, представлена на рис.1.
Принцип действия стабилизатора основан на том, что полупроводниковый стабилитрон VD имеет на обратной ветви своей вольтамперной характеристики участок с большой крутизной (обратное напряжение U_ОБР или напряжение стабилизации U_СТ практически не за

в
исит от тока, протекающего через стабилитрон), рис.2.

При колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки изменяется ток I_СТ, протекающий через стабилитрон. Однако обратное напряжение U_СТ остается практически постоянным. Небольшое изменение напряжения стабилизации U_СТ может быть учтено через дифференциальное сопротивление прибора , приводимое в справочниках. Для поддержания режима стабилизации необходимо, чтобы величина тока стабилизации I_СТ находилось в пределах I_{СТ MIN} … I_{СТ MAX}, где I_{СТ MIN} , I_{СТ MAX} – минимальное и максимальное значения обратного тока стабилитрона, приводимое в справочниках. Обычно I_{СТ MIN}=1...3 mА для маломощных стабилитронов, у которых максимальных обратный ток не превышает 100 mА.

Балластный резистор R_Б ограничивает ток, протекающий через стабилитрон. Благодаря R_Б величина обратного тока не превышает I_{CT MAX} и тем самым предотвращается необратимый тепловой пробой опорного диода VD.

2. 
   Расчет параметрического стабилизатора по схеме рис.1.
   

Исходными данными для расчета стабилизатора напряжения, рис.1, являются:

• 
  Выходное напряжение (напряжение на нагрузке) U_ВЫХ;
  
• 
  Максимальный ток нагрузки I_{Н MAX};
  
• 
  Минимальный ток, потребляемый нагрузкой I_{Н MIN};
  
• 
  Требуемый коэффициент стабилизации K_СТ;
  
• 
  Допустимые процентные отклонения входного напряжения от номинального значения в сторону его уменьшения и увеличения ;
  
• 
  Выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току R_ВЫХ.
  

Порядок расчета стабилизатора следующий:

1. 
   Выбирают стабилитрон и определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации K_{СТ ПР}
   

, где

U_ВЫХ [В] – выходное напряжение;

[%] – допустимое процентное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным;

I_{Н MAX} [A] – максимальный ток, потребляемый нагрузкой;

I_{СТ MIN} [A] – минимальный обратный ток выбранного стабилитрона;

r_Д [Ом] – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Примечание: в общем виде коэффициентом стабилизации напряжения называют частное от деления относительного изменения напряжения на входе на относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора .

Величина K_{СТ ПР} должна быть больше требуемого коэффициента стабилизации в 1,3…1,5 раза. Если данное условие не выполняется, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к более сложной схеме стабилизатора.

2. 
   Находят необходимое входное напряжение , где K_СТ – заданный (требуемый) коэффициент стабилизации.
   
3. 
   Рассчитывают сопротивление балластного резистора ,
   

где R_ВЫХ – выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току.

4. 
   Определяют максимальный ток стабилитрона по формуле:
   

,

где I_{Н MIN} – минимальный ток нагрузки;

- допустимое процентное увеличение входного напряжения.

Если нагрузка постоянна, то I_{Н MAX}=I_{Н MIN}. Значение максимального обратного тока выбранного стабилитрона должно превышать значение I_{СТ MAX}, рассчитанное по формуле (4). Если это условие не выполняется, можно попытаться подобрать другой стабилитрон. В случае неудачи реализация параметрического стабилизатора по схеме рис.1 с заданными требованиями невозможна и следует использовать усилитель тока нагрузки.

Рассмотрим пример расчета стабилизатора.

Пусть необходим стабилизатор напряжения, поддерживающий на нагрузке напряжение примерно 10В. Минимальный ток нагрузки 5mA, максимальный – 15 mA. Требуемый коэффициент стабилизации не менее 25. Допустимое отклонение входного напряжения от номинального значения 10%. Выходное сопротивление стабилизатора равно 25 Ом.

В соответствии со справочными данными, одним из подходящих стабилитронов является Д810 со следующими параметрами: U_СТ=9…10,5 В; I_СТ=3…26 mA; r_Д=12 Ом.

Используя (1) оценим предельно возможный коэффициент стабилизации . Это более чем в 1,5 раза больше требуемого коэффициента стабилизации.

Определим необходимое входное напряжение в соответствии с (2): .

Рассчитаем сопротивление балластного резистора по формуле (3): .

Оценим максимальный ток стабилитрона в соответствии с (4):

.

Полученный максимальный ток стабилизации меньше предельно допустимого обратного тока стабилитрона (20mA<26mA). Поэтому выбранный опорный диод Д810 может быть использован для стабилизатора с вышеприведенными требованиями. Результатами расчета являются: R_Б770 Ом и VD – Д810.

3. 
   П
   овышение нагрузочной способности параметрического стабилизатора.
   

При больших токах нагрузки рекомендуется использовать схему, рис.3.

Для усиления тока нагрузки используется проходной транзистор VT, включенный по схеме эмиттерного повторителя. Коллекторный ток транзистора и, соответственно, ток нагрузки в  раз больше тока базы I_Б, где  - коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Для типовых мощных транзисторов  составляет примерно 10…50 единиц. Для увеличения  либо используют несколько транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, либо составные транзисторы, например, КТ825, КТ827.

Расчет схемы (рис.3.а) сводится к следующему:

1. 
   Величина тока нагрузки уменьшается до приемлемой величины (единиц или десятков mA), соответствующей маломощному стабилитрону и определяется потребное значение усиления по току , где I_{H MAX} – максимальный ток нагрузки (см. п.2).
   
2. 
   Выбирается один или несколько транзисторов для получения необходимого значения коэффициента передачи тока . При этом, в первую очередь, следует обратить внимание на выполнение условия , где I_{K MAX} – максимально допустимый ток коллектора проходного транзистора.
   
3. 
   В соответствии с разделом 2 рассчитывается R_Б и выбирается стабилитрон VD. При этом необходимо учитывать, что вместо I_{H MAX} подставляется , а выходное напряжение увеличивается на величину U_БЭ проходного транзистора: , где - значение выходного напряжения, принимаемое при расчетах.
   
4. 
   Для выбранного транзистора проверяются условия:
   

U_{КЭ MAX} – максимальное допустимое значение напряжения между коллектором и эмиттером выбранного транзистора;

_MIN – минимальное значение коэффициента передачи тока выбранного транзистора (определяется по справочнику).

Если выбранный транзистор не удовлетворяет данным условиям, выбирают новый транзистор и повторяют расчет с п.2.

Стабилизатор, рис.3б., позволяет регулировать выходное напряжение резистором R_P, образующем делитель опорного напряжения. Особенность расчета схемы заключается в том, что принимается равным сумме токов базы транзистора I_Б и делителя I_Д: , так как для нормальной работы схемы ток I_Д должен превышать I_Б как минимум в 3…5 раз. Из этого условия и выбирается сопротивление резистора R_P.

4. 
   Индивидуальные задания.
   

Вариант	Выходное напряжение, В	Ток нагрузки, mA		Коэффициент стабилизации, не менее	Допустимые отклонения входного напряжения в %
		Минимальный	Максимальный
1	10	2	18	15	5	5
2	9	5	20	18	15	15
3	12	10	25	14	10	7
4	12	10	100	10	10	5
5	9	5	130	12	10	10
6	5	3	15	18	7	12
7	0…10	10	200	10	8	10
8	0…5	8	150	12	12	12
9	4	10	19	20	7	15
10	8	7	17	22	5	5
11	0…12	7	180	15	5	12
12	0…10	5	400	10	10	10
13	0…5	10	600	14	4	8
14	15	4	22	28	13	10
15	20	3,5	14,5	17	3	5
16	17	4	28	25	15	20
17	9	10	400	15	4	10
18	10	8	500	18	6	6
19	7	1,8	13	22	9	11
20	18	4	180	26	4	5
21	0…9	5	450	10	5	5
22	0…7	5	700	12	7	7
23	0…15	10	400	15	4	8
24	0…18	5	300	19	3	5
25	12,5	4,5	23	26	11	15
26	26	3	11	20	7	8
27	0…12	8	500	10	5	5
28	0…10	5	650	17	7	8
29	9,5	5	800	5	12	12
30	5	6	1200	5	15	15
31	4	5	1300	8	3	3
32	10	10	1500	5	5	5
33	12	8	840	10	5	5
34	15	4	900	15	5	5
35	18	10	1300	12	10	10
36	20	10	1500	12	10	10
37	0…12	8	1300	10	7	7
38	0…10	8	1500	10	3	3
39	0…15	5	1500	8	10	10
40	0…18	5	1500	12	10	10

Примечание: выходное сопротивление выпрямителя принять равным 20 Ом.