Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе: принцип работы и схемы

Как работает параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе. Какие компоненты входят в его состав. Как рассчитать параметры стабилизатора. Какие существуют варианты схем.

Принцип работы параметрического стабилизатора напряжения

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе состоит из двух основных частей:

• Непосредственно стабилизатора (стабилитрон и балластный резистор)
• Эмиттерного повторителя на транзисторе, выполняющего роль силового элемента

Стабилитрон отвечает за поддержание стабильного напряжения на выходе. Однако он способен выдать лишь небольшой выходной ток, обычно не более нескольких десятков миллиампер. Поэтому в схему добавляется транзистор, который усиливает выходной ток. Вся нагрузка проходит через транзистор.

Основные компоненты схемы стабилизатора

Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения включает следующие элементы:

• Стабилитрон D1 — задает напряжение стабилизации
• Балластный резистор R1 — ограничивает ток через стабилитрон
• Транзистор VT1 — усиливает выходной ток
• Нагрузка Rн — потребитель стабилизированного напряжения

Как работает данная схема? На стабилитроне устанавливается напряжение стабилизации Uст. Избыток входного напряжения падает на балластном резисторе R1. Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя — напряжение на его эмиттере практически равно напряжению стабилизации.

Преимущества использования транзистора в схеме

Зачем нужен транзистор в схеме стабилизатора? Он выполняет две важные функции:

1. Увеличивает выходной ток стабилизатора. Весь ток нагрузки протекает через транзистор.
2. Уменьшает колебания напряжения на выходе при изменении тока нагрузки. Колебания обратного тока стабилитрона уменьшаются примерно в h21э раз (коэффициент усиления транзистора по току).

Таким образом, транзистор позволяет получить большой выходной ток при сохранении высокой стабильности выходного напряжения.

Расчет параметров стабилизатора напряжения

При проектировании параметрического стабилизатора напряжения необходимо выполнить следующие расчеты:

1. Выбрать входное напряжение на 2-3 В выше выходного
2. Подобрать транзистор с подходящими параметрами:
• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер больше входного
• Максимальный ток коллектора больше выходного тока
3. Рассчитать ток базы транзистора: I базы = I вых. max / h21э
4. Выбрать стабилитрон с напряжением стабилизации равным выходному напряжению и током не менее тока базы транзистора
5. Рассчитать сопротивление балластного резистора: R = (Uвх — Uст) / (Iбазы + Iстаб)
6. Рассчитать мощность балластного резистора: P = (Uвх — Uст) * (Iбазы + Iстаб)

Также необходимо учесть потери мощности на транзисторе и при необходимости установить радиатор.

Варианты схем параметрических стабилизаторов

Существует несколько вариантов схем параметрических стабилизаторов напряжения на транзисторах:

Простейшая схема

Включает стабилитрон, балластный резистор и транзистор. Обеспечивает фиксированное выходное напряжение.

Схема с регулировкой выходного напряжения

Добавляется переменный резистор, позволяющий регулировать выходное напряжение от 0 до напряжения стабилизации стабилитрона.

Схема с дополнительным транзистором

Используется дополнительный маломощный «управляющий» транзистор. Позволяет снизить нагрузку на стабилитрон.

Особенности применения параметрических стабилизаторов

При использовании параметрических стабилизаторов напряжения на транзисторах следует учитывать ряд особенностей:

• Отсутствие защиты от короткого замыкания на выходе
• Необходимость соблюдения максимально допустимых параметров транзистора по току и напряжению
• Увеличение рассеиваемой мощности при большой разнице входного и выходного напряжений
• Небольшое падение выходного напряжения относительно напряжения стабилизации стабилитрона

При правильном расчете параметров и соблюдении ограничений параметрические стабилизаторы обеспечивают хорошую стабилизацию напряжения и могут применяться в различных электронных устройствах.

Сравнение с другими типами стабилизаторов напряжения

Как параметрические стабилизаторы напряжения на транзисторах соотносятся с другими типами стабилизаторов? Рассмотрим их основные особенности:

Параметрические стабилизаторы:

• Простота схемы
• Невысокая стоимость
• Средний КПД (50-60%)
• Ограниченный диапазон входных напряжений

Компенсационные стабилизаторы:

• Более сложная схема
• Высокая точность стабилизации
• Возможность регулировки выходного напряжения
• Низкий КПД при большой разнице входного и выходного напряжений

Импульсные стабилизаторы:

• Сложная схема
• Высокий КПД (до 95%)
• Широкий диапазон входных напряжений
• Наличие высокочастотных помех

Выбор типа стабилизатора зависит от конкретного применения, требуемых параметров и ограничений схемы.

Практические рекомендации по применению

При использовании параметрических стабилизаторов напряжения на транзисторах рекомендуется:

1. Тщательно рассчитывать параметры схемы, особенно при больших выходных токах
2. Использовать радиатор для транзистора при значительном перепаде напряжений
3. Применять дополнительные цепи защиты от перегрузки и короткого замыкания
4. Выбирать стабилитрон с небольшим запасом по напряжению стабилизации
5. Использовать качественные компоненты для обеспечения надежности и стабильности работы

При соблюдении этих рекомендаций параметрические стабилизаторы напряжения на транзисторах могут успешно применяться во многих электронных устройствах, обеспечивая стабильное питание нагрузки.

Стабилизатор напряжения на транзисторе (параметрический стабилизатор).

Когда речь заходит о регулируемых стабилизаторах напряжения, то как правило, первым делом вспоминают о таких популярных решениях как LM317 или LM78xx.

Сегодня же речь пойдет о так называемом параметрическом стабилизаторе, устройстве состоящем из дух частей: непосредственно стабилизатора (стабилитрон и балластный резистор) и эмиттерного повторителя — транзистора выполняющего роль силового элемента. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рисунке №1.

Рисунок №1. Принципиальная схема стабилизатора.

За сохранение на выходе стабильного напряжения отвечает стабилитрон D1, однако он способен выдать небольшой выходной ток, как правило не превышающий пары десятков миллиампер, поэтому в схеме и необходим транзистор являющейся «умощнителем» выходного напряжения, то есть вся нагрузка проходит через него.

Для примера рассчитаем стабилизатор с выходным напряжением 12 вольт и током 1 ампер. Первым делом следует учесть, что входное напряжение должно быть на 2-3 вольта выше чем выходное, это необходимо для нормальной работы стабилитрона и компенсации потерь на переходе коллектор-эмиттер транзистора. В нашем примере входное напряжение будет равно 15-ти вольтам.

При выборе транзистора следует учесть, что его предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше входного, а максимальный ток коллектора должен быть больше выходного тока стабилизатора. В качестве силового элемента я буду использовать распространенный транзистор средней мощности КТ817А.

Еще один параметр транзистора который нам понадобиться это минимальный коэффициент передачи тока транзистора (обозначается как h31э), в моем случае это 25. Этот параметр необходим для расчета тока базы транзистора который должен обеспечить стабилитрон, рассчитывается по формуле:

I базы = I max вых. / коэффициент h31э

I базы = 1 / 25 = 0,04 А

Теперь перейдем к выбору стабилитрона, напряжение стабилизации которого должно быть равно выходному напряжению всей схемы, а ток не менее 40 миллиампер ( рассчитанный нами ток базы транзистора). Я буду использовать 1N5349 с током стабилизации 100 миллиампер.

Осталось посчитать необходимое сопротивление резистора R1 по следующей формуле:

R = (U вх. — И стаб.) / (I базы тр. + I стабилитрона)

R = (15 — 12) / (0.040 + 0.100) =22 ом.

и необходимую мощность резистора по формуле:

P = (U вх. — И стаб.) * (I базы тр. + I стабилитрона)

P = (15 — 12) * (0.040 + 0.100) =0.42 ватт.

Исходя из расчетов следует взять резистор мощностью 0.5 ватт или более мощный.

Что делать если ток стабилизации превышает ток базы транзистора? В этом случае в схему необходимо добавить еще один маломощный транзистор, назовем его «управляющим транзистором». Такой транзистор позволит существенно снизить нагрузку на стабилитрон (рис. 2).

Рисунок №2. Схема с дополнительный транзистором.

Еще необходимо сказать о возможности регулирования выходного напряжения такого стабилизатора от 0 до напряжения стабилизации стабилитрона, для этого необходимо добавить в схему переменный резистор (рис. 3).

Рисунок №3. Регулируемый стабилизатор.

Следует помнить, что чем меньше выходное напряжение относительно входного, тем больше мощность которая будет рассеиваться на транзисторе. При больших токах транзистор необходимо установить на радиатор. Посчитать мощность можно по формуле:

P = (U вход. — U вых.) * I вых.

Таким образом в случае входного напряжения 15 вольт, а выходного 12 вольт при токе нагрузки 0.1 ампер, мощность рассеиваемая на транзисторе составит 0.3 ватта. Однако при тех же параметрах и током нагрузки в 1 ампера мощность составит уже 3 ватта и в таком случае не обойтись без радиатора.

И в конце стоит сказать о том, что на практике выходное напряжение всей схемы будет немного ниже напряжения стабилизации стабилитрона. Это связано с тем, что часть напряжения потеряется на транзисторе при переходе база-эмиттер, поэтому следует выбирать стабилитрон с небольшим запасом по напряжению стабилизации.

Параметрический стабилизатор напряжения

Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рис. 2.112.

Рис.2.112. Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения

На стабилитроне VD₁ устанавливается напряжение стабилизации U_ст. Как уже отмечалось выше, при обратном смещении p-n-перехода стабилитрона на нем устанавливается напряжение пробоя (стабилизации), которое очень слабо зависит от величины обратного тока. Допустимая величина обратного тока стабилитрона задается резистором R_б. На балластном резисторе R_б падает избыток входного напряжения (разность между входным напряжением и напряжением стабилизации). При коротком замыкании резистора R_б стабилитрон может быть поврежден вследствие значительного увеличения обратного тока.

Транзистор VT₁ включен по схеме эмиттернго повторителя. Напряжение на его эмиттере практически равно напряжению стабилизации. Основная функция транзистора – увеличение тока, отдаваемого стабилизатором в нагрузку. Нетрудно заметить, что весь ток нагрузки протекает через VT₁.

В большинстве случаев ток, потребляемый нагрузкой, является переменной величиной. Если бы нагрузка непосредственно подключалась к стабилитрону, возникали бы дополнительные колебания напряжения стабилизации вследствие изменения тока стабилизации. Благодаря транзистору колебания величины обратного тока стабилитрона уменьшаются примерно в  (h_21э) раз.

Стабилизатор не имеет защиты от короткого замыкания на выходе. При большом токе нагрузки транзистор может выйти из строя. Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы ток нагрузки не превышал максимально допустимый постоянный ток коллектора и мощность, рассеиваемая на транзисторе, не превышала максимально допустимую для данного транзистора. Также необходимо, чтобы перепад напряжений вход-выход не был больше максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер транзистора.

На рис.2.113 представлены схемы, иллюстрирующие принцип действия компенсационных стабилизаторов.

Рис.2. 113. К пояснению принципа действия компенсационных стабилизаторов.

а. – последовательная схема;

б. – параллельная схема.

Принцип действия компенсационного стабилизатора заключается в том, что приращение напряжения на нагрузке по отношению к заданному значению устраняется за счет изменения величины сопротивления компенсационного резистора R_к.

Величина сопротивления R_к изменяется автоматически и является функцией нескольких переменных. Наиболее значимыми из этих переменных являются: входное напряжение U

вх и сопротивление нагрузки R_н. В качестве R_к наиболее часто используется транзистор.

В схеме, рис.2.103.а, входное напряжение распределяется между компенсационным резистором R_к и нагрузкой R_н. Нетрудно заметить, что

U_вх = U_к + U_н.

Пусть под действием дестабилизирующих факторов напряжение U_н увеличилось. Тогда увеличивается значение сопротивления R_к, напряжение U_к так же возрастает и, следовательно, U_н уменьшается до своего номинального (заданного) значения. Если напряжение U_н уменьшается, сопротивление компенсационного резистора становится меньше и U_к уменьшается. U_н увеличивается до своего номинального значения.

В схеме, рис.2.103.б, входное напряжение распределяется между балластным резистором и нагрузкой. Нетрудно заметить, что

U_вх = U_б + U_н.

Отличительной особенностью схемы является параллельное включение компенсационного резистора. При изменении сопротивления R_к происходит изменение величины тока, протекающего через R_б. При этом изменяется напряжение U_б, а, следовательно, и напряжение на нагрузке.

Пусть под действием дестабилизирующих факторов напряжение на нагрузке увеличилось. Тогда сопротивление резистора R_к уменьшается, величина тока, протекающего через R_б увеличивается, напряжение U_б растет, а напряжение на нагрузке уменьшается до номинального значения. При уменьшении напряжения на нагрузке увеличивается сопротивление R_к, ток через R_б уменьшается, напряжение U_б также уменьшается, напряжение U

н увеличивается до номинального значения.

Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies

Новинка: МОП-транзистор CoolSiC™ 2000 В

EasyPACK™ 3B поддерживает работу при полном токе при 1500 В постоянного тока с достаточным запасом по перенапряжению — идеально подходит для фотогальванической зарядки и зарядки электромобилей.

Скачать техническое описание

electronica 2022

Посетите нас на выставке electronica в этом году — живите в Мюнхене или в цифровом виде!

Учить больше

OktoberTech™ — ежегодный технологический форум Infineon

Саммит предоставит цифровую платформу для оценки того, как мы можем стимулировать декарбонизацию и цифровизацию экосистемы Большого Китая.

Узнать больше

Масштабируемая автомобильная приборная панель

Маломощная линейная обработка графики, функциональная безопасность, встроенный аппаратный модуль безопасности (HSM) и возможность обновления программного обеспечения по беспроводной сети (OTA).

Учить больше

Обеспечение устойчивой мобильности

Откройте для себя концепции устойчивой мобильности. Полупроводники делают умный ход.

Узнайте здесь

Интеллектуальное профилактическое обслуживание

Эта сложная форма обслуживания по техническому состоянию предлагает неоспоримые преимущества во многих отраслях, включая экономию затрат, сокращение времени простоя и многое другое

Узнайте о преимуществах

Платформа микроконтроллера XMC7000

Гибкий высококачественный микроконтроллер с лучшей в своем классе вычислительной производительностью для высокопроизводительных промышленных приложений

Учить больше

Новости

28 ноября 2022 г. | Business & Financial Press

Федеральная типография Германии, Fraunhofer и Infineon впервые демонстрируют защиту электронных паспортов в эпоху квантовых компьютеров

22 ноября 2022 г. | Business & Financial Press

Infineon возглавляет рейтинг лидеров разнообразия Financial Times 2022

Новости рынка

07 декабря 2022 г. | Market News

Компания Infineon получила награду CES 2023 в номинации «Инновационная награда» за три различных продукта: EXCELON™ F-RAM, XENSIV™ CSK и Smart Alarm System

Посетите Infineon в Twitter

Pass Transistor увеличивает выходной ток регулятора

Скачать PDF

Abstract

Линейный стабилизатор 5 В с внешним проходным транзистором (который обеспечивает дополнительный параллельный путь для тока нагрузки) обеспечивает вдвое больший выходной ток (от 150 мА до 300 мА), сохраняя при этом стабилизацию 5 В.

На рис. 1 линейный стабилизатор 5 В (U1) обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при самостоятельной работе. Работая с показанным внешним проходным транзистором (Q1), схема поддерживает стабилизацию 5 В, обеспечивая при этом более 300 мА.

Рис. 1. Внешний проходной транзистор (Q1) более чем в два раза увеличивает выходной ток этого линейного стабилизатора на 5 В (U1).

Схема допускает нормальное рабочее напряжение в диапазоне от 9 В до 14 В и обеспечивает ток нагрузки до 300 мА при 5 В. Он выдерживает входные переходные процессы до 65 В благодаря высокому входному напряжению микросхемы и внутренней тепловой защите. Широкий диапазон входного напряжения (от 6,5 В до 65 В) и температурный диапазон от -40°C до +125°C делают схему подходящей для автомобильных приложений с напряжением 12 В и 48 В.

Внешний проходной транзистор увеличивает доступный ток нагрузки, создавая дополнительный путь от входа к выходу. Тракт в данном случае был рассчитан на дополнительные 150мА, но можно получить большие выходные токи заменой других компонентов в схеме. Чтобы понять, как внешний транзистор допускает большие токи нагрузки, представьте схему без выходного тока. В этом случае напряжения на IN и эмиттере Q1 примерно равны V _CC . Напряжение база-эмиттер Q1 равно нулю, и транзистор закрыт.

По мере того, как ток нагрузки медленно увеличивается от нуля до 300 мА, ток начинает течь через U1 от V _CC до OUT, вызывая падение напряжения на резисторах R3 и D3. Такое же падение напряжения появляется на R1 и V _BE транзистора Q1. V _BE увеличивается по мере увеличения тока нагрузки. По мере того, как V _BE приближается к порогу Q1, транзистор постепенно открывается и пропускает ток от входа к нагрузке. Порог Q1 V _BE составляет примерно 0,7 В при комнатной температуре и снижается при более высоких температурах примерно до 0,3 В.

Показанный транзистор (TIP32B) выбран из-за его способности рассеивать мощность и высокого напряжения коллектор-эмиттер (-80 В). Корпус TO-220 позволяет рассеивать мощность в несколько ватт, а напряжение между коллектором и эмиттером -80 В позволяет работать (с U1) в приложениях с входным напряжением до 65 В.