схемаЕсли вам требуется запитать какое-нибудь не слишком привередливое электронное устройство, то можно воспользоваться простейшей схемой параметрического стабилизатора. При изменении входного напряжения ток через балластный резистор тоже изменяется, изменяется напряжение на нем, а вот напряжение на стабилитроне остается практически неизменным. А, значит, и нагрузка получает практически неизменное питание.
Рассмотрим один из самых простых грубых расчетов такого стабилизатора. Задаются требуемым напряжением стабилизации на выходе Uст и током I, который должен включать в себя не только ток стабилитрона, но и ток нагрузки. Используя формулу I = (Uвх - Uст)/R1, находят R1 = (Uвх - Uст)/I.

схемаДля любителей более точных и изощренных расчетов предлагается способ посложнее. Здесь исходными данными будут стабилизированное напряжение Uст = Uн на нагрузке Rн, предельные значения тока нагрузки Iн min и Iн max и наибольшие относительные ожидаемые отклонения входного напряжения питания и от его номинального значения Uвх ном. Исходя из соображений надежности аппаратуры мощность, рассеиваемая на стабилитроне, должна обязательно быть ниже предельной. Учитывая это, рекомендуется принимать при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от указанного в справочнике Iст max. Это принятое значение тока обозначим Iст.р max. При токе Iст min , регламентированном техническими условиями, динамическое сопротивление rд стабилитрона существенно увеличивается по сравнению со значением, соответствующим номинальному току стабилизации. Это ухудшает стабильность выходного напряжения в режиме наибольших значений тока нагрузки и при напряжении Uвх, близком к нижнему пределу. Для того, чтобы обеспечить приемлемый коэффициент стабилизации, минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст.р min принимают при расчете в 3раза большим, чем Iст min. При расчете необходимо учитывать, что чем больше Iст.р min и чем меньше Iст.р max, тем больше необходимое значение напряжения Uвх.
Сначала проверяют пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона при заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:
, где и . Если неравенство не выполняется и нет возможности применить более мощный стабилитрон, то придется задаться меньшими значениями и , уменьшить Iн max или увеличить Iн max.
В тех случаях, когда нагрузка включена постоянно и нагрузочный ток не изменяется, можно принять Iн max = Iн min. Если же, наоборот, надо предусмотреть режим холостого хода стабилизатора, то во избежание повреждения стабилитрона выбирают Iн min = 0. Ток выражают в миллиамперах.
Номинальное значение напряжения Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляют по формуле:

формула

Сопротивление (в Омах) балластного резистора R1 равно:

формула

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

формула

Коэффициент стабилизации:

формула

ВАХ стабилитрона Теперь еще один расчет с небольшим экскурсом. При работе параметрического стабилизатора для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратного электрического пробоя стабилитрона. Предположим, что заданы выходное напряжение Uвых, сопротивление нагрузки Rн и диапазон входного напряжения Uвх max и Uвх min. Отложим на оси напряжений значения минимального и максимального напряжений и через эти точки проведем прямые, угол наклона которых определяется сопротивлением балластного резистора Rб. Точки пересечения характеристики стабилитрона с проведенными прямыми дадут значения соответствующих выходных напряжений устройства. При этом будем полагать, что Rн >>Rб и Iб = Iст. Очевидно, что вследствие нелинейности ВАХ стабилитрона изменению ΔUвх = Uвх max - Uвх min будет соответствовать изменение выходного напряжения ΔUвых = Uвых max - Uвых min, причем ΔUвх>>ΔUвых.
Коэффициент стабилизации устройства ориентировочно можно определить в предположении, что ΔUвх>>ΔUвых=0 и Rн=const. Для тех, кто забыл, напомним, что значок ">>" означает слово "значительно больше", а const означает "постоянно" или "неизменно".
Тогда ΔIвх = ΔUвх/Rб и ΔUвых = ΔIвх*rд, где rд - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Откуда ΔUвыхUвх = ΔIвх*rд/ΔIвх*Rб;
Кст = (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uвых) = Uвых*Rб/Uвх*rд, где Uвх = (Uвх max + Uвх min)/2.
Расчет параметрического стабилизатора может быть выполнен из условия Iст min ≤ Iст ≤ Iст max с использованием выражений:

(Uвх min - Uвых)/Rб = Uвых/Rн min + Iст min; (1)
(Uвх max - Uвых)/Rб = Uвых/Rн max + Iст max (2)

Итак, конкретный пример расчета.
Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения при следующих условиях: выходное напряжение Uвых = 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: Uст min = 5,04В при Iст = 10мА; Uст max = 6,16В при Iст = 10мА; Iст min = 3мА; Iст max = 140мА; rд = 7Ом.

читать далее...

2. Зададим минимальный рабочий ток стабилитрона Iст min р = 5мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ст max = Uст max - ΔI′ст*rд = 6,16 - (10 - 5)*10‾³*7 = 6,125В.
3. Зададим максимальный рабочий ток стабилитрона Iст mах р = 50мА и найдем соответствующее ему максимально возможное напряжение стабилитрона:
U′ст min = Uст min + ΔI′′ст*rд = 5.04 + (50 - 10)*10‾³*7 = 5.32В.
4. Значение номинального входного напряжения Uвх ном и Rб найдем из выражения (1) и (2) - (см. выше):

формула

формула

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

 

формулаформула

Теперь немного математики.

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

формула

Подставив известные значения, получим:

формула

Далее получаем: (0,8*Uвх ном- 6,125)*0,055 = (1,15*Uвх ном- 3,52)*0,0214. Раскрывая скобки, получим: 0,044*Uвх ном - 0,337 = 0,0246*Uвх ном - 0,114. Откуда 0,0194*Uвх ном= 0,223. Находим Uвх 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: Uвх max = 1.15*Uвх ном = 1,15*11,5 = 13,2В и Uвх min = 1.15*Uвх ном = 0,8*11,5 = 9,2В
6. Для найденных Uвх min и Uвх max при нагрузке от Rн min = 373,333Ом до Rн max = 1120 Ом и заданном выходном напряжении Uвых = 5,6В определим реальные токи стабилизации Iст max и Iст min :

формула

формула


Полученные значения лежат в рабочем диапазоне токов выбранного стабилитрона.
7. Найдем коэффициент стабилизации стабилитрона согласно выражения, оговоренного выше, а именно: Кст = (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uвых) = Uвых*Rб/Uвх*rд, где Uвх = (Uвх max + Uвх min)/2

формула

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