Как найти ток стабилизации стабилитрона

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Стоимость	Низкая	Высока
Масса	Большая	Небольшая
ВЧ-шум	Отсутствует	Высокий
КПД	35 — 50 %	70 — 90 %
Несколько выходов	Нет	Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_обр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_пр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U_П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Сейчас выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так?

Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась. А TL431, при все его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным.

Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены. Поговорим о некоторых практических аспектах их применения.

Статья из серии “электроника для начинающих“. Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное. А профессионалам она точно будет не интересна.

Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике.

Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что “устарело” и “давно всем известно”? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде “как рассчитать балластный резистор для стабилитрона”. Да и не устарели стабилитроны.

Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно.

Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.

Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. Тем не менее, описанное в статье применимо и к стабисторам.

Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления

Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.

Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки.

Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора

В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд.

Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток? Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА.

Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.

Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление

Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются.

Разными цветами я показал три основных области.

В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является на обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.

В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.

Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст

Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной.

Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.

Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения.

А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).

Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ

Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке.

Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.

Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией.

Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.

Немного подробнее о стабилизации

Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация.

Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне

Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.

Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон.

Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому

ΔIст = ΔЕ / Rб

Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.

Собственно мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.

Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)?

Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.

А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).

То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52.

Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.

Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.

В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки.

Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В.

Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.

Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).

Еще раз о расчете балластного сопротивления

Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы.

Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.

Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.

Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом.

Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.

Улучшения/ухудшения

Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз.

Идея здесь проста – стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.

Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему, и в каких ситуациях, это может произойти.

ТКН (температурный коэффициент напряжения)

Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В.

Выпускаются и термостабильные стабилитроны, которые можно использовать при работе в большом диапазоне температур.

Но нужно учитывать еще один момент, о котором не редко забывают. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть ощутимо выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.

Заключение

Пожалуй, на сегодня достаточно. Я коснулся, упрощенно, очень небольшой части касающихся использования стабилитронов вопросов. Той части, которая наиболее важна для новичков и в части практического использования, и для понимания работы стабилитронов.

Остались в стороне вопросы частотных свойств, емкости, временной стабильности. Остались в стороне интересные варианты схем включении. Например, когда выходным напряжением является не напряжение на стабилитроне, а напряжение на балластном резисторе. Остались в стороне не стандартные варианты использования стабилитронов. Например, в качестве варикапов для настройки колебательных контуров приемников.

Стабилитрон это простой и дешевый электронный прибор, который имеет массу разных применений. Но за этой простотой скрывается не мало тонкостей, которые нужно учитывать.

До новых встреч!

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-).  Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое «стабильность». На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный — это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа  радиоэлектронной аппаратуры.  Если оно изменится в меньшую,  или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура  в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать «играющее» напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с «кепочкой» называется также как и у диода — катод, а другой вывод — анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно  увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится  катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона — это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это  понятно и дошкольнику.

Теперь  по аналогии с электроникой. Стакан — это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане — это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом  большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один — лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники — кувшин обладает «напряжением» больше, чем «напряжение» стакана.

Так  вот, дорогие читатели,  в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит,  напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 — это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта.  Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов.  В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх — входное напряжение, Uвых.ст.  — выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения.  Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку.  Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт!  Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне  5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт,  а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт  — это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр — прямой ток, А

Uпр  — прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр — обратное напряжение, В

Uст — номинальное напряжение стабилизации, В

Iст — номинальный ток стабилизации, А

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax — максимальный ток стабилитрона, А

Imin — минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin — это  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное — не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт.  Выбирайте на ваш вкус и цвет.

Можете посмотреть видео на тему «КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)», рекомендую.

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема приведена ниже):

1. Iст — ток через стабилитрон
2. Iн — ток нагрузки
3. Uвых=Uст — выходное стабилизированное напряжение
4. Uвх — входное нестабилизированное напряжение
5. R₀ — балластный (ограничительный, гасящий) резистор

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется (на самом деле конечно изменяется от Uст min до Uст max, но можно считать, что Uст min = Uст max = Uст).

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Уравнения, описывающие работу данной схемы:

Uвх=Uст+IR₀, учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R₀ (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на нагрузке 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 нагрузки. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:

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

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

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно, то первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю, тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:

   (3)

Из этой формулы сразу виден один из недостатков такого параметрического стабилизатора — мы не можем сильно менять ток нагрузки, поскольку это сужает диапазон входного напряжения схемы, более того, можно увидеть, что диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилизации стабилитрона (поскольку в этом случае правая часть уравнения вообще становится отрицательной)

Если ток нагрузки постоянен или изменяется незначительно, тогда формула для определения области нормальной работы становится совсем элементарной:

   (4)

Далее, давайте рассчитаем КПД нашего параметрического стабилизатора. Он будет определяться отношением мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности: КПД=Uст*Iн/Uвх*I. Если учесть, что I=Iн+Iст, то получим:

   (5)

Из последней формулы видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, а также чем больше ток через стабилитрон — тем хуже КПД.

Чтобы понять, что значит «хуже» и насколько вообще плохо обстоит дело с КПД у этого стабилизатора — давайте, используя формулы выше, попробуем прикинуть, что будет, если понижать напругу скажем с 6-10 Вольт до 5-ти. Возьмём самый обычный стабилитрон, скажем КС147А. Ток стабилизации у него может меняться в пределах от 3-х до 53-х мА. Чтобы при таких параметрах стабилитрона получить область нормальной работы шириной в 4 Вольта — нам нужно взять балластный резистор на 80 Ом (воспользуемся формулой 4, как будто ток нагрузки у нас постоянный, поскольку если это не так, то всё будет ещё хуже). Теперь из формулы 2 можно посчитать на какой именно ток нагрузки мы можем в этом случае рассчитывать. Получается всего 19,5 мА, а КПД в этом случае будет, в зависимости от входного напряжения, в пределах от 14% до 61%.

Если для этого же случая посчитать на какой максимальный выходной ток мы можем рассчитывать при условии, что выходной ток не постоянный, а может меняться от нуля до Imax, то решив совместно системы уравнений (2) и (3), получим R₀=110 Ом, Imax=13,5 мА. Как видите, максимальный выходной ток получился почти в 4 раза меньше максимального тока стабилитрона.

Более того, выходное напряжение, полученное на таком стабилизаторе, будет обладать значительной нестабильностью в зависимости от выходного тока (у КС147А на рабочем участке ВАХ напряжение меняется от 4,23 до 5,16В), что может оказаться неприемлемым. Единственный путь борьбы с нестабильностью в данном случае — взять более узкий рабочий участок ВАХ — такой, на котором напряжение меняется не от 4,23 до 5,16В, а скажем от 4,5 до 4,9В, но в этом случае и рабочий ток стабилитрона будет уже не 3..53мА, а скажем 17..40мА. Соответственно, и без того небольшая область нормальной работы стабилизатора станет ещё меньше.

Итак, единственный плюс такого стабилизатора — это его простота, тем не менее, как я уже говорил, такие стабилизаторы вполне себе существуют и даже находят активное применение в качестве источников опорного напряжения для более сложных схем.

Простейшая схема, позволяющая получить существенно больший выходной ток (или существенно более широкую область нормальной работы, или и то и другое) — параметрический стабилизатор на транзисторе.

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Объектами расчета и анализа в примерах выступают параметрические стабилизаторы двух известных конструкций усилителей мощности звуковой частоты. Это

«Lanzar»

c Интерлавки и датагорский «Green Lanzar» от Андрея Зеленина.

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R₀ – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R₀=Uст+IR₀, (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R₀.

Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R₀ с линейной

Вольт

– амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R₀, а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

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

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R₀(ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилитрона, поскольку в этом случае правая часть выражения становится отрицательной, и схема не будет работать как стабилизатор напряжения.

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

ΔUвх= ΔIстR₀. (4)

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R₀Uст/rдUвх=R₀/Nстrд=KфКПД, (6)
где rд – динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

проведем для случая, когда напряжение питания нестабильно, а сопротивление нагрузки относительно постоянно.

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Uвх= Nст Uст.

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

R₀=(Uвх- Uст)/(Iст р+ Iн).

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Po=2(Iст р+ Iн)²R₀.

Проверим выбранный режим работы стабилизатора.
Расчет произведен верно, если при одновременном изменении Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн ток стабилитрона не выходит за пределы Iст max и Iст min:
Iст р max=(Uвх+ ΔUвх- Uст)/(R₀-(Iн- ΔIн))<0,8 Iст max;
Iст р min=(Uвх- Uст)/(R0-(Iн+ ΔIн))>1,2 Iст min.

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Если полученные значения токов Iст р max и Iст р min выходят за пределы допустимых значений, то необходимо выбрать другое значение Iст р, изменить сопротивление R₀ или заменить стабилитрон.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R₀/(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R₀=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Рис. 2. Печать с экрана примера расчета №1

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

Произведем расчет параметрического стабилизатора для

усилителя “Green Lanzar” на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом

[6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

Рис. 3. Расчет параметрических стабилизаторов для усилителя «Green Lanzar»

в качестве исходных данных использует предельные значения тока в нагрузке Iн min и Iн max, что при Iн min=0 позволяет предусмотреть режим холостого хода стабилизатора. Для постоянной нагрузки выбирают Iн max= Iн min.

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Если неравенство не выполняется, нужно:
• применить более мощный стабилитрон;
• задаться меньшими значениями ΔUвх н и ΔUвх в;
• уменьшить Iн max или увеличить Iн min.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R₀= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст)²/R₀.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R₀=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Рис. 4. Скриншот параметрического стабилизатора режимом холостого хода

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R₀.

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R₀-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R₀=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R₀=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Рис. 5. Режимы работы стабилизаторов в усилителе «Ланзар» в зависимости от выбранного напряжения питания

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если»->Подбор параметра.

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15).

Получим R₀=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R₀=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Рис. 6. Уточнение режимов работы параметрических стабилизаторов усилителя «Ланзар»

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

При проектировании новых устройств помните, что в настоящее время вместо параметрического стабилизатора на стабилитроне намного эффективнее применить современные компенсационные стабилизаторы [10].

🎁Экселевский файл для расчётов
 20.12 Kb ⇣ 97

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания).
2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30.
3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61.
4.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне

.
5.

Простые стабилизаторы напряжения и их расчет

.
6. Усилитель «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом.
7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13.
8. Статья на Интерлавке —

Усилитель мощности «Ланзар»

.
9.

Мощный усилитель «Ланзар»

.
10. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 – 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).

Спасибо за внимание!