Простой стабилизатор напряжения. Простые схемы стабилизаторов напряжения своими руками: от параметрических до компенсационных

Как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне

Для многих электрических схем и цепей достаточно простого блока питания, который не имеет стабилизированной выдачи напряжения. Такие источники чаще всего включают в себя низковольтный трансформатор, диодный выпрямительный мост, и конденсатор, выступающий в виде фильтра.

Напряжение на выходе блока питания имеет зависимость от числа витков вторичной катушки трансформатора. Обычно напряжение бытовой сети имеет посредственную стабильность, и сеть не выдает нужные 220 вольт. Величина напряжения может плавать в интервале от 200 до 235 В. Значит, и напряжение на выходе трансформатора также не будет стабильным, а вместо стандартных 12 В получиться от 10 до 14 вольт.

Работа схемы стабилизатора

Электрические устройства, которые не чувствительны небольшим перепадам напряжения питания могут обойтись обычным блоком питания. А более капризные приборы уже не смогут работать без стабильного питания, и могут попросту сгореть. Поэтому есть необходимость во вспомогательной схеме выравнивания напряжения на выходе.

Рассмотрим схему работы простого стабилизатора, выравнивающего постоянное напряжение, на транзисторе и стабилитроне, который играет роль основного элемента, определяет, выравнивает напряжение на выходе блока питания.

Перейдем к конкретному рассмотрению электрической схемы обычного стабилизатора для выравнивания постоянного напряжения.

• Имеется трансформатор для понижения напряжения с переменным напряжением на выходе 12 В.
• Такое напряжение поступает на вход схемы, а конкретнее, на диодный выпрямительный мост, а также фильтр, выполненный на конденсаторе.
• Выпрямитель, выполненный на основе диодного моста, преобразует переменный ток в постоянный, однако получается скачкообразная величина напряжения.
• Полупроводниковые диоды должны работать на наибольшей силе тока с резервом 25%. Такой ток может создавать блок питания.
• Обратное напряжение не должно снижаться меньше, чем выходное напряжение.
• Конденсатор, играющий роль своеобразного фильтра, выравнивает эти перепады питания, преобразуя форму напряжения в практически идеальную форму графика. Емкость конденсатора должна находиться в пределах 1-10 тысяч мкФ. Напряжение должно быть тоже выше входной величины.

Нельзя забывать о следующем эффекте, что после электролитического конденсатора (фильтра) и диодного выпрямительного моста переменное напряжение повышается на величину около 18%. А значит, что в результате получается не 12 В на выходе, а около 14,5 В.

Действие стабилитрона

Следующим этапом работы является работа стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения в конструкции стабилизатора. Он является главным функциональным звеном. Нельзя забывать, что стабилитроны могут в определенных пределах выдерживать стабильность на некотором постоянном напряжении при обратном подключении. Если подать напряжение на стабилитрон от нуля до стабильного значения, то оно будет повышаться.

Когда оно дойдет до стабильного уровня, то останется постоянным, с небольшим возрастанием. При этом будет увеличиваться сила тока, проходящего по нему.

В рассматриваемой схеме обычного стабилизатора, у которого выходное напряжение должно быть 12 В, стабилитрон определен для величины напряжения 12,6 В, так как 0,6 В будет являться потерей напряжения на переходе транзистора эмиттер – база. Выходное напряжение на приборе будет именно 12 В. А так как мы устанавливаем стабилитрон на величину 13 В, на выходе блока получится примерно 12,4 вольта.

Стабилитрон требует ограничения тока, предохраняющего его от излишнего нагревания. Судя по схеме, эту функцию осуществляет сопротивление R1. Оно включено по последовательной схеме со стабилитроном VD2. Другой конденсатор, выполняющий функцию фильтра, подключен параллельно стабилитрону. Он должен выравнивать возникающие импульсы напряжения. Хотя можно вполне обойтись и без него.

На схеме изображен транзистор VТ1, подключенный с общим коллектором. Такие схемы характеризуются значительным усилением тока, однако при этом по напряжению усиления нет. Отсюда следует, что на выходе транзистора образуется постоянное напряжение, имеющееся на входе. Так как эмиттерный переход забирает на себя 0,6 В, то на выходе транзистора получается всего 12,4 В.

Для того, чтобы транзистор стал открываться, необходим резистор для образования смещения. Такую функцию выполняет сопротивление R1. Если изменять его величину, то можно изменять выходной ток транзистора, а, следовательно, и выходной ток стабилизатора. В качестве эксперимента можно вместо резистора R1 подключить переменный резистор на 47 кОм. Регулируя его можно изменять выходную силу тока блока питания.

В конце схемы стабилизатора напряжения подключен еще один маленький конденсатор электролитического типа С3, который выравнивает импульсы напряжения на выходе стабилизированного устройства. К нему припаян по параллельной схеме резистор R2, который замыкает эмиттер VТ1 на отрицательный полюс схемы.

Заключение

Эта схема наиболее простая, включает в себя наименьшее количество элементов, создает стабильное напряжение на выходе. Для работы множества электрических устройств этого стабилизатора вполне достаточно. Такой транзистор и стабилитрон рассчитаны на наибольшую силу тока 8 А. Значит, что для подобного тока необходим охлаждающий радиатор, отводящий тепло от полупроводников.

Для разработки таких стабилизаторов чаще всего применяются стабилитроны, транзисторы и стабисторы. Они имеют пониженный КПД, поэтому используются только в маломощных схемах. Чаще всего они применяются в качестве источников основного напряжения в схемах компенсации стабилизаторов напряжения. Такие параметрические стабилизаторы бывают мостовыми, многокаскадными и однокаскадными. Это наиболее простые схемы стабилизаторов, построенных на основе стабилитрона и других полупроводниковых элементов.

Онлайн расчёт элементов схем линейных стабилизаторов с фиксированным и регулируемым выходным напряжением. Для поддержания стабильной работы и сохранения заявленных параметров электрооборудования его питание в большинстве случаев должно осуществляться постоянным и неподконтрольным никаким внешним воздействиям напряжением. Как правило, эта функция возлагается на устройства, называемые стабилизатором напряжения. Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, предназначенный для поддержания уровня выходного напряжения в заданных пределах при изменениях следующих величин: входного напряжения, сопротивления нагрузки, а также в идеале — температуры и иных внешних воздействий. Ещё не так давно подобные узлы строились на стабилитронах и транзисторах, однако с появлением специализированных микросхем, необходимость в самостоятельном конструировании подобных схем скоротечно отпочковалась, ввиду очевидной простоты реализации стабилизаторов, выполненных на интегральных микросхемах. А зря! Там, где значения коэффициента стабилизации Кст допустимо исчислять десятками, а не сотнями-тысячами, простейший параметрический стабилизатор не только имеет право на существование, но и выигрывает у своих интегральных собратьев по такому важному параметру, как чистота выходного напряжения и отсутствие импульсных помех в момент резкого изменения тока нагрузки. Давайте рассмотрим такие простейшие устройства стабилизаторов напряжения. Рис.1 а) Простейшая схема     б) С эмиттерным повторителем     в) С регулируемым вых. напряжением Схема стабилизатора напряжения, приведённая на Рис.1 а), используется в основном с устройствами, через которые не протекает существенных токов. От номинала резистора Rст зависит величина тока Iвх, протекающего как через стабилитрон, так и через нагрузку. Величина этого тока рассчитывается по формуле: Rст = (Uвх — Uст)/ Iвх, а Iвх должен удовлетворять условию Iвх ≥ Iн. макс + Iст. мин, где Iн. макс — максимальный ток в нагрузке при заданном выходном напряжении, а Iст. мин — минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника. В стабилитронах отечественных производителей параметр Iст. мин, как правило, задан в явном виде, у зарубежных может быть не указан вообще. Куда податься бедному еврею? Я бы рекомендовал в этом случае ориентироваться на значение тока из datasheet-ов «Izk» (значение при котором стабилитрон обладает максимальным импедансом) и увеличить эту величину в 2…3 раза. Хотя, по большому счёту, оптимальным (с точки зрения достижения максимальных параметров) током для стабилитрона является тестовый ток, при котором измеряются основные характеристики полупроводника. Для наиболее эффективного выполнения своих задач стабилитрону довольно важно, чтобы мощность нагрузки не превышала мощности, рассеиваемой на полупроводнике. Поэтому если возникает потребность стабилизации напряжения в нагрузках, потребляющих значительную мощность, используется дополнительный усилитель тока — эмиттерный повторитель (Рис.1 б)). В этом случае нагрузкой для стабилитрона является входное сопротивление повторителя Rвх ≈ Rн x (1 + β), т.е. ток нагрузки можно увеличить в β раз. Тут важно учитывать падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, в связи с чем напряжение на выходе стабилизатора будет на 0,6…0,7 В (на 1,2…1,4 В для составного транзистора) меньше напряжения стабилизации стабилитрона . Установив параллельно стабилитрону переменный резистор (Рис.1 в)), возникает возможность изменять напряжение стабилизации в нагрузке от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона (за вычетом падения напряжения Uбэ на переходе транзистора). Естественно, что ток, протекающий через переменник, также необходимо учитывать, задаваясь его значением — не меньшим, чем входной ток эмиттерного повторителя. Сдобрим пройденный материал калькулятором. ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Схемы компенсационных линейных стабилизаторов являются основой большинства интегральных микросхем, выполняющих функцию стабилизации напряжений и токов, и в простейшем виде могут быть выполнены на стабилитроне и паре транзисторов (Рис.2). Рис.2 Схемы компенсационных линейных стабилизаторов напряжения Здесь стабилитрон является источником опорного напряжения, а транзистор Т2 — устройством сравнения выходного напряжения, поступающего через резистивный делитель на его базу, с опорным значением напряжения на его эмиттере. Повысилось выходное напряжение, а вместе с ним напряжение на базе Т2, транзистор приоткрывается и притягивает напряжение на базе регулирующего транзистора Т1 к минусовой (земляной) шине, тем самым, уменьшая напряжение на его эмиттере, а соответственно и на выходе схемы. Снизилось выходное напряжение — всё то же самое, только наоборот. Компенсационные стабилизаторы на транзисторах имеют более высокий коэффициент стабилизации по сравнению с устройствами, представленными на Рис.1, но в связи наличием обратной связи имеют и свои недостатки. В связи с этим подробно останавливаться на них мы не будем, а перейдём сразу к интегральным стабилизаторам, имеющим похожий принцип действия, но значительно более сложным по структуре, обладающих более высокими характеристиками и при этом — очень простых и удобных в реализации. Существует два типа подобных интегральных микросхем: регулируемые стабилизаторы напряжения и стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения. Во втором случае схема стабилизатора приобретает неприлично примитивный вид, незаслуживающий какого-то серьёзного обсуждения. В случае же стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, схема всё ещё остаётся достаточно простой, но требует некоторых умственных манипуляций, связанных с расчётом резистивного делителя для получения требуемого выходного напряжения. Типовая схема включения большинства регулируемых микросхем приведена на Рис.3. Рис.3 Формула для расчёта выходного напряжения имеет вид Vout = Vref x (1+R2/R1) + Iadj x R2, причём номинал сопротивления R1, как правило, задаётся производителем микросхемы для достижения наилучших параметров выходных характеристик. Отдельные бойцы для снижения пульсаций ставят дополнительные электролиты значительных величин параллельно резистору R2. Оно, конечно, бойцы эти герои, но зачем же стулья ломать? Любое резкое увеличение тока нагрузки, приводящее к снижению выходного напряжения, не сможет моментально отработаться схемой автоматической регулировки из-за задержки в цепи обратной связи, обусловленной данным конденсатором, а это в значительной степени снизит быстродействие устройства. И если для статических нагрузок параметр быстродействия стабилизатора по барабану, то для динамических (к примеру, таких как УНЧ) — очень даже немаловажен. Поэтому — либо эти электролиты вообще не нужны, либо (если их настоятельно рекомендует Datasheet) ставить конденсаторы небольших номиналов в строгом соответствии с рекомендациями производителя. Для начала — справочная таблица с основными техническими характеристиками наиболее часто используемых интегральных стабилизаторов с регулировкой выходного напряжения. Приведённая ниже таблица позволяет рассчитать номиналы резисторов делителя некоторых популярных типов микросхем регулируемых стабилизаторов, представленных разными производителями. ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ — СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Если не хотите, чтобы вдруг «раздался мощный пук» — послеживайте за полярностью включения конденсатора С2. Она должна совпадать с полярностью входного (выходного) напряжения. Отдельно хочу остановиться на МИКРОМОЩНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ С МАЛЫМ СОБСТВЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ. Такого рода стабилизаторы окажутся совсем не лишними в хозяйстве, так как смогут обеспечить такой важнейший показатель радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов. Здесь выбор интегральных микросхем заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому начну я с простой, но проверенной временем схемы на дискретных элементах. Рис.2 Чем хорош КТ315 в данном включении? На обратно смещённом переходе КТ315 при напряжении 6 — 7,5В, в зависимости от экземпляра транзистора, возникает электрический (не побоюсь этого слова) пробой, что позволяет использовать его в качестве стабилитрона на эту-же самую величину напряжения пробоя. При этом транзистор в таком включении, в отличие от многих промышленных стабилитронов, хорошо работает и при малых токах стабилизации, порядка 100 мкА. Из относительно гуманных по цене интегральных стабилизаторов с малым собственным потреблением, могу порекомендовать LP2950, LP2951, LM2931, LM2936 и им подобные.     Тип  U вх макс     В І вых макс     А І вых мин    мА U вых мин     В U вых макс     В   КР142ЕН11  -40    1,5    10   -1,2   -37    КР142ЕН12   40    1,5    10    1,2    37    КР142ЕН18  -40    1,5    10   -1,2   -37    КР142ЕН22   35    5    10    1,25    34    КР142ЕН22А   35    7,5    10    1,25    34    КР142ЕН22Б   35    10    10    1,25    34    LT1083   35    7,5    10    1,2    34    LT1084   35    5    10    1,2    34    LT1085   35    3    10    1,2    34    LM117   40    1,5    5    1,2    37    LM137  -40    1,5    10   -1,2   -37    LM138   35    5    10    1,2    32    LM150   35    5    10    1,2    33    LM217   40    1,5    5    1,2    37    LM317   40    1,5    5    1,2    37    LM317LZ   40    0,1    5    1,2    37    LM337  -40    1,5    10   -1,2   -37    LM337LZ  -40    0,1    10   -1,2   -37    LM338   35    5    10    1,2    32    LM350   35    3    10    1,2    33    TL783   126    0,7    0,1    1,25    125

Электроника 102 — Урок 4

На предыдущем уроке мы улучшили усилитель, смоделировали его и продемонстрировали его производительность с помощью SPICE.

В этом уроке мы собираемся разработать регулятор напряжения, сердце любого источника питания.

Потребность в регуляторах напряжения

Целью регуляторов напряжения является обеспечение постоянного напряжения питания в цепях. вы проектируете

Это наиболее распространенные схемы (каждая электронная система, независимо от ее функций, по крайней мере один), и все же они часто пренебрегают из-за их утилитарных природа.

Нам нужны регуляторы напряжения, потому что источники первичной энергии (как обычные батареи, или напряжение переменного тока, которое мы получаем от сетевой розетки), как правило, не очень стабильны или не стабильны достаточно, чтобы наши схемы работали в соответствии со своими спецификациями.

Например, напряжение, которое мы получаем от автомобильного аккумулятора, может варьироваться от 14,4 В когда двигатель работает, и генератор заряжает аккумулятор, и так низко, как 8 или 9 В, когда вы запускаете двигатель холодным утром.Потому что может быть положительным или отрицательные пики, наложенные на напряжение батареи из-за другого оборудования, большинство Автомобильное оборудование рассчитано на работу с напряжением до 16 В. Внутри некоторых цепей требуется стабильное напряжение для правильной работы, таких как Микропроцессор используется для управления радио. Большинство микропроцессоров работают от источника 3 В или 5 В, который должен регулироваться с точностью до доля вольт. Например, многие микросхемы рассчитаны на работу от номинала 5 В требуется, чтобы напряжение оставалось между 4.5 и 5,5 вольт.

опорного напряжения

Регуляторы напряжения должны иметь ссылку для работы. А Напряжение ссылка является частью или схема, которая обеспечивает стабильное напряжение, когда внешние параметры, такие как напряжение питания или температура варьируется.

Наиболее распространенным эталоном напряжения является стабилитрон ([1]). Стабилитрон — это диод, в котором лавинообразное поведение при обратном пробое оптимизированы и определены количественно, так что диод может безопасно работать в этом регионе.

Мы можем использовать SwitcherCAD, чтобы проиллюстрировать поведение стабилитрона.

Эта простая схема будет использоваться для демонстрации еще одной функции программного обеспечения SPICE. Мы попросим программу смести напряжение с источника V1 и построить график напряжения на стабилитрон в результате.

Создайте схему сейчас, вам не нужно вводить какое-либо значение в Source V1. Не беспокойся о.Заявление DC в нижней части схемы, это просто строка текста, которую я поместил туда для справки. Когда вы закончите создание схемы, нажмите Simulate-> Edit Simulation Cmd затем выберите «DC Sweep».

Введите следующие значения:

• Имя 1-го источника для поиска: V1
• Тип развертки: Линейный
• Начальная стоимость: -4
• Стоп-значение: 16
• Инкремент: 0.1

Нажмите «ОК», затем «Выполнить» и выберите «V (выход)» в окне графика.

Вы должны получить сюжет так:

Мы можем наблюдать, что в диапазоне от -0,5 до примерно 6 В, выход напряжение следует за входным напряжением. Ниже этого стабилитрон становится прямым смещение и напряжение на нем уровня около -0,5 до -0,6 В, просто как обычный диод.

При напряжении источника выше примерно 6 В стабилитрон начинает проводить ток и напряжение на нем уровня около 6.2 В, что является номинальным Напряжение Зенера для этой части.

Область отрицательного напряжения интересна тем, что показывает, что Стабилитрон похож на настоящий диод при смещении в прямом направлении. Тем не менее, мы не намерены использовать стабилитрон в этом регионе

Наиболее интересной частью является область обратного смещения (когда напряжения от V1 положительны). Эффект Зенера дает напряжение около 6,2 В, что вполне стабильный по сравнению с источником напряжения.

Чтобы выяснить, насколько стабильным, давайте снова запустим симуляцию, но сметая источник между 8 и 18 В.

Изменение выходного напряжения по сравнению с изменением входного напряжения, которое вызвало это называется Line Регулирование .

Линия регулирования = Дельта (V _из ) / Дельта (V _из )

В этом случае изменение выходного напряжения при входе изменение напряжения от 14 до 16 В (изменение 2 В) составляет 20 мВ, поэтому Регулировка линии между 14 и 16 В составляет 1%.

Если бы мы заменили источник V1 на автомобильный аккумулятор, мы бы ожидается, что регулируемое напряжение стабилитрона будет колебаться между 6,24 и 6,38 В, в то время как напряжение батареи изменяется от 8 до 16 В, что значительно улучшается.

Давайте посмотрим влияние температуры, добавив оператор .STEP к моделирование.

Нажмите на значок «Текст» и введите в текстовое поле следующее: «.STEP TEMP LIST 0 25 50», затем нажмите «Директива» и «ОК» и запустите симуляция снова.

Теперь общее отклонение составляет от 6,24 до 6,39 Вольт, все еще отлично.

Шунт-регуляторы

Этот тип схемы называется Shunt Regulator , потому что регулирующий Элемент параллельно (в отличие от последовательно) с нагрузкой. В то время как наш На схеме не показана нагрузка (на данный момент), нагрузка является любой цепью с питанием от регулируемого напряжения, которое поэтому будет размещено параллельно с стабилитроном.

Особенность регулятора шунта, которая может быть преимуществом или неудобством в зависимости от того, где и как используется схема, шунтирующий регулятор рисует постоянный ток от источника. Ток, взятый из источника, является ток, который течет через последовательный резистор. Так как ток, который течет через последовательный резистор зависит только от напряжения источника, Напряжение стабилитрона и значение резистора, оно постоянно, пока Напряжение источника является постоянным и не зависит от тока нагрузки.

Преимущество заключается в том, что ток источника не зависит от тока нагрузки.

Недостатком является то, что эффективность схемы очень низкая при малые токи нагрузки, поэтому схема не оптимизирована для работы от батареи.

Трудно представить более простую схему, в ней всего два основных компонента.

С другой стороны, доступный ток ограничен. Давайте посмотрим, какой ток мы можем получить от этой цепи.

Расчет максимального тока нагрузки

В этой модифицированной схеме я добавил резистор R2 для представления схемы, которая будет использовать опорное напряжение. Резистор еще не имеет значения, он есть, чтобы проиллюстрировать это. Этот резистор составляет нагрузку, и он будет потреблять определенное количество тока. Нам нужно убедиться, что регулятор может выдавать ток, необходимый для цепи представлен резистором R2.

<стабилитрон-5.PNG >>

Ток, проходящий через D1 и R2, должен поступать от резистора R1, поэтому ток через R1 будет делиться между R2 и стабилитроном.

I _R1 = I _D1 + I _R2

В нашем примере схемы, когда напряжение источника составляет 12 В, напряжение на стабилитроне 6,34 В, поэтому напряжение на резисторе R1 составляет 5,66 В, поэтому ток в резисторе будет 5,66 / 1000 или 5.66 мА.

По мере уменьшения значения R2 ток через него будет увеличиваться, а ток через D1 уменьшится на столько же.

Если ток нагрузки (ток через R2) достигает 5,66 мА, то стабилитрон будет голодать (ток через него будет очень низким или нулевым) и не будет работа по регулированию напряжения. Давайте выясним, какой ток мы можем пропустить через D1, глядя на спецификации.

Для полного документа, нажмите на картинку.

Из раздела «Максимальные рейтинги» спецификации видно, что максимальная мощность рассеивание при использовании обычного материала PWB, такого как FR-4 и при температуре окружающей среды 25 ° C составляет 225 мВт. Мы знаем напряжение Зенера, поэтому легко подсчитать, какой ток мы можем подать на деталь.

I _макс = P _макс / В _{стабилитрон}

В этом случае максимальный ток равен 0.225 / 6,2 = 0,036 А или 36 мА.

Если вы прочитаете примечания на листе данных, вы увидите, что 225 мВт абсолютный максимальный рейтинг при 25 градусах Цельсия. Паспорт также дает Вы тепловое сопротивление и рейтинг для температуры выше 25 градусов.

Не вдаваясь в детали этих расчетов прямо сейчас, хороший Практика проектирования заключается в ограничении максимального тока в нашей цепи не более чем 50% абсолютного максимального рейтинга.Это 18 мА.

Если наша схема такова, что ток нагрузки может изменяться от нуля до некоторого значения, мы должны убедиться, что через R1 протекает не более 18 мА.

При выбранном нами значении R1 (несколько условно) мы достигнем 18 мА. когда напряжение от V1 составляет 6,2 + (1000 * 0,018) = 24,2 В, где 6,2 номинальное напряжение Зенера, и (1000 * 0,018) это напряжение, которое мы должны применить через R1, чтобы через него протекал ток 18 мА.Похоже, у нас довольно мало конструктивного запаса в отношении максимального рассеивания мощности в стабилитроне.

Теперь нам нужно рассмотреть, что происходит, когда напряжение питания минимально. На примере автомобильного радиоприемника минимальное напряжение от аккумулятора может всего 8 В. При напряжении питания 8 В ток через R1 будет только:

I _R1 = (V _{источник} — V _Zener ) / R1

Это вычисляется до 1.8 мА.

Таким образом, если эта схема использовалась в автомобильной рации, чтобы обеспечить регулируемое 6,2 В для некоторые чувствительные цепи, мы могли бы потреблять до 1,8 мА без потери регулирования, и не рискуя взорвать стабилитрон при максимальном напряжении батареи.

На практике, так как мы оценили максимальный ток, мы бы не хотели полностью голодать стабилитрон и убедиться, что напряжение остается в норме, мы должны держать минимальное количество тока в стабилитроне.Списки данных напряжение Зенера для 3-х токовых значений 1, 5 и 20 мА, поэтому пока оно законно интерполировать между приведенными значениями, менее рекомендуется использовать часть вне диапазона значений, поэтому мы должны сохранить минимум 1 мА хоть и стабилитрон для него хорошо работает.

Это означает, что у нас имеется до 0,8 мА доступного тока для нагрузки.

Получение большего тока с использованием регулятора Pass Pass

Что нам делать, если 0.8 мА мало?

Ну, мы могли бы либо:

1. Уменьшите значение R1. Мы видели, что с текущим значением 1 кОм, мы бы не достигли безопасного максимального рассеивания мощности, пока напряжение питания составляет 24,2 В. Мы могли бы уменьшить значение R1, чтобы максимальная безопасная мощность рассеивание достигается при 18 В, что является максимальным напряжением питания, которое мы нужно дизайн для.
2. Перепроектируйте схему с более высоким номинальным стабилитроном (и уменьшите значение резистора R1, чтобы ток протекал через него), или
3. Добавить усилитель тока, используя один или несколько транзисторов.

Решение 1 легко внедряется и стоит недорого, но не дает много улучшения. В этом случае максимальный ток стабилитрона составляет 18 мА, то есть также максимально возможный ток нагрузки.

В общем, решение 2 не имеет особого смысла, потому что стабилитрон большей мощности труднее получить, и схема быстро будет тратить много энергии. С тенденцией к оборудованию с батарейным питанием важно быть знакомым с решения, которые не расходуют энергию или тратят минимум, необходимый для выполнения функции.

Решение 3 немного сложнее, но предлагает большую гибкость и более эффективный.

Итак, мы попробуем решение 3.

Существует хорошо известная схема, которая выполняет нужную нам функцию, поэтому без дальнейших церемоний, вот оно:

Вы должны сразу заметить пару вещей. У нас есть новый символ SPICE I1, который является источником тока.Теперь вы знакомы с источником напряжения, такие как V1 в этой схеме. Источник напряжения запрограммирован с напряжением и доставляет это напряжение независимо от того, какой ток нам нужен. Это красота SPICE, которая не имеет ограничений реального оборудования 🙂

Точно так же источник тока будет генерировать любое напряжение, необходимое для подачи количество тока мы просили.

Вы можете выбрать текущий источник из меню Компонент, просто найдите и нажмите на «текущий».

Источники тока не так интуитивны, как источники напряжения, так что не стоит слишком беспокоиться если концепция кажется странной. Просто следуйте тому, что мы будем делать с этим и снова время это станет знакомым для вас.

Другая вещь, которую вы могли заметить, если вы действительно наблюдательны, это то, что мы есть стабилитрон с номером детали BZX84C5V6L, которого не было в библиотеке.

Я обманул. Я хотел продемонстрировать хорошо известную схему, которая представляет собой регулятор напряжения 5 В.Предыдущая схема была 6,2 В регулятор, который, хотя и достаточно для этой цели упражнения, редко используется. 5 В гораздо более распространенное напряжение, и 5,6 В стабилитрон часто используется в цепи, как я только что описал. Но библиотека SwitcherCAD не включала стабилитрон на 5,6 В.

Если вы ссылаетесь на спецификацию Motorola (полный документ в формате PDF, а не Выдержка выше), вы увидите, что некоторые номера деталей выделены жирным шрифтом. Примечание указывает что эти номера деталей предпочтительнее , то есть они гораздо более вероятны быть в наличии.Часть 5.6V выделена жирным шрифтом, поэтому разумно предположить, что она должна был в библиотеке. Учитывая, сколько мы заплатили за SwitcherCAD, мы будем простите линейную технологию за то, что не включили все возможные номера деталей.

Так как же я получил 5,6 В стабилитрон в SwitcherCAD?

Я открыл файл библиотеки диодов, C: \ Program Files \ LTC \ SwCADIII \ lib \ cmp \ standard.dio в текстовом редакторе и добавил BZX84C5V6L следующим образом:

.модель BZX84C5V6L D (Is = 1,66n Rs = .5 Cjo = 205p nbv = 3 bv = 5.6 Ibv = 1 м Vpk = 5.6 mfg = тип Mot = стабилитрон)
 

Вы можете вырезать и вставить всю строку. Я поместил его чуть выше части BZX84C6V2L в файле. Обратите внимание, что эта модель, вероятно, не так хороша, как другие. Это достаточно для приведенный ниже пример, но он не может быть хорошей моделью для более сложного моделирования. Поэтому, когда вы закончите курс, вы можете удалить модель из библиотеки.

Мне пришлось закрыть и снова открыть SwitcherCAD, потому что программа, по-видимому, читает библиотеки когда программа запускается и после того, как я изменил файл, он не перезагрузил его автоматически.

Хорошо, достаточно с библиотекой SwitcherCAD, транзистор, который мы добавили к шунтирующему регулятору, в конфигурации, известной как Emitter-Follower . Это означает, что напряжение на Излучатель следит за напряжением на базе (с небольшим смещением, как правило, от 0,6 до 0,7 Вольт). Усиление напряжения такой цепи немного меньше 1.

Таким образом, если базовое напряжение поддерживается на уровне 5,6 В, напряжение на эмиттере будет быть около 4,9 до 5.0 вольт.

Прежде чем идти дальше, убедитесь, что вы запрограммировали V1 как источник напряжения 12 В.

Чтобы сделать симуляцию более интересной, мы выполним проверку тока.

Нажмите Simulate-> Edit Simulation Cmd и выберите DC sweep . Введите значения следующим образом:

• Имя 1-го источника для поиска: I1
• Тип развертки: Линейный
• Начальная стоимость: 0
• Стоп-значение0.1
• Инкремент: 0,001

Нажмите OK, затем нажмите кнопку «Run», чтобы начать симуляцию. Выберите V (выход). Вы должны получить что-то вроде этого:

>

Изменение выходного напряжения по сравнению с изменением выходного тока, которое вызвало это называется Регулирование нагрузки . Обычно измеряется, когда выходной ток изменяется в определенном заданном диапазоне, например от 50% до 100%.

Регулировка нагрузки выражается в процентах от выходного напряжения или в абсолютном значении.

Если мы выражаем это как изменение напряжения на текущее изменение, которое вызвало это, он будет называться Выходное сопротивление , так как значение сопротивления Фактически, отношение напряжения на нем к току через него.

Регулировка нагрузки = Дельта (V _из ) / Среднее V _из

Выходное сопротивление = дельта (V _из ) / дельта (I _из )

В этом случае изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 50 до 100 мА — это 40 мВ, поэтому выходное сопротивление равно.04 / .05 = 0,8 Ом для изменения тока нагрузки на 50%.

Регулировка нагрузки составляет 0,04 / 4,92 = 0,81%

Обратите внимание, как напряжение быстро нарастает при малых токах (ниже нескольких мА). Это связано с тем, что при очень малом токе нагрузки, базовый ток, который = ток нагрузки / Hfe, настолько мал, что базовое напряжение необходимо генерировать его становится очень маленьким, намного ниже, чем типичный От 0,6 до 0,7 В.

Я добавил резистор R2 (100 кОм), чтобы обеспечить минимальный ток нагрузки и без этого резистора напряжение нарастало бы еще больше на свету текущие значения I1.Например, вы можете попробовать изменить R2 на 1000k (1 мегом)

На практике, если цепь фактически должна была работать до такой низкой токи, было бы неплохо немного уменьшить значение R2 чтобы уменьшить рост напряжения при легких нагрузках.

С другой стороны, обратите внимание, что эта схема теперь обеспечивает 100 мА, в то время как поддерживая регулировку между 4,85 и 5,05 В для токов приблизительно 5 мА и 100 мА.

Это было бы идеально, чтобы управлять большинством 5-вольтовых микропроцессоров.

Отклонение пульсации

Пульсация отклонения является еще одной мерой способности регулятора отклонить Варианты линейного напряжения. Тем не менее, линейное регулирование, определенное выше, измеряется со статическими (медленно меняющимися) изменениями входного напряжения, где Ripple Rejection измеряется при быстро меняющемся входном напряжении, обычно на частоте линии (60 Гц) или это вторая гармоника (120 Гц).

Если бы мы использовали реальные инструменты, мы бы измерили Ripple Rejection как наложение небольшого переменного напряжения поверх входного напряжения постоянного тока, затем измерение амплитуда одного и того же сигнала на выходе регулятора и вычисления Соотношение. Например, мы могли бы применить пиковое напряжение 1 В переменного тока (2 В р-р), потому что это хорошо в пределах диапазона регулирования регулятора, и он производит расчеты Полегче.

Мы можем использовать ту же технику со Spice, хотя Spice предлагает другой метод, который мы будем изучать в следующем уроке.Для удобства измерим отклонение пульсации при 1 кГц.

Установите источник тока I1 на фиксированное значение 50 мА, установите источник напряжения V1 на быть источником SINE со смещением 12 В постоянного тока, амплитудой 1 В и частотой 1 кГц, тогда отредактируйте команду симуляции следующим образом:

• Анализ переходных процессов
• Время останова: 5 мс
• Время начала сохранения данных: 0

Затем вернитесь к схеме, нажмите на директиву «; DC» и сделайте комментарий ( должен загореться синим цветом), запустите симуляцию и отобразите выходное напряжение.

Вот график выходной пульсации (обратите внимание на шкалу напряжения):

Это график, показывающий входное напряжение и выходное напряжение в одной шкале, легче оценить снижение пульсаций таким образом:

График показывает, что когда цепь запитана от источника, имеющего 2 В р-р пульсаций (мы устанавливаем источник 12 В пост. тока с наложенным на него пиковым сигналом 1 В, вы можете используйте курсор для проверки), он обеспечивает регулируемый выход с частотой пульсации около 30 мВ.

Упражнения

1. Сколько тока мы можем получить от регулятора, прежде чем регулирование станет действительно плохим? (вы можете использовать SwitcherCAD для экспериментов).
   Каковы ограничивающие факторы для получения большего тока?
2. График напряжения на базе транзистора на том же графике, что и выходное напряжение, чтобы увидеть разницу. Объясните разницу.
3. Рассчитайте коэффициент подавления пульсаций в дБ.Поскольку пульсация измеряется в В вольтах, а не в ваттах, уравнение составляет 20 * log (V2 / V1).
4. График изменения температуры выходного напряжения на 25, 50 и 75 градусов C.

Нажмите здесь, чтобы увидеть ответы.

Выводы этого урока

• Мы установили, что регуляторы напряжения являются необходимой частью большинства современные электронные схемы.
• Регуляторы напряжения требуют эталонного напряжения, обычно это стабилитрон.
• Регуляторы напряжения характеризуются линейным и нагрузочным регулированием, характеристики отклонения пульсации и температурной стабильности.
• Мы узнали, как использовать SPICE для получения этих значений.

В следующих уроках мы будем совершенствовать регулятор напряжения со ступенью усиления отдельно от силовой сцены.

Ссылки

1. стабилитрон
2. .

,

Series Pass »Электроника Примечания

Серийный или последовательный регулятор является наиболее широко используемой формой стабилизатора напряжения, используемого в линейных источниках питания.

---

Схемы линейного электропитания Учебник для начинающих и учебник Включает в себя: Линейный блок питания
Шунт-регулятор Регулятор серии Ограничитель тока Регуляторы серии 7805, 7812, & 78 **

Смотри также: Обзор электроники блока питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Спецификации блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

---

Регулятор последовательного напряжения или, как его иногда называют, регулятор последовательного прохода является наиболее часто используемым подходом для обеспечения окончательного регулирования напряжения в линейном регулируемом источнике питания.

Серийный линейный регулятор обеспечивает высокий уровень производительности, особенно когда требуется низкий уровень шума, пульсации и переходные процессы в регулируемом выходе.

Существует большое разнообразие схем, использующих дискретные электронные компоненты, которые обеспечивают линейное регулирование с помощью элемента последовательного прохода, и в дополнение к этому практически все интегральные микросхемы линейного регулирования используют этот подход.

Это означает, что существует множество вариантов для последовательных регуляторов напряжения, которые открываются при разработке схемы электронного источника питания.

Основы стабилизатора напряжения серии

В последовательном регуляторе напряжения или последовательном регуляторе напряжения используется переменный элемент, размещенный последовательно с нагрузкой. Изменяя сопротивление последовательного элемента, падение напряжения на нем можно варьировать, чтобы гарантировать, что напряжение на нагрузке остается постоянным.

Блок-схема последовательного стабилизатора напряжения

Преимущество последовательного регулятора напряжения состоит в том, что количество потребляемого тока эффективно соответствует нагрузке, хотя часть будет потребляться любой схемой, связанной с регулятором.В отличие от шунтирующего стабилизатора напряжения, последовательный стабилизатор не потребляет полный ток, даже когда нагрузка не требует тока. В результате регулятор напряжения серии значительно эффективнее.

Вместо того, чтобы потреблять ток, который не требуется нагрузке для поддержания напряжения, он понижает разницу напряжения между входным напряжением и требуемым стабилизированным напряжением.

Для поддержания достаточного уровня регулирования и подавления шума и переходных процессов, которые могут быть на входящем напряжении, линейные линейные стабилизаторы напряжения должны сбрасывать значительное напряжение.Многим высококачественным, малошумящим и пульсирующим стабилизаторам напряжения требуется несколько вольт на последовательном элементе регулятора. Это означает, что в этом компоненте могут рассеиваться значительные уровни мощности, и для устройства последовательного регулирования, а также для источника питания в целом требуются хорошие теплоотвод и возможность отвода тепла.

Несмотря на то, что последовательный регулятор значительно более эффективен, чем шунтирующий, он значительно менее эффективен, чем импульсный источник питания. Эффективность последовательного стабилизатора напряжения и любых линейных источников питания, использующих их, будет зависеть от нагрузки и т. Д., Но часто достигаются уровни эффективности менее 50%, тогда как импульсные источники питания могут достигать уровней, превышающих 90%.

Регуляторы напряжения серии

имеют относительно низкий уровень эффективности по сравнению с источником питания в режиме переключения, но они обладают преимуществами простоты, а также на их выходе отсутствуют пики переключения, наблюдаемые на некоторых источниках питания с переключением, хотя SMPS улучшаются и производительность из многих в наше время исключительно хорош.

Простой регулятор напряжения эмиттерного повторителя

Конструкция электронной схемы для простого транзисторного эмиттерного стабилизатора напряжения очень проста.Эта схема не широко используется сама по себе в линейном источнике питания, но может использоваться в другом оборудовании для обеспечения понижающего напряжения и т. Д. От шины высокого напряжения.

Основной регулятор серии с использованием стабилитрона и эмиттера

В схеме используется однопроходный транзистор в виде конфигурации следящего элемента эмиттера и одиночный стабилитрон или другой диод с регулятором напряжения, управляемый резистором от нерегулируемого источника питания.

Это обеспечивает простую форму системы обратной связи, обеспечивающую поддержание напряжения Зенера на выходе, хотя снижение напряжения равно напряжению на контакте базового эмиттера — 0.6 вольт для кремниевого транзистора.

Разработать схему регулятора напряжения с последовательным проходом очень просто. Зная максимальный ток, требуемый нагрузкой, можно рассчитать максимальный ток эмиттера. Это достигается путем деления тока нагрузки, то есть тока эмиттерного транзистора, на — или Гц транзистора.

Стабилитрону обычно требуется минимум около 10 мА для того, чтобы маленький стабилитрон сохранял регулируемое напряжение.Затем следует рассчитать резистор, чтобы обеспечить базовый ток возбуждения и минимальный ток стабилитрона, исходя из знания нерегулируемого напряжения, напряжения стабилитрона и требуемого тока. [(Нерегулируемое напряжение — напряжение Зенера) / ток]. Небольшой запас должен быть добавлен к току, чтобы обеспечить достаточное пространство для запаса при нагрузке, и, следовательно, транзисторная база принимает полный ток.

Мощность рассеивания мощности для стабилитрона следует рассчитывать для случая, когда ток нагрузки, а следовательно, и базовый ток равен нулю.В этом случае стабилитрон должен принимать полный ток, передаваемый последовательным резистором.

Иногда конденсатор может быть установлен через стабилитрон или опорный диод напряжения, чтобы помочь удалить шум и любые переходные напряжения, которые могут возникнуть.

Выходная выборка

Простая схема регулятора напряжения с последовательным эмиттером напрямую сравнивает выход с опорным напряжением. Таким образом, выходное напряжение было равно эталонному, игнорируя падение напряжения на базовом эмиттере.

Однако можно улучшить работу регулятора напряжения путем выборки доли выходного напряжения и сравнения ее с эталонной. Для этой функции можно использовать дифференциальный усилитель, такой как операционный усилитель. Если это сделано, то выходное напряжение становится больше, чем опорное напряжение в качестве обратного отрицательного в цепи схватках, чтобы держать два сравниваемых напряжений одинаковы.

Если, например, опорное напряжение 5 вольт, и отбор проб или потенциальный делитель обеспечивает 50% от выходного напряжения, то выходное напряжение будет поддерживаться на 10 вольт.

Серийный проходной регулятор напряжения с дискретным выходом

Деление потенциала или выборка могут быть сделаны переменными, и, таким образом, выходное напряжение можно отрегулировать до требуемого значения. Обычно этот метод используется только для небольших корректировок, как уровень минимальной мощности, полученного этим способом, является выходным сигналом, равного опорного напряжения.

Следует помнить, что использование потенциального делителя приводит к снижению усиления контура обратной связи.Это приводит к снижению коэффициента усиления контура и, тем самым, к снижению эффективности регулирования. Обычно имеется достаточное усиление контура, чтобы это не было основной проблемой, за исключением случаев, когда дискретизируется только очень небольшая часть выходного сигнала.

Также следует позаботиться о том, чтобы напряжение на выходе не увеличивалось до уровня, при котором регулятор не имеет достаточного падения напряжения для достаточного регулирования выходного напряжения.

Регулятор прохода серии

с обратной связью

Чтобы обеспечить улучшенные уровни производительности по сравнению с тем, который обеспечивается простым повторителем эмиттера, можно добавить более сложную сеть обратной связи в схему регулятора напряжения.Это достигается путем выборки выходного сигнала, сравнения его с эталоном и последующего использования дифференциального усилителя некоторой формы для обратной связи по разнице для исправления ошибок.

Возможно использовать простую двухтранзисторную схему для последовательного регулятора с измерением напряжения и обратной связью. Хотя довольно просто использовать операционный усилитель, который обеспечит более высокий уровень обратной связи и, следовательно, лучшее регулирование, эти две транзисторные схемы хорошо иллюстрируют принципы.

Простая двухтранзисторная последовательная схема проходного стабилизатора

В этой схеме TR1 образует последовательный транзистор. Второй транзистор TR2 действует как дифференциальный усилитель, подавая напряжение ошибки между опорным диодом и измеренным выходным напряжением, которое является пропорцией выходного напряжения, установленного потенциометром. Резистор R1 обеспечивает ток для коллектора TR2 и опорного напряжения диода ZD1.

Источник опорного напряжения

Любой линейный регулятор напряжения может быть таким же хорошим, как эталон напряжения, который используется в качестве основы для сравнения в системе.Хотя теоретически можно использовать батарею, это не подходит для большинства применений. Вместо этого ссылки на основе стабилитронов почти повсеместно используются.

В интегральных схемных регуляторах и эталонах используются сложные встроенные комбинации транзисторов и резисторов для получения температурных и точных эталонных источников напряжения.

Опорное напряжение должно быть приводится в движение от нестабилизированного источника. Это не может быть взято из регулируемого выхода, поскольку есть проблемы запуска.При запуске нет выхода, и, следовательно, выход задания будет нулевым, и он будет поддерживаться до запуска задания.

Упрощенный эталонный источник для регулятора последовательного напряжения

Часто выходной сигнал от эталонного источника подается через делитель потенциала. Это не только снижает выходное напряжение, которое обычно очень полезно, но также позволяет добавлять конденсатор к выходу, чтобы помочь устранить любые пульсации или шумы, которые могут присутствовать. Пониженное напряжение также полезно, потому что минимальное выходное напряжение определяется опорным напряжением.

Регуляторы напряжения серии low drop

Одним из соображений любого регулятора является напряжение, которое должно быть размещено на элементе последовательного прохода. Часто для линейных регуляторов для достижения наилучшего регулирования и подавления шума требуется значительный перепад поперечного проходного элемента. Например, линейный регулятор с выходным напряжением 12 вольт может быть рассчитан на входное напряжение 18 вольт или более.

Для любого линейного регулятора существует минимальное напряжение, которое требуется на последовательном элементе, прежде чем регулятор «выпадет».«Это падение напряжения наблюдается во многих интегральных схемах линейного регулятора.

В некоторых цепях важно иметь регулятор низкого выпадения. Если доступное входное напряжение не особенно высокое, важно иметь линейный стабилизатор с малым падением напряжения. Он должен хорошо регулировать, несмотря на ограниченное напряжение на нем.

Хотя схемы, показанные здесь, являются простыми транзисторными схемами, те же принципы используются в больших схемах, а также в интегральных схемах.Те же концепции последовательных регуляторов, а также схемы эталонных диодов, выборки и другие области используют одни и те же элементы.

Концепции, используемые здесь, используются в практически линейно регулируемых источниках питания, которые могут предложить очень хорошие уровни производительности. Линейные регулируемые источники питания больше и тяжелее, чем источники питания с переключаемым режимом, однако они имеют название «низкий уровень шума» и хорошее регулирование на выходе, без скачков, которые имеют некоторые переключающие источники питания.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Вернуться в меню «Схема». , ,

.