Расчет параметрических стабилизаторов напряжения

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

 

К_стU = (ΔU_вх / U_вх) / (ΔU_вых / U_вых).

 

Простейшим стабилизатором напряжения является параметрический, схема которого представлена на рис. 1.6.

 

 

Рис. 1.6. Параметрический стабилизатор напряжения без термокомпенсации

 

Расчет параметрического стабилизатора обычно сводится к расчету сопротивления балластного резистора R_о и выбору типа стабилитрона.

 

Основными электрическими параметрами стабилитрона являются:

 

U_ст – напряжение стабилизации;

I_{ст.макс} – максимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной

характеристики;

I_ст.мин – минимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной

характеристики;

R_д – дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольт-амперной

характеристики.

 

Методику расчета рассмотрим на примере.

 

Дано: U_вых = 9 В; I_н = 10 мА; Δ I_н = ± 2 мА; ΔU_вх = ± 10% U_вх..

 

Порядок расчета.

 

1. По справочнику выбираем стабилитрон типа Д814Б с параметрами

 

U_ст = 9 В; I_{ст.макс} = 36 мА; I_ст.мин = 3 мА; R_д = 10 Ом.

 

2. Рассчитаем необходимое входное напряжение по формуле

 

U_вх = n_ст U_вых,

 

где n_ст – коэффициент передачи стабилизатора.

 

Для оптимальных условий работы стабилизатора рекомендуется выбирать n_ст в пределах от 1,4 до 2.

 

Примем n_ст = 1,6, тогда U_вх = 1,6 · 9 = 14,4 В.

 

 

3. Рассчитаем сопротивление балластного резистора R_о

 

 

R_о = (U_вх – U_вых) / (I_ст + I_н).

 

Ток I_ст выбирают из следующих соображений: I_ст ≥ I_н.

 

При одновременном изменении U_вх на величину ΔU_вх и I_н на величину ΔI_н ток стабилитрона не должен выходить за пределы I_{ст.макс} и I_ст.мин.

 

По этой причине обычно выбирают I_ст из середины диапазона допустимых значений.

 

Принимаем I_ст = 0,015 А.

 

Тогда R_о = (14,4 – 9) / (0,015 + 0,01) = 216 Ом.

 

Выберем стандартное значение сопротивления резистора R_о по параметрическому ряду Е24 (см. приложение 4).

 

Принимаем R_о = 220 Ом.

 

Для выбора типа резистора необходимо рассчитать рассеиваемую на корпусе резистора мощность

 

Р = I² R_о; Р = (25· 10^-3)² · 220 = 0,138 Вт.

 

Принимаем стандартное значение мощности рассеяния на резисторе 0,25 Вт.

 

Выбираем тип резистора МЛТ-0,25-220 Ом ± 10 %.

 

4. Произведем проверку правильности выбора режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора напряжения:

 

I_ст.мин = (U_вх – ΔU_вх – U_вых) / Rо – (I_н + ΔI_н);

 

I_ст.мин = (14,4 – 1,44 – 9) · 10³ / 220 – (10 + 2) = 6 мА;

 

I_{ст.макс} = (U_вх + ΔU_вх – U_вых) / Rо – (I_н – ΔI_н);

 

I_{ст.макс} = (14,4 + 1,44 – 9) · 10³ / 220 – (10 – 2) = 23 мА.

 

Если рассчитанные значения токов I_ст.мин и I_{ст.макс} выходят за пределы допустимых значений, то необходимо или выбрать другое значение I_ст, или изменить сопротивление резистора R_о, или заменить стабилитрон.

 

5. Коэффициент стабилизации по напряжению для параметрического стабилизатора определяется по формуле:

 

К_ст = (R_о / R_д + 1) / n_ст,

 

К_ст = (220 / 10 + 1) / 1,6 = 14,3.

 

6. Выходное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения

 

R_вых = R_о = 10 Ом.

 

 

На рис. 1.7 представлена схема параметрического стабилизатора напряжения с температурной стабилизацией режима работы его основного элемента – стабилитрона.

Для повышения температурной стабильности выходного напряжения в этой схеме последовательно со стабилитроном включены несколько кремниевых диодов.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) диода по знаку противоположен ТКН стабилитрона, однако меньше по модулю. Поэтому для температурной компенсации U_ст требуется несколько диодов. Кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении также могут быть использованы для термостабилизации. Количество термостабилизирующих элементов определяют по отношению модуля ТКН стабилитрона к модулю ТКН элемента (диода). Результат деления округляется до целого числа.

Численные значения ТКН стабилитронов и диодов приведены в справочниках и выражены в %/^о С. Для кремниевых диодов, включенных в прямом направлении ТКН незначительно отличаются друг от друга для разных типов и находятся в пределах

1,4…1,7 мВ/ ^оС. Для германиевых диодов, например у Д7А – Д7Ж, величина ТКН составляет –1,9 мВ/ ^оС. Для выполнения расчетов термостабилизации в РГР-1 использовать диод Д7Ж, у которого ТКН составляет –1,9 мВ/ ^оС.

При этом следует иметь в виду, что при большом количестве термостабилизирующих диодов (три и более) необходимо учитывать прямое падение напряжение на них и динамическое сопротивление. Для диода Д7Ж прямое напряжение составляет 0,5 В, а динамическое сопротивление 2 Ом. Общее напряжение стабилизации определяется при этом как сумма напряжений стабилитрона и диодов, а общее динамическое сопротивление определяется как сумма динамических сопротивлений стабилитрона и диодов.

Расчет такого стабилизатора производится по методике, приведенной выше.

 

 

 

 

Рис. 1.7. Параметрический стабилизатор напряжения с термокомпенсацией

 

 

Примечание: