Wie Sie wissen, funktioniert kein elektronisches Gerät ohne eine geeignete Stromquelle. Als Stromquelle können im einfachsten Fall ein herkömmlicher Transformator und eine Diodenbrücke (Gleichrichter) mit Glättungskondensator dienen. Allerdings ist nicht immer ein Transformator für die benötigte Spannung vorhanden. Darüber hinaus kann eine solche Stromquelle nicht als stabilisiert bezeichnet werden, da die Spannung an ihrem Ausgang von der Spannung im Netzwerk abhängt.
Eine Möglichkeit, diese beiden Probleme zu lösen, besteht darin, vorgefertigte Stabilisatoren zu verwenden, beispielsweise 78L05, 78L12. Sie sind bequem zu verwenden, aber auch hier sind sie nicht immer zur Hand. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen parametrischen Stabilisator mit einer Zenerdiode und einem Transistor zu verwenden. Das Diagramm ist unten dargestellt.

Stabilisatorschaltung

Foto des Stabilisators, den ich zusammengebaut habe:

Berechnung und Auslegung eines Parallelstabilisators. Merkmale der Anwendung. (10+)

Parametrischer Parallelstabilisator

Das Funktionsprinzip eines parametrischen Parallelstabilisators basiert auf der Tatsache, dass ein fester (oder nachfester) Strom durch ihn geleitet wird, der von einer Stromquelle (das ist sehr gut) oder einem Widerstand (das ist etwas schlechter) vorgegeben wird. . Anschließend wird der Strom in zwei Kanäle aufgeteilt. Ein Teil des Stroms wird zur Last geleitet. Der andere Teil umgeht die Last. Die Stärke des Bypass-Stroms und damit die Stärke des Laststroms wird so beibehalten, dass die Spannung an der Last dem angegebenen Wert entspricht. Typische Schaltungen paralleler Stabilisatoren sind in der Abbildung dargestellt.

Typische Schaltungen paralleler parametrischer Stabilisatoren

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Rechts ist also ein Diagramm eines einfachen Transistorspannungsstabilisators.

Bezeichnungen:

1. Ik – Kollektorstrom des Transistors
2. I n - Laststrom
3. I b - Basisstrom des Transistors
4. I R – Strom durch den Ballastwiderstand
5. Uin - Eingangsspannung
6. U out - Ausgangsspannung (Spannungsabfall über der Last)
7. U st - Spannungsabfall an der Zenerdiode
8. U be – Spannungsabfall am pn-Übergang Basis-Emitter des Transistors

Wie funktioniert ein solcher Stabilisator und wie unterscheidet sich seine Arbeit von der Arbeit? Ja, ihre Arbeit ist fast nicht anders – die Spannung am Ausgang der Schaltung bleibt aufgrund des Vorhandenseins von Abschnitten auf der Strom-Spannungs-Kennlinie (Zenerdiode und pn-Übergang des Basis-Emitter-Transistors) stabil, in denen die Spannung liegt Der Abfall hängt schwach vom Strom ab. Das heißt, wie bei allen parametrischen Stabilisatoren wird die Stabilität durch die inneren Eigenschaften der Komponenten erreicht.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist der Spannungsabfall an der Last tatsächlich gleich der Differenz der Spannungsabfälle an der Zenerdiode und am pn-Übergang des BE-Transistors. Da der Spannungsabfall an der Zenerdiode schwach vom Strom abhängt (im Arbeitsabschnitt ist er gleich der Stabilisierungsspannung), hängt der Spannungsabfall am in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergang auch schwach vom Strom ab (bei einem Siliziumtransistor kann dies der Fall sein). Nimmt man etwa die gleiche Spannung wie bei einer herkömmlichen Siliziumdiode an (ca. 0,6 Volt), stellt sich heraus, dass auch die Ausgangsspannung konstant ist.

Fügen wir nun ein wenig Mathematik hinzu.

Bei der Lastspannung (Ausgangsspannung) ist alles klar: U out =U st -U be, berechnen wir R 0 und den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators. Aber zeichnen wir zunächst zwei Bilder nebeneinander – einen Teil der Schaltung unseres Stabilisators und einen Teil des einfachsten parametrischen Stabilisators auf einer Zenerdiode:

Es sieht so aus, nicht wahr? Darüber hinaus sind auch die Überlegungen und die daraus abgeleiteten Beziehungen zur Berechnung von R0 und der Normalbetriebsfläche sehr ähnlich.

Die oben herausgerissene Gleichung, die die Ströme und Spannungen für den Teil unserer Stabilisatorschaltung beschreibt:

U in =U st +I R R 0, unter Berücksichtigung von I R =I st +I b, erhalten wir

U in =U st +(I st +I b)R 0 (1)

Für den normalen Betrieb des Stabilisators (damit die Spannung an der Zenerdiode immer im Bereich von U st min bis U st max liegt) ist es erforderlich, dass der Strom durch die Zenerdiode immer im Bereich von I st min bis liegt Ich st max. Der minimale Strom durch die Zenerdiode fließt bei minimaler Eingangsspannung und maximalem Basisstrom des Transistors. Wenn wir das wissen, werden wir es finden Ballastwiderstand Widerstand:

R 0 =(U in min -U st min)/(I b max +I st min) (2)

Wenn wir berücksichtigen, dass in unserem Fall, wenn der Transistor nach einer Schaltung mit gemeinsamem Kollektor angeschlossen ist, der Basisstrom mit dem Emitterstrom durch das Verhältnis I e = I b (h 21E +1) zusammenhängt, der Emitter Wenn der Strom gleich dem Laststrom ist (da wir die Last eingeschaltet haben) und sich die Spannung an der Zenerdiode im Betriebsmodus geringfügig ändert (anstelle von U st min, nehmen wir einfach U st), erhalten wir das

R 0 =(U in min -U st)/(I n max /(h 21E +1)+I st min) (3)

h 21E +1 ist die Stromverstärkung für einen Stromkreis mit einem gemeinsamen Kollektor (h 21K), aber da h 21E normalerweise ziemlich groß ist, wird der „+1“-Term oft verworfen und es wird angenommen, dass h 21K = h 21E, dann wird die Formel (3) etwas einfacher:

R 0 =(U in min -U st)/(I n max /h 21E +I st min)

Der maximale Strom durch die Zenerdiode fließt bei einem minimalen Transistor-Basisstrom und einer maximalen Eingangsspannung. Unter Berücksichtigung dessen und dem, was oben zum Mindeststrom durch die Zenerdiode gesagt wurde, können Sie mit Gleichung (1) den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators ermitteln:

Wenn wir diesen Ausdruck umgruppieren, erhalten wir:

Oder anders ausgedrückt:

Wenn wir davon ausgehen, dass die minimale und maximale Stabilisierungsspannung (U st min und U st max) sich geringfügig unterscheiden (der erste Term auf der rechten Seite kann als gleich Null betrachtet werden) und auch, dass I n =I e =I b h 21E ( „+ 1“ – wirf es weg), dann Gleichung, die den Bereich des normalen Betriebs des Stabilisators beschreibt, wird die folgende Form annehmen:

Diese Formel zeigt deutlich den Vorteil eines solchen Transistorstabilisators gegenüber einem parametrischen Stabilisator auf Basis einer Zenerdiode – bei sonst gleichen Parametern kann der Ausgangsstrom eines Transistorstabilisators in einem größeren Bereich schwanken.

Nehmen wir zum Beispiel wieder die Zenerdiode KS147A (I st = 3..53mA) und schätzen wir ab, welchen maximalen Strom wir erwarten können, wenn die Spannung von 6..10V auf 5V reduziert wird, vorausgesetzt, der Ausgangsstrom kann davon abweichen Null bis I max. Nehmen wir den Transistor KT815A (h 21E = 40). Nachdem wir das Gleichungssystem (3), (4) gemeinsam gelöst haben, erhalten wir R 0 etwa 110 Ohm und einen maximalen Strom von etwa 550 mA.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Instabilität der Ausgangsspannung in diesem Fall noch schlimmer sein wird, da nun die Instabilität des Spannungsabfalls am pn-Übergang des Transistors zur Instabilität der Spannung an der Zenerdiode hinzukommt. Außerdem haben wir noch nicht berücksichtigt, dass die Ausgangsspannung um den Betrag des Spannungsabfalls am pn-Übergang geringer sein wird als bei einer Zenerdiode, also müssten wir sicherheitshalber eine Zenerdiode nehmen, die nicht bei 4,7 V liegt, sondern bei 5,1 oder sogar 5,6 Volt (ich habe speziell die gleiche Zener-Diode wie in als Beispiel genommen, damit man deutlicher erkennen kann, wie sich der Laststrom bei gleicher Zener-Diode unterscheiden würde).

Tatsächlich sind die Methoden zum Umgang mit Instabilität hier völlig ähnlich – Sie müssen die Instabilität der Spannung an der Zenerdiode irgendwie reduzieren. Dazu können Sie wie beim letzten Mal einen engeren Arbeitsabschnitt der I-V-Kennlinie der Zenerdiode verwenden. Dies führt natürlich auch zu einer Einengung des Bereichs des Normalbetriebs (da der Änderungsbereich des Betriebsstroms der Zenerdiode abnimmt), in diesem Fall jedoch, wenn der Bereich von Da der normale Betrieb bereits breiter ist als der eines parametrischen Stabilisators auf einer Zenerdiode (ungefähr das 21E-fache), können wir es uns durchaus leisten, dafür einen Teil des Ausgangsstrombereichs und/oder einen Teil des Eingangsspannungsbereichs aufzugeben Erhöhen Sie die Stabilität der Ausgangsspannung.

Sie können den Bereich des Normalbetriebs weiter vergrößern, wenn Sie zwei Transistoren verwenden, die nach einer Darlington- oder Szyklai-Schaltung verbunden sind (Abbildung links). In diesem Fall wird h 21E viel größer sein.

Nun, das Schlimmste daran ist, dies zu tun, da die Verstärkung des Operationsverstärkers nicht nur größer, sondern um ein Vielfaches größer ist als die jedes Transistors (dementsprechend können wir den Strom durch ihn ändern). (Wenn wir die Zenerdiode in einen noch engeren Bereich bringen, erhalten wir eine noch kleinere Änderungsspannung an ihr und dadurch eine noch stabilere Ausgangsspannung).

Es gibt noch eine andere Möglichkeit: Anstelle einer normalen Zenerdiode können Sie eine integrierte Zenerdiode verwenden, beispielsweise TL431. In diesem Fall erhalten wir neben einer deutlich geringeren Instabilität auch die Möglichkeit, die Ausgangsspannung zu regulieren.

Zunächst möchte ich sagen, dass ein solcher Spannungsstabilisator mit einer leichten Handbewegung in einen Stromstabilisator umgewandelt werden kann (Sie müssen lediglich die Spannung nicht an der Last, sondern an einem speziellen Strommesswiderstand stabilisieren).

Wie Sie wissen, funktioniert kein elektronisches Gerät ohne eine geeignete Stromquelle. Als Stromquelle können im einfachsten Fall ein herkömmlicher Transformator und eine Diodenbrücke (Gleichrichter) mit Glättungskondensator dienen. Allerdings ist nicht immer ein Transformator für die benötigte Spannung vorhanden. Darüber hinaus kann eine solche Stromquelle nicht als stabilisiert bezeichnet werden, da die Spannung an ihrem Ausgang von der Spannung im Netzwerk abhängt.

Eine Möglichkeit, diese beiden Probleme zu lösen, ist beispielsweise der Einsatz vorgefertigter Stabilisatoren. Sie sind bequem zu verwenden, aber auch hier sind sie nicht immer zur Hand. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen parametrischen Stabilisator mit einer Zenerdiode und einem Transistor zu verwenden. Das Diagramm ist unten dargestellt.

Stabilisatorschaltung mit 1 Transistor

VD1-VD4 ist in diesem Diagramm eine reguläre Diodenbrücke, die Wechselspannung vom Transformator in Gleichspannung umwandelt. Der Kondensator C1 glättet Spannungsschwankungen und wandelt die Spannung von pulsierend in konstant um. Parallel zu diesem Kondensator lohnt es sich, einen Folien- oder Keramikkondensator mit geringer Kapazität zu installieren, um hochfrequente Wellen zu filtern Bei hohen Frequenzen erfüllt der Elektrolytkondensator seine Aufgabe nicht richtig. Die Elektrolytkondensatoren C2 und C3 in dieser Schaltung dienen demselben Zweck – der Glättung etwaiger Wellen.

Die R1-VD5-Kette dient zur Bildung einer stabilisierten Spannung, der Widerstand R1 darin stellt den Stabilisierungsstrom der Zenerdiode ein. Lastwiderstand R2. Der Transistor in dieser Schaltung absorbiert die gesamte Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, sodass eine ordentliche Wärmemenge über ihn abgeleitet wird. Diese Schaltung ist nicht für den Anschluss einer starken Last gedacht, dennoch sollte der Transistor mit Wärmeleitpaste mit dem Heizkörper verschraubt werden.

Die Spannung am Ausgang der Schaltung hängt von der Wahl der Zenerdiode und dem Wert der Widerstände ab. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den Nennwerten der Elemente zur Erzeugung einer Ausgangsspannung von 5, 6, 9, 12 und 15 Volt.

Anstelle des KT829A-Transistors können Sie importierte Analoga verwenden, beispielsweise TIP41 oder BDX53. Es ist zulässig, jede für Strom und Spannung geeignete Diodenbrücke einzubauen. Darüber hinaus können Sie es aus einzelnen Dioden zusammenbauen. So entsteht mit einem Minimum an Teilen ein funktionsfähiger Spannungsstabilisator, über den auch andere elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch versorgt werden können. Foto des Stabilisators, den ich zusammengebaut habe.

Es wird eine Technik zur vereinfachten Berechnung eines parametrischen Spannungsstabilisators unter Verwendung von Transistoren vorgestellt. Die Schaltung des einfachsten parametrischen Stabilisators mit einer Zenerdiode und einem Widerstand ist in Abbildung 1 dargestellt.

Einfacher parametrischer Spannungsstabilisator

Die Eingangsspannung Uin muss deutlich höher sein als die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode VD1. Und damit die Zenerdiode nicht ausfällt, wird der Strom durch sie durch einen konstanten Widerstand R1 begrenzt. Die Ausgangsspannung Uout entspricht der Stabilisierungsspannung der Zenerdiode, beim Ausgangsstrom ist die Situation jedoch komplizierter.

Tatsache ist, dass durch jede Zenerdiode ein bestimmter Betriebsstrombereich fließt. Beispielsweise beträgt der minimale Stabilisierungsstrom 5 mA und der maximale 25 mA. Wenn wir am Ausgang eines solchen Stabilisators eine Last anschließen, beginnt ein Teil des Stroms durch ihn zu fließen.

Und der Maximalwert dieses Stroms hängt sowohl vom Widerstand R1 als auch vom minimalen Stabilisierungsstrom der Zenerdiode ab – der maximale Laststrom wird um den minimalen Stabilisierungsstrom der Zenerdiode reduziert. Das heißt, es stellt sich heraus, dass der Strom, der der Last zugeführt werden kann, umso größer ist, je niedriger der Widerstand R1 ist. Gleichzeitig sollte der Strom durch R1 nicht größer sein als der maximale Stabilisierungsstrom der Zenerdiode.

Reis. 1. Schaltung des einfachsten parametrischen Stabilisators mit einer Zenerdiode und einem Widerstand.

Denn erstens benötigt die Zenerdiode einen gewissen Spielraum, um die Ausgangsspannung stabil zu halten, und zweitens kann die Zenerdiode ausfallen, wenn der maximale Stabilisierungsstrom überschritten wird, was passieren kann, wenn die Last ausgeschaltet ist oder in einem Modus arbeitet mit geringem Stromverbrauch.

Ein Stabilisator nach diesem Schema ist sehr ineffektiv und eignet sich nur für die Stromversorgung von Schaltkreisen, die einen Strom verbrauchen, der den maximalen Strom der Zenerdiode nicht überschreitet. Daher werden Stabilisatoren gemäß der Schaltung in Abb. 1 nur in Stromkreisen mit kleinem Laststrom verwendet.

Spannungsstabilisator mit einem Transistor

Wenn Sie einen mehr oder weniger hohen Laststrom bereitstellen und dessen Auswirkungen auf die Stabilität verringern müssen, müssen Sie den Ausgangsstrom des Stabilisators mithilfe eines Transistors erhöhen, der gemäß der Emitterfolgerschaltung angeschlossen ist (Abb. 2).

Reis. 2. Schaltung eines parametrischen Spannungsstabilisators mit einem Transistor.

Der maximale Laststrom dieses Stabilisators wird durch die Formel bestimmt:

In = (Ist - Ist.min)*h21e.

wo ist T. - durchschnittlicher Stabilisierungsstrom der verwendeten Zenerdiode, h21e - Stromübertragungskoeffizient der Basis des Transistors VT1.

Wenn wir beispielsweise eine Zenerdiode KS212Zh (durchschnittlicher Stabilisierungsstrom = (0,013-0,0001)/2 = 0,00645A) und einen Transistor KT815A mit h21 e - 40 verwenden, können wir laut Schaltung keinen Strom mehr vom Stabilisator erhalten in Abb. 2: ( 0,006645-0,0001)40 = 0,254 A.

Darüber hinaus müssen Sie bei der Berechnung der Ausgangsspannung berücksichtigen, dass diese 0,65 V niedriger ist als die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode, da der Siliziumtransistor um etwa 0,6–0,7 V abfällt (ca. 0,65 V).

Nehmen wir folgende Ausgangsdaten:

• Eingangsspannung Uin = 15V,
• Ausgangsspannung Uout = 12V,
• maximaler Strom durch die Last In = 0,5A.

Es stellt sich die Frage, was man wählen soll – eine Zenerdiode mit großem Durchschnittsstrom oder einen Transistor mit großem h21e?

Wenn wir einen KT815A-Transistor mit h21e = 40 haben, dann benötigen wir gemäß der Formel In = (Ist -Ist.min)h21e eine Zenerdiode mit einer Differenz zwischen dem Durchschnittsstrom und dem Mindeststrom von 0,0125 A. In Bezug auf die Spannung sollte sie 0,65 V größer sein als die Ausgangsspannung, also 12,65 V. Versuchen wir es im Nachschlagewerk zu finden.

Hier ist zum Beispiel eine Zenerdiode KS512A, ihre Stabilisierungsspannung beträgt 12 V, der minimale Strom beträgt 1 mA, der maximale Strom beträgt 67 mA. Das heißt, der durchschnittliche Strom beträgt 0,033 A. Im Allgemeinen ist es geeignet, aber die Ausgangsspannung beträgt nicht 12V, sondern 11,35V.

Wir brauchen 12V. Es bleibt entweder nach einer 12,65-V-Zenerdiode zu suchen oder den Spannungsmangel mit einer Siliziumdiode auszugleichen, indem man sie in Reihe mit der Zenerdiode schaltet, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3. Schematische Darstellung eines parametrischen Spannungsstabilisators, ergänzt durch eine Diode.

Jetzt berechnen wir den Widerstand R1:

R = (15 -12) / 0,0125 A = 160 Ohm.

Ein paar Worte zur Auswahl eines Transistors basierend auf Leistung und maximalem Kollektorstrom. Maximaler Kollektorstrom Ik.max. darf nicht kleiner als der maximale Laststrom sein. Das sind in unserem Fall nicht weniger als 0,5A.

Und die Leistung sollte das maximal zulässige Maß nicht überschreiten. Mit der folgenden Formel können Sie die Verlustleistung des Transistors berechnen:

Р=(Uin - Uout) * Iout.

In unserem Fall ist P= (15-12)*0,5=1,5W.

Somit ist Ik.max. Transistor muss mindestens 0,5 A und Pmax betragen. mindestens 1,5W. Der ausgewählte Transistor KT815A ist mit großem Spielraum geeignet (Ik.max.=1,5A, Pmax.=10W).

Zusammengesetzte Transistorschaltung

Sie können den Ausgangsstrom erhöhen, ohne den Strom durch die Zenerdiode zu erhöhen, indem Sie nur h21e des Transistors erhöhen. Dies kann erreicht werden, wenn man statt eines Transistors zwei in einer Verbundschaltung verbundene verwendet (Abb. 4). In einer solchen Schaltung entspricht die Summe von h21e ungefähr dem Produkt von h21e beider Transistoren.

Reis. 4. Schematische Darstellung eines Spannungsstabilisators auf Basis eines Verbundtransistors.

Der Transistor VT1 wird für niedrige Leistung und VT2 für Leistung und Strom entsprechend der Last verwendet. Alles wird ungefähr auf die gleiche Weise berechnet wie in der Schaltung in Abbildung 3. Aber jetzt haben wir zwei Siliziumtransistoren, sodass die Ausgangsspannung nicht um 0,65 V, sondern um 1,3 V sinkt.

Dies muss bei der Auswahl einer Zenerdiode berücksichtigt werden – ihre Stabilisierungsspannung (bei Verwendung von Siliziumtransistoren) sollte 1,3 V größer sein als die erforderliche Ausgangsspannung. Außerdem erschien der Widerstand R2. Sein Zweck besteht darin, die Blindkomponente des Transistors VT2 zu unterdrücken und eine zuverlässige Reaktion des Transistors auf Spannungsänderungen an seiner Basis sicherzustellen.

Das Ausmaß dieses Widerstands ist nicht allzu groß, sollte aber nicht über das Vertretbare hinausgehen. Üblicherweise wird etwa das Fünffache des Widerstands R1 gewählt.