Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1. Входное напряжение Uвx должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1.
Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее. Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mА, а максимальный 25 mА. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё. И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, - максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона. Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления. Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки. Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).
Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле: Iн = (Iст - Iст.мин)h21э. где Iст. - средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э - коэффициент передачи тока базы транзистора VT1. Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001 )/2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21э - 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001)40 = 0,254 А. К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V). Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2. Возьмем такие исходные данные: Входное напряжение UBX = 15V, выходное напряжение Uвых = 12V, максимальный ток через нагрузку Iн = 0,5А. Возникает вопрос, что выбрать, -стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э. Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Iн = (Iст -Iст.мин)h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0.0125А. По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику. Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 mА, максимальный ток 67 mА. То есть средний ток 0,0ЗЗА. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, a 11,35V. Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.
Теперь вычисляем сопротивление R1: R = (15 -12) / 0.0125А = 160 Оm. Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Iк.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А. А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле: Р=(Uвх - Uвых) Iвых. В нашем случае, Р= (15-12)0,5=1,5W. Таким образом, Iк.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1.5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Iк.макс.=1,5А, Рмакс.=10W). Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h21э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4)
В такой схеме общий h21э будет примерно равен произведению h21э обоих транзисторов. Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,3V. Это нужно учесть при выборе стабилитрона, - его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,3V больше требуемого выходного напряжения. К тому же появился резистор R2. Его назначение - подавлять реактивную составляющую транзистора VT2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе. Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.
Радиотворчество.
:Алексей Богомолов
Упрощенный расчет параметрического стабилизатора напряжения.
Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1. Входное напряжение Uвx должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1.Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.
Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).
Iн = (Iст - Iст.мин)h21э.
где Iст. - средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э - коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.
Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001 )/2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21э - 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001)40 = 0,254 А.
К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).
Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2. Возьмем такие исходные данные:
Входное напряжение UBX = 15V, выходное напряжение Uвых = 12V, максимальный ток через нагрузку Iн = 0,5А.
Возникает вопрос, что выбрать, -стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э.
Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Iн = (Iст -Iст.мин)h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0.0125А. По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V.
Попробуем подобрать по справочнику. Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 mА, максимальный ток 67 mА. То есть средний ток 0,0ЗЗА.
В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, a 11,35V. Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.
Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Iк.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А. А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:
Р=(Uвх - Uвых) Iвых. В нашем случае, Р= (15-12)0,5=1,5W.
Таким образом, Iк.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1.5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Iк.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).
Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h21э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4)
Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,3V. Это нужно учесть при выборе стабилитрона, - его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,3V больше требуемого выходного напряжения.
К тому же появился резистор R2. Его назначение - подавлять реактивную составляющую транзистора VT2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе. Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.