Простейший стабилизатор напряжения: Простейший стабилизатор постоянного тока

стабилизатор напряжения своими руками, простой стабилизатор

• Стабилизатор на одном стабилитроне
• Стабилизатор на одном транзисторе
• Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ
• Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

Стабилизатор на одном стабилитроне

Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы.  Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – полупроводниковый прибор обладающий свойством стабилизации напряжения. В отличии от обычного диода работает в обратной полярности (на катод подается плюс), в режиме лавинного пробоя. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.

Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.

Принцип работы стабилизатора на стабилитроне

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.

Стабилизатор на одном транзисторе

Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.

Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе

Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня.  При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.

Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ

В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.

Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.

Принцип работы защиты стабилизатора

Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.

Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.

Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения

Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.

Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке.  Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.

Успехов!

Russian Hamradio :: Простой стабилизатор напряжения.

Данный стабилизатор имеет высокий коэффициент стабилизации, малое время установления выходного напряжения при скачкообразных изменениях тока нагрузки, а также сохраняет работоспособность при малой разнице входного и выходного напряжений.

Устройство состоит из двух стабилизаторов — последовательного и параллельного. Параллельный стабилизатор (VD1, R1 и эмиттерный переход транзистора VT3) подключен к выходу устройства. Следует только отметить, что основной недостаток параллельного стабилизатора (низкий КПД) устранен тем, что его ток мал и фиксирован при любом токе нагрузки. Принципиальная схема стабилизатора приведена на рис.1.

Рис.1.

Выходное напряжение Uвых = Uст + Uбэ, где Uст, Uбэ соответственно падения напряжений на стабилитроне VD1 и эмиттерном переходе транзистора VT3.

Ток через стабилитрон VD1 равен Iст = Uбэ/R1. В связи с этим выходное напряжение можно незначительно (на 0,1… 0,2В) регулировать подбором резистора R1. При увеличении сопротивления резистора R1 ток, протекающий через стабилитрон, уменьшается и соответственно уменьшается падение напряжения на нем и выходное напряжение.

Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. Ток коллектора транзистора VT3 фиксирован источником тока на транзисторе VT4 (ток затвора транзистора VT1 практически отсутствует). Следовательно, напряжение Uбэ транзистора VT3 также фиксировано. При изменении тока нагрузки изменяются напряжение на коллекторе транзистора VT3 и ток стока транзистора VT1. Таким образом, выходное напряжение поддерживается постоянным, поскольку ток через стабилитрон не изменяется.

Так как выходное сопротивление полевого транзистора велико, петлевое усиление стабилизатора также велико. Оно пропорционально входному сопротивлению регулирующего элемента и обратно пропорционально дифференциальному сопротивлению эмиттерного перехода транзистора VT3. Кроме того, при использовании в регулирующем элементе полевого транзистора весьма мал коэффициент прямой передачи входного возмущения. Поэтому в стабилизаторе удается получить коэффициент стабилизации более 5000 при токе нагрузки до 0,5 А.

Минимальное падение напряжения на регулирующем элементе равно 1,2В, а максимальный ток нагрузки определяется начальным током стока транзистора VT1, статическим коэффициентом передачи тока базы транзистора VT2 и может достигать 0,5…0,8 А. Этим же пределом ограничен и ток замыкания цепи нагрузки, так как в этом случае полевой транзистор переходит в режим стабилизации тока. Так как выходное напряжение стабилизатора равно нулю (в режиме замыкания), напряжение на затворе транзистора VT1 также равно нулю.

В этом случае ток стока транзистора VT1 будет несколько меньше начального, что и ограничивает ток замыкания. В стабилизаторе можно использовать традиционные цепи защиты от перегрузки по току. Следует лишь отметить, что в случае перегрузки стабилизатора надежно закрыть регулирующий элемент можно, только воздействуя на транзистор VT2.

При скачкообразных изменениях тока нагрузки (такой режим характерен для цифровых и микропроцессорных устройств) в любом стабилизаторе возникает переходный процесс, обусловленный наличием емкости нагрузки и инерционностью петли обратной связи. Например, при резком увеличении тока нагрузки происходит “провал” выходного напряжения, который компенсируется за счет открывания регулирующего элемента (в последовательном стабилизаторе).

В случае же скачкообразного уменьшения тока емкость нагрузки продолжает заряжать остаточный ток регулирующего элемента, вследствие чего образуется “выброс” выходного напряжения. После закрывания регулирующего элемента конденсатор на выходе стабилизатора начинает относительно медленно разряжаться через делитель напряжения обратной связи. Возникает переходный процесс, длительность которого в десятки и сотни раз может превышать время установления выходного напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки [1].

В описываемом стабилизаторе даже при закрытом регулирующем элементе выходное сопротивление определяется не высокоомным делителем напряжения обратной связи, а малым дифференциальным сопротивлением стабилитрона VD1 и эмиттерного перехода транзистора VT3, включенными последовательно.

То есть параллельный стабилизатор в данном устройстве выполняет функции источника образцового напряжения, делителя напряжения обратной связи и устройства подавления выбросов выходного напряжения. Длительность переходного процесса сокращается в десятки раз по сравнению со стабилизаторами, у которых образцовое напряжение формируется традиционно (например [2]), а выброс напряжения незначителен и мало зависит от быстродействия петли обратной связи.

Стабилизатор может работать с выходным фиксированным напряжением до 20…30В, необходимо лишь подобрать стабилитрон VD1. Устройство некритично к выбору транзисторов, необходимо только отметить, что транзистор VT1 следует выбирать с максимально возможным начальным током стока и напряжением отсечки Uотс < Uвых. Транзистор VT4 может быть любым из указанной серии, при условии, что его начальный ток стока находится на уровне 0,5…1 мА.

Устойчивость в работе стабилизатора обеспечивают конденсаторы С1 и С2. При замене конденсатора С2 на другой, емкостью до 20 мкФ, конденсатор С1 можно исключить.

Настройка

Правильно собранный стабилизатор начинает работать сразу, и налаживание его заключается лишь в подборе сопротивления резистора R1 для установки выходного напряжения с нужной точностью.

Е. Старченко

Как сделать схемы регулятора напряжения

Регулятор напряжения — это устройство, используемое для преобразования флуктуирующего напряжения на входе в определенное и стабильное напряжение на выходе. Регуляторы напряжения могут быть механическими, электрическими, переменного или постоянного тока. В этой статье мы рассмотрим электронные линейные регуляторы постоянного тока.

Применение регуляторов

Для большинства цепей требуется постоянное напряжение питания, не зависящее от потребляемого тока. Даже небольшое перенапряжение может оказаться разрушительным, поэтому следует использовать регуляторы. Но регуляторы также очень помогают в устранении сетевого шума в аудиоусилителях. В генераторах сигналов или генераторах выходная частота зависит от напряжения питания и также должна быть хорошо отрегулирована, чтобы поддерживать ее постоянной.

Типы регуляторов

Существует три основных класса или типа регуляторов: положительные регуляторы с положительным входным напряжением, отрицательные регуляторы с отрицательным входным напряжением, сдвоенные регуляторы напряжения, которые представляют собой наборы обоих , например, схема операционного усилителя и, наконец, регулируемые регуляторы , где может присутствовать любой из вышеперечисленных, но иметь ручку управления для изменения выходного напряжения по требованию.

Простой регулятор Zener r

Стабилитрон — это тип диода, который при подключении в конфигурации с обратным смещением (см. ниже) начинает «пробиваться» или проводить ток при определенном напряжении, называемом напряжением Зенера. Как только он начинает проводить, ток не останавливается, поэтому резистор (R1 показан ниже) должен ограничивать ток до безопасного значения.

В приведенном выше простом регуляторе Vin равно 12 В, Vout равно 5 В, а I равно 10 мА. Без стабилитрона R1 это было бы R=V/I = 12-5/0,01 = 700 Ом. Однако регулирования не будет, так как Зенер не будет дирижировать. Используя эмпирическое правило, стабилитрон должен проводить в два-пять раз больше тока нагрузки, скажем, 50 мА. Учитывая это, должно быть I = 50 + 10 = 60 мА, поэтому R1 = 7/0,06 = 116 Ом.

Проблема, однако, заключается в том, что рассеиваемая мощность на резисторах R1 и D1 при больших токах нагрузки будет чрезмерной. Но это вполне подходящая схема для преобразования уровней сигналов, скажем, 5В вниз, в 3,3В модули.

Стабилитрон в качестве эталона и транзистор Q1

Здесь мы использовали стабилитрон в качестве эталона и транзистор Q1 в качестве последовательного регулятора, выполняющего тяжелую работу. Резистор R2 обеспечивает смещение для включения транзистора Q1 и подачи гораздо меньшего тока через стабилитрон D2. Если Vout равно 5 В, к этому добавляется падение напряжения база-эмиттер 0,6 В, поэтому D2 должен быть равен 5,6 В (обычно доступно), а R2 теперь должен обеспечивать ток коллектора / hfe транзистора (скажем, 1000). Для источника питания 1 А, 1/1000 10 мА, R2 = 12-5,6/0,01 = 640 Ом плюс немного тока для стабилитрона, скажем, 560 Ом.

Но все равно много тока тратится на нагрев стабилитрона. Итак, теперь мы добавили Q5 и сеть обратной связи от Vout, чтобы обеспечить полезную схему:

D4 больше не критичен и может быть любым в диапазоне от 1 В до 4 В и регулируемым. Поскольку Vout пытается превысить напряжение базы/эмиттера Q5 +0,6 + D4, он начинает отбирать ток у базы Q4, стабилизируя напряжение. R6 теперь может быть более значительным значением и не критично, так как 1k подойдет. R7 и R8 также обеспечивают более легкую регулировку.

Давайте сделаем еще один шаг вперед и добавим защиту от перегрузки по току:

Падение напряжения на D6 и D7 всегда будет 0,6 + 0,6 = 1,2 В, а Vbe Q6 также равно 0,6 В. Например, если мы тщательно выбираем R14, чтобы он соответствовал точке, в которой мы хотим предотвратить перегрузку по току, скажем, 2 А, как только V на R14 = 1,2 В, D6 и D7 отнимут ток у базы Q6, не допуская дальнейшего тока питания более 2 А. .

Следовательно, R14 = 1,2/2 = 0,6 Ом. Но есть еще одно улучшение, которое мы можем сделать, чтобы предотвратить большие токи в диодах.

Заменены диоды на Q9. Все, что ему нужно, это 0,6, чтобы включить его и вызвать ограничение тока. Для 2А это будет R19 = 0,6/2 = 0,3 Ом.

Регулятор постоянного напряжения

Здесь у нас есть простой трехвыводной регулятор постоянного напряжения. ИС стабилизаторов напряжения серии LM78xx выпускаются с несколькими различными напряжениями. Например, LM7812 выдает 12 В, LM7809 выдает 9 В, а LM7805 выдает 5 В.

C4 и C10 не следует путать со сглаживающими конденсаторами. Они предназначены для шума и стабильности и должны иметь низкое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). C4 обычно 10 мкФ, а C10 1 мкФ. Обратите внимание, что диод D9заключается в том, чтобы разряжать любую большую емкость в нагрузке назад, чтобы предотвратить обратное смещение регулятора, когда вход становится низким.

Регулируемый регулятор напряжения

И, наконец, мы подошли к концу эволюции с регулируемым трехвыводным регулятором — знаменитым регулятором напряжения LM317 и его отрицательным аналогом, отрицательным регулятором напряжения LM337.

C2 для шума и может быть 1 мкФ. Соотношение R20 и R23 задает выходное напряжение. Это могут быть два постоянных резистора или регулируемый потенциометр. R20 указано в даташите как нестандартное 240Ом, но если сделать его стандартным 220Ом, то при любом напряжении между В _max и V _min,  R7 = (176*V _из ) – 220.

Таким образом, если вы хотите 9 В, R23 может быть фиксированным значением, т. е. 176*9 – 220 = 1k4. Обратите внимание, что, поскольку внутреннее опорное напряжение составляет 1,25 В, что является самым низким значением, которое может обеспечить регулятор, ему также требуется не менее 2 В между входом и выходом, а максимальное напряжение составляет 32 В, поэтому он может обеспечивать регулировку от 1,2 В до 30 В. Сделать R23 10k.

Мощность, рассеиваемая регулятором, составляет (Vin-Vout )* Iout. Таким образом, для входа 12 В и выхода 5 В при 1 А мощность составляет (12-5) * 1 = 7 Вт. Это нелогично, но это означает, что регулятор рассеивает большую часть мощности, когда он установлен на самое низкое выходное напряжение.

Если вы берете из регулятора более 1А или он слишком горячий, чтобы держать его пальцами, ему нужен радиатор. Вы можете попробовать установить его на корпус алюминиевой коробки, которую вы используете, или установить на кусок плоского алюминия или, что еще лучше, на подходящий радиатор и угадать размер. Вы должны быть в состоянии удобно держать регулятор, не обжигая при этом руку или пальцы.

Не забудьте оставить комментарий ниже, если у вас есть какие-либо вопросы!

Электроника 102 — Урок 4

В предыдущем уроке мы усовершенствовали усилитель, смоделировали его и продемонстрировали его производительность с помощью SPICE.

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

Потребность в регуляторах напряжения

Цель регуляторов напряжения — обеспечить стабильное напряжение питания цепей. вы проектируете.

Это наиболее распространенные схемы (каждая электронная система, независимо от ее функции, имеет по крайней мере один), и тем не менее ими часто пренебрегают из-за их утилитарного характера. природа.

Нам нужны регуляторы напряжения, потому что источники основного питания (например, обычные батареи, или напряжение переменного тока, которое мы получаем от настенной розетки) обычно не очень стабильны или нестабильны достаточно, чтобы убедиться, что наши схемы работают в соответствии со своими спецификациями.

Например, напряжение, которое мы получаем от автомобильного аккумулятора, может варьироваться от 14,4 В до при работающем двигателе и зарядке аккумуляторной батареи от генератора 8 или 9 В, когда вы запускаете двигатель холодным утром. Потому что может быть положительный или отрицательные всплески, наложенные на напряжение батареи из-за другого оборудования, в большинстве случаев автомобильное оборудование рассчитано на работу с напряжением до 16В. Некоторым схемам для правильной работы требуется стабильное напряжение, например, микропроцессор, используемый для управления радио.

Большинство микропроцессоров работают от источника питания 3 В или 5 В, который должен регулироваться в пределах доли вольта. Например, многие микросхемы рассчитаны на работу от номинального напряжения 5 В. требуют, чтобы напряжение оставалось между 4,5 и 5,5 Вольт.

Опорное напряжение

Регуляторы напряжения нуждаются в эталоне для работы. Источник опорного напряжения является частью или цепь, обеспечивающая стабильное напряжение при выходе за пределы параметров, таких как напряжение питания или температура варьируется.

Наиболее распространенным источником опорного напряжения является стабилитрон ([1]). Зенеровский диод — это диод, в котором поведение обратного лавинного пробоя было снижено. оптимизированы и количественно определены таким образом, чтобы диод можно было безопасно эксплуатировать в этой области.

Мы можем использовать SwitcherCAD, чтобы проиллюстрировать поведение стабилитрона.

<Зинер-1.png>

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

Создайте схему сейчас, пока не нужно вводить никаких значений в Source V1. Не беспокойтесь об операторе .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 «Развертка постоянным током».

Введите следующие значения:

• Имя 1-го источника для сканирования: V1
• Тип развертки: линейная
• Начальное значение: -4
• Конечная величина: 16
• Шаг: 0,1

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

У вас должен получиться такой график:

<Зинер-2.png>

Мы можем наблюдать, что в диапазоне от -0,5 до примерно 6 В выход напряжение следует за входным напряжением. Ниже этого стабилитрон становится прямым смещен, и напряжение на нем колеблется от -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 составляют около 6,2 В, что является номинальным Напряжение Зенера для этой части.

Область отрицательного напряжения интересна тем, что показывает, что диод Зенера подобен реальному диоду при смещении в прямом направлении. Однако мы не собираемся использовать стабилитрон в этой области.

Наиболее интересна область обратного смещения (когда напряжения от V1 положительный). Эффект Зенера обеспечивает напряжение около 6,2 В, что вполне стабильной по сравнению с напряжением источника.

Чтобы узнать, насколько стабильно, давайте повторно запустим симуляцию, но проверим исходный код. от 8 до 18В.

<Зинер-3.png>

Изменение выходного напряжения над изменением входного напряжения, которое вызвало он называется Линия Правил .

Линейное регулирование = Дельта (V

_из ) / Дельта (V _из )

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

Если бы мы заменили источник V1 автомобильным аккумулятором, мы бы ожидать, что регулируемое напряжение Зенера будет варьироваться от 6,24 до 6,38 В, в то время как напряжение батареи меняется с 8 до 16 В, значительное улучшение.

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

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

<Зинер-4.png>

Теперь общий разброс составляет от 6,24 до 6,39 Вольт, по-прежнему отлично.

Шунтирующие регуляторы

Этот тип цепи называется шунтирующим регулятором , потому что регулирующий элемент подключен параллельно (а не последовательно) с нагрузкой. В то время как наш схема не показывает нагрузку (пока), нагрузка питается от любой цепи от регулируемого напряжения, которое, следовательно, должно быть размещено параллельно с стабилитроном.

Особенность шунтового регулятора, которая может быть преимуществом или неудобством в зависимости от того, где и как используется схема, шунтирующий регулятор потребляет постоянный ток от источника. Ток, получаемый от источника, равен ток, протекающий через последовательный резистор. Поскольку ток, который течет через последовательный резистор является только функцией напряжения источника, Напряжение Зенера и значение резистора, оно постоянно, пока напряжение источника постоянно и не зависит от тока нагрузки.

Преимущество состоит 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, она состоит всего из двух основных компонентов.

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

Расчет максимального тока нагрузки

В этой модифицированной схеме я добавил резистор R2, чтобы представить схему, которая будет использовать опорное напряжение. Резистор пока не имеет значения, он здесь для иллюстрации. Этот резистор представляет собой нагрузку, и он потребляет определенное количество тока. Нам нужно убедиться, что регулятор может обеспечить ток, необходимый для схемы. представлен резистором R2.

<Зинер-5.png>>

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

I

_R1 = I _D1 + I _R2 В нашей примерной схеме при напряжении источника 12 В напряжение на стабилитроне равно 6,34 В, поэтому напряжение на резисторе R1 равно 5,66 В, поэтому ток в резисторе будет 5,66/1000, или 5,66 мА.

При уменьшении номинала R2 ток через него будет увеличиваться, а ток через D1 уменьшится на ту же величину.

Если ток нагрузки (ток через R2) приближается к 5,66 мА, диод Зенера будет голодать (ток через него будет очень низким или нулевым) и он не будет выполнять свои функции. работа по регулированию напряжения. Давайте узнаем, какой ток мы можем пропустить D1, посмотрев спецификацию.

Чтобы увидеть весь документ, нажмите на картинку.

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

I

_макс. = P _макс. / V _{Стабилитрон} В этом случае максимальный ток равен 0,225/6,2 = 0,036 А, или 36 мА.

Если вы прочитаете примечания к техническому паспорту, то увидите, что 225 мВт — это абсолютный максимальный рейтинг при температуре окружающей среды 25 градусов C. Технический паспорт также дает вам термическое сопротивление и снижение рейтинга для температур выше 25 градусов.

Не вдаваясь сейчас в подробности этих расчетов, практика проектирования заключается в том, чтобы ограничить максимальный ток в нашей цепи не более более 50% от 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 проходит не более 18 мА.

При выбранном нами значении R1 (несколько произвольно) мы достигнем 18 мА. при напряжении от V1 6,2 + (1000 * 0,018) = 24,2 В, где 6,2 — номинальное напряжение Зенера, а (1000 * 0,018) — напряжение, которое нам нужно применить через R1, чтобы через него протекал ток 18 мА. Так что, похоже, у нас есть довольно небольшой запас по максимальной рассеиваемой мощности в стабилитроне.

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

I

_R1 = (V _{источник} — V _Zener ) / R1 Это вычисляет до 1,8 мА.

Итак, если бы эта схема использовалась в автомобильном радиоприемнике для подачи регулируемого напряжения 6,2 В на в некоторых чувствительных цепях мы могли потреблять до 1,8 мА без потери регулирования, и не рискуя сжечь стабилитрон при максимальном напряжении батареи.

На практике, точно так же, как мы уменьшили максимальный ток, мы не хотели бы полностью отключить стабилитрон и убедиться, что напряжение остается в пределах нормы, мы должны поддерживать минимальное количество тока в стабилитроне. В листе данных перечислены напряжение Зенера для 3-х значений тока 1, 5 и 20 мА, так что при этом допустима интерполяция между приведенными значениями, менее рекомендуется использовать часть за пределами заданного диапазона значений, поэтому мы должны сохранить как минимум 1 мА, хотя стабилитрон для этого работает хорошо.

Это означает, что у нас есть доступный ток до 0,8 мА для нагрузки.

Получение большего тока с помощью регулятора последовательного прохода

Что делать, если 0,8 мА недостаточно?

Ну, мы могли бы либо:

1. Уменьшите значение R1. Мы видели, что при текущем значении 1 кОм, мы бы не достигли безопасного максимального рассеивания мощности до тех пор, пока напряжение питания составляет 24,2 В. Мы могли бы уменьшить значение R1 так, чтобы максимальная безопасная мощность рассеивание достигается при 18 В, что является максимальным напряжением питания, которое мы нужно спроектировать для.
2. Перепроектируйте схему с более высокой номинальной мощностью стабилитрона (и уменьшите значение резистора R1, чтобы через него протекал больший ток), или
3. Добавьте усилитель тока с использованием одного или нескольких транзисторов.

Решение 1 легко реализовать и стоит недорого, но оно не дает многого. улучшения. В этом случае максимальный ток Зенера составляет 18 мА, т.е. также максимально возможный ток нагрузки.

В общем, решение 2 не имеет особого смысла, т.к. более мощный стабилитрон труднее получить, и схема быстро будет тратить много энергии. В связи с тенденцией использования оборудования с батарейным питанием важно знать решения, которые не тратят энергию впустую или тратят впустую минимум, необходимый для выполнения функции.

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

Итак, мы попробуем решение 3.

Существует известная схема, выполняющая нужную нам функцию, поэтому без лишних слов, вот оно:

<Регулятор-1.png>

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

Точно так же источник тока будет генерировать любое напряжение, необходимое для количество тока, которое мы запросили.

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

Источники тока не так интуитивны, как источники напряжения, так что не слишком беспокойтесь. если концепция кажется странной. Просто следуйте тому, что мы будем делать с ним и далее время это станет вам знакомым.

Еще одна вещь, которую вы, возможно, заметили, если вы действительно наблюдательны, это то, что мы есть стабилитрон с артикулом BZX84C5V6L, которого не было в библиотеке.

Я сжульничал. Я хотел продемонстрировать хорошо известную схему, представляющую собой стабилизатор на 5 В. Предыдущая схема представляла собой регулятор на 6,2 В, которого, хотя и было достаточно для этой цели. упражнения, используется редко. 5 В — гораздо более распространенное напряжение, и Стабилитрон на 5,6 В часто используется в схеме, подобной той, которую 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 фрагмент выше), вы увидите, что некоторые номера деталей выделены жирным шрифтом. В примечании указывается что эти номера деталей предпочтительнее , что означает, что они гораздо более вероятны быть на складе. Часть 5,6 В выделена жирным шрифтом, поэтому разумно предположить, что она должна были в библиотеке. Учитывая, сколько мы заплатили за SwitcherCAD, мы простите Linear Technology за то, что они не включили все возможные номера деталей.

Итак, как я получил стабилитрон 5,6 В 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=1м Vpk=5.6 mfg=Mot type=zener)
 

Вы можете вырезать и вставить всю строку. Я разместил его чуть выше части BZX84C6V2L в файле. Обратите внимание, что эта модель, вероятно, не так хороша, как другие. Это адекватно для приведенный ниже пример, но он может не подходить для более сложных симуляций. Поэтому, когда вы закончите курс, вы можете удалить модель из библиотеки.

Пришлось закрыть и снова открыть SwitcherCAD, потому что программа видимо читает библиотеки при запуске программы и после того, как я изменил файл, она не перезагрузила его автоматически.

Хорошо, хватит с библиотекой SwitcherCAD, транзистор, который мы добавили в шунтирующий стабилизатор, в конфигурации, известной как эмиттер-повторитель . Это означает, что напряжение на эмиттер следует за напряжением на базе (обычно с небольшим смещением от 0,6 до 0,7 вольт). Коэффициент усиления по напряжению такой схемы чуть меньше 1.

Так, если базовое напряжение поддерживается на уровне 5,6 В, напряжение на эмиттере будет должно быть от 4,9 до 5,0 вольт.

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

Чтобы сделать моделирование более интересным, мы проведем развертку по постоянному току.

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

• Имя 1-го источника для проверки: I1
• Тип развертки: линейная
• Начальное значение: 0
• Стопорное значение 0,1
• Шаг: 0,001

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

<Регулятор-2.png>>

Изменение выходного напряжения над изменением выходного тока, которое вызвало это называется Правила нагрузки . Обычно его измеряют, когда выходной ток изменяется в определенном диапазоне, например, от 50% до 100%.

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

Если мы выразим это как изменение напряжения по сравнению с изменением тока, которое вызвало его, он будет называться Выходное сопротивление , так как значение сопротивления равно eual к отношению напряжения на нем к току через него.

Регулирование нагрузки = Дельта (V

_из ) / Среднее значение 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 составляет 40 мВ, поэтому выходное сопротивление составляет 0,04 / 0,05 = 0,8 Ом. при изменении тока нагрузки на 50 %.

Регулирование нагрузки составляет 0,04 / 4,92 = 0,81 %.

Обратите внимание, как быстро растет напряжение при малых токах (менее нескольких мА). Это связано с тем, что при очень малом токе нагрузки ток базы, = Ток нагрузки / Hfe настолько мал, что базовое напряжение необходимое для его создания, становится очень маленьким, намного ниже типичного от 0,6 до 0,7 В.

Я добавил резистор R2 (100 кОм) для того, чтобы обеспечить минимальный ток нагрузки а без этого резистора напряжение на свету бы ещё больше ползло текущие значения I1. Например, вы можете попробовать изменить R2 на 1000k. (1 мегаом).

На практике, если схема действительно должна работать на таком низком уровне тока, было бы неплохо немного уменьшить значение R2. для уменьшения роста напряжения при малых нагрузках.

С другой стороны, обратите внимание, что эта схема теперь хорошо выдает 100 мА, в то время как поддерживая регулирование между 4,85 и 5,05 В для токов между примерно 5 мА и 100 мА.

Это было бы идеально для управления большинством микропроцессоров с питанием 5 В.

Подавление пульсаций

Ripple Rejection — это еще одна мера способности регулирующего органа Колебания сетевого напряжения. Однако линейное регулирование, определенное выше, измеряется со статическими (медленно меняющимися) изменениями входного напряжения, где Подавление пульсаций измеряется при быстро меняющемся входном напряжении, обычно на частоте сети (60 Гц) или это вторая гармоника (120 Гц).

Если бы мы использовали настоящие инструменты, мы бы измерили подавление пульсаций с помощью наложение небольшого напряжения переменного тока на входное напряжение постоянного тока, а затем измерение амплитуда того же сигнала на выходе регулятора и вычислителя Соотношение. Например, мы могли бы применить пиковое напряжение 1 В переменного тока (2 В от пика до пика), потому что это хорошо. в диапазоне регулирования регулятора и производит расчеты Полегче.

Мы можем использовать ту же технику со Spice, даже несмотря на то, что Spice предлагает другую Метод, который мы будем изучать на следующем уроке. Для удобства измерим подавление пульсаций на частоте 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 моделирования следующим образом:

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

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

Вот график выходных пульсаций (обратите внимание на шкалу напряжения):

<Регулятор-3. png

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

<Регулятор-4.png

На графике видно, что при питании схемы от источника с пульсациями 2 В пик-пик (мы устанавливаем источник на 12 В постоянного тока с наложенным на него пиковым сигналом 1 В, вы можете используйте курсор для проверки), он обеспечивает регулируемый выход с пульсациями около 30 мВ от пика до пика.

Упражнения

1. Сколько тока мы можем получить от регулятора, прежде чем регулирование станет действительно плохим? (вы можете использовать SwitcherCAD для экспериментов).
   Какие факторы ограничивают получение большего тока?
2. Нанесите напряжение на базе транзистора на тот же график, что и выходное напряжение, чтобы увидеть разницу. Объясните разницу.
3. Вычислите коэффициент подавления пульсаций в дБ.