Основные параметры стабилизатора

Стабилизатор характеризуется следующими основными параметрами:

1. Коэффициент стабилизации

, (2.4)

где U_Н – выходное напряжение стабилизатора;

U_И – напряжение источника питания на входе стабилизатора;

ΔU_И – изменение напряжения источника питания вызвавшее изменение выходного напряжения на величину ΔU_Н.

Коэффициент стабилизации показывает насколько изменится выходное стабилизируемое напряжение при изменении входного напряжения.

2.

ΔUСТ

Выходное сопротивление стабилизатора

RВЫХ =

ΔI_Н (2.5)

где ΔU_СТ = ΔU_Н – изменение напряжения стабилизации при изменении тока нагрузки на величину ΔI_Н.

ТКН =

ΔUСТ

UСТ

Δt

100%/град

3. Коэффициент температурной нестабильности ТКН

(2.6)

где ΔU_СТ – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δt градусов раздел 1.1.2.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СТАБИЛИЗАТОРА

Структурная схема стабилизатора

Структурная схема стабилизатора представлена на рисунке 16.

ИП – источник питания стабилизатора, СЭ – силовой элемент - транзистор, ИОН - источник опорного напряжения - стабилитрон, СЗ – схема защиты, И - индикация состояния стабилизатора, Н – нагрузка стабилизатора.

3.2 Общие вопросы проектирования

ИП

СЭ

ИОН

СЗ

И

Н

Рисунок 16 - Структурная схема стабилизатора

При выборе элементов схемы руководствуются минимально возможными параметрами. Например, если по расчёту получается мощность, выделяющаяся на резисторе равна 0,25 Вт, то элемент следует выбирать на эту мощность, возможно с небольшим запасом. Без необходимости не следует выбирать элемент высокого класса. Например, во многих электронных схемах вполне устраивает разброс параметров резисторов ±5%, что соответствует ряду Е24 (приложение 1).

При выборе режимов работы элементов и схем следует выбирать минимально возможные значения токов и напряжений.

Определение исходных данных

По соотношениям (2.6, 2.7) оценивается возможность использования параметрического стабилизатора (рисунок 15). Если параметрический стабилизатор не может обеспечить требуемый ток нагрузки, то можно попытаться включить транзистор для увеличения выходного тока стабилизатора (рисунок 16). Введение транзистора VТ позволит увеличить ток нагрузки
I_H в В раз по сравнению с допустимым током стабилитрона. В – статический коэффициент усиления транзистора. В схеме использован эмиттерный повторитель напряжения стабилитрона VD.

Выбор транзистора

Порядок выбора элементов стабилизатора рассмотрим на примере (вариант 0). Напряжение стабилизации U_СТ = 10±0,1 В, номинальное значение тока нагрузки I_Н = 50±10 мА. Таким образом, необходимо обеспечить работу стабилизатора при I_Hmax = 60 мА. Такой ток эмиттера могут обеспечить транзисторы средней мощности серий 401-499 или 501-599 [10, 11].

Транзистор включён по схеме с общим коллектором, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера I_К ≈ I_Э. Кроме того нагрузка включена последовательно в цепь эмиттера транзистора, поэтому I_Э = I_Н.

VD

IH

VT

UИ

RН

R1

Рисунок16 - Параметрический стабилизатор с усилителем тока

UКЭ = 10 В

UН = 10 В

1. Выбор транзистора.

Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора I_Kmax и допустимой мощности рассеяния. При выборе руководствуются следующим: максимальный ток коллектора, указанный на ВАХ, должен лежать в пределах (1,1÷1,5)∙I_Hmax. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по допустимому току. В примере выбирается транзистор с током коллектора 65 мА ≤ I_Kmax ≤ 100 мА. Для указанного условия подходит транзистор типа КТ611В (таблица 4).

2. Определяется коэффициент усиления В по вольт-амперным коллекторным характеристикам выбранного транзистора В = ∆I_K/∆I_Б при напряжении U_KЭ = 10 В (характеристики позиции 5.2.8). Методика определения показана на рисунке 13,б. Для выбранного транзистора получаем В ≈ 50.

3. Определяется необходимый максимальный ток базы

I_Бmax= I_Кmax/В = 1,2 мА.

4. Для нормальной работы транзистора средней мощности напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 10 вольт. Примем напряжение U_КЭ = 10 В. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным U_Kmin= U_Иmin= 20 В (рисунок 16). По заданию напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%, что составит 24,0 ±3,6 В, U_Иmах= 27,6 В. Таким образом, к транзистору прикладывается максимальное напряжение U_КЭmax = U_Иmах – U_Н = 27,6 – 10,0 = 17,6 В.

5. На основании приведённых расчётов выбирается источник питания для стабилизатора. Среднее значение напряжения U_Иср = 24 В.

6. Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора

Р_К = U_КЭmax∙I_Кmax= 27,6·0,06 = 1,66 Вт < Р_КДОП = 1,8 Вт.

7. Если полученная мощность рассеяния превышает допустимую, то транзистор необходимо поместить на радиатор. Выбор необходимой площади радиатора производится по графикам (рисунок 24) справочных данных. Определяется превышение мощности в процентах, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком и определяется площадь радиатора.

8. Если используется транзистор на основе германия, то напряжение база–эмиттер следует принять равным (0,2 ÷ 0,3) В.

9. Для транзисторов средней мощности на основе германия следует воспользоваться теми же коллекторными характеристиками, что и для кремниевых соответствующей мощности. Входные характеристики для германиевых транзисторов представлены отдельно.

Выбор стабилитрона

Напряжение стабилизации U_СТ = 10 В. Стабилитрон включён в цепь базы транзистора. Его напряжение стабилизации должно быть больше на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер U_БЭ. Для кремниевых транзисторов U_БЭ ≈ 0,8 В, для германиевых U_БЭ ≈ 0,25 В.

1. Учитывая падение напряжения U_БЭ ≈ 0,8 В выберем стабилитрон типа КС210В (таблица 2). Его напряжение U_СТ = 11 В, максимальный ток I_СТmax = 20 мА, ТКН ξ = + 7,5 10^‑2 %/^ОС.

Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δt = 40⁰С. ΔU_СТ = U_СТ ξ∙Δt = 11∙0,075·40 = 0,3 В. Напряжение U_СТ = 10 В изменяется на 0,33 В (330 мВ). Такой температурный дрейф недопустим по заданию.

Требуется введение термокомпенсации.

2. Чтобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1,

VD1

R1

VD2

RH

VT1

UБЭ

+UИ

Рисунок 17 - Включение термокомпенсирующего диода

UСТ

UК

Рисунок 18 - Зависимость относительного ξСТ стабилитрона от напряжения стабилизации

– 0,08

0,04

– 0,04

0,08

4 8 12 16 В UСТ

ξСТ

% 0С

включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рисунок 18. На оси ξ_СТ выберем значение ξ_СТ = – 0,075 (у стабилитрона ξ_СТ = +0,075). Проведём стрелку до пересечения с графиком ТКН. Через полученную точку проведём сечение (штрихпунктирная линия). Согласно построению необходим стабилитрон с напряжением стабилизации равным примерно 3 В. Такому напряжению соответствует стабилитрон КС131А, его напряжение стабилизации U_СТ = 3,1 В (таблица 2).

3. После этого необходимо выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ≈ (U_Н – U_К+ 0,8 В) = (10 – 3,1 + 0,8) = 7,7 В (при условии, что транзистор на основе кремния U_БЭ = 0,8 В). Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС175А с напряжением U_CT = 7,5 ± 5% B.

Внимание!

При заданном напряжении стабилизации более 12 В следует включить последовательно два стабилитрона. При этом желательно один из них выбрать на напряжение 5 В, при котором ξ_СТ ≈ 0.

Полной термокомпенсации данным способом получить не удаётся.