Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе.

Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе

Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.

Обозначения:

Iк - коллекторный ток транзистора

Iн - ток нагрузки

Iб - ток базы транзистора

IR - ток через балластный резистор

Uвх - входное напряжение

Uвых - выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)

Uст - падение напряжения на стабилитроне

Uбэ - падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы параметрического стабилизатора на стабилитроне? Да почти ничем их работа не отличается, - напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока. То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.

Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора. Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода - примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.

Теперь добавим немного математики.

С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: Uвых=Uст-Uбэ, давайте рассчитаем R0 и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка - кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:

куски схем стабилизаторов

Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R0 и области нормальной работы тоже очень похожи.

Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:

Uвх=Uст+IRR0, учитывая что IR=Iст+Iб, получим

Uвх=Uст+(Iст+Iб)R0   (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне всегда было в пределах от Uст min до Uст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:

R0=(Uвх min-Uст min)/(Iб max+Iст min)   (2)

Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением Iэ=Iб(h21Э+1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо Uст min возьмём просто Uст), то получим, что

R0=(Uвх min-Uст)/(Iн max/(h21Э+1)+Iст min)   (3)

h21Э+1 - это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h21K), но поскольку h21Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое "+1" выкидывают и считают, что h21К=h21Э, тогда формула (3) становится чуть проще:

R0=(Uвх min-Uст)/(Iн max/h21Э+Iст min)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

формула, область нормальной работы стабилизатора

Перегруппировав это выражение, получим:

формула, область нормальной работы стабилизатора

Или, по другому:

формула, область нормальной работы стабилизатора

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что Iн=Iэ=Iбh21Э ("+1" - выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:

формула, область нормальной работы стабилизатора (4)

Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне - при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.

Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (Iст=3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до Imax. Транзистор возьмём КТ815А (h21Э=40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R0 около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.

Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора. Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в статье про параметрический стабилизатор на стабилитроне, чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).

Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные - нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне. Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона. Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h21Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.

транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h21Э будет гораздо больше.

Ну и самый писк - сделать компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе, поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много - много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, - ещё более стабильное выходное напряжение).

Есть другой вариант - можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.

На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).

radiohlam.ruтеорияпитание

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

Обсудить эту статью на форуме

 
Rambler's Top100 © 2009 - Материалы сайта охраняются законом об авторском праве