Стабилизаторы напряжения и их расчёт

В этой статье пойдёт речь о стабилизаторах постоянного напряжения на полупроводниковых приборах. Рассмотрены наиболее простые схемы стабилизаторов напряжения, принципы их работы и правила расчёта. Изложенный в статье материал полезен для конструирования источников вторичного стабилизированного питания.

      Начнём с того, что для стабилизации любого электрического параметра должна быть схема слежения за этим параметром и схема управления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо наличие "эталона", с которым стабилизируемый параметр сравнивается. Если в ходе сравнения оказывается, что параметр больше эталонного значения, то схема слежения (назовём её схемой сравнения) даёт команду на схему управления "уменьшить" значение параметра. И наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то схема сравнения даёт команду на схему управления "увеличить" значение параметра. На этом принципе работают все схемы автоматического управления всех устройств и систем, которые нас окружают, от утюга, до космического аппарата, разница лишь в способе контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилизатор напряжения.
      Структурная схема такого стабилизатора изображена на рисунке.
      Работу стабилизатора можно сравнить с регулировкой воды, бегущей из водопроводного крана. Человек подходит к крану, открывает его, а потом, наблюдая за потоком воды, регулирует его подачу в большую, или меньшую сторону, добиваясь оптимального для себя потока. Сам человек выполняет функцию схемы сравнения, в качестве эталона выступает представление человека о том, какой поток воды должен быть, а в качестве схемы управления выступает водопроводный кран, который управляется схемой сравнения (человеком). Если человек изменит своё представление об эталоне, решив, что поток воды, бегущий из крана недостаточный, то он откроет его больше. В стабилизаторе напряжения точно так же. Если у нас появляется желание изменить выходное напряжение, тогда мы можем изменить эталонное (опорное) напряжение. Схема сравнения, заметив изменение эталонного напряжения, самостоятельно изменит и выходное напряжение.
      Резонным будет вопрос: Зачем нам такое нагромождение схем, если можно на выходе использовать источник уже "готового" эталонного напряжения? Дело в том, что источник эталонного (далее по тексту – опорного) напряжения – слаботочный (низкоамперный), поэтому не способен питать мощную (низкоомную) нагрузку. Такой источник опорного напряжения можно использовать в качестве стабилизатора для питания схем и устройств, потребляющих малый ток – КМОП-микросхем, слаботочных усилительных каскадов и др.
      Схема источника опорного напряжения (слаботочного стабилизатора) изображена ниже. По своей сути – это специальный делитель напряжения, отличие его в том, что в качестве второго резистора используется специальный диод – стабилитрон. В чём особенность стабилитрона? Простыми словами, стабилитрон, это такой диод, который в отличие от обычного выпрямительного диода, при достижении определённого значения обратно приложенного напряжения (напряжения стабилизации) пропускает ток в обратном направлении, а при его дальнейшем повышении, уменьшая своё внутреннее сопротивление, стремится удержать его на определённом значении.
      На вольтамперной характеристике (ВАХ) стабилитрона режим стабилизации напряжения изображен в отрицательной области прикладываемого напряжения и тока.
      По мере увеличения обратного напряжения, прикладываемого к стабилитрону, он сначала "сопротивляется" и ток, протекающий через него минимален. При определённом напряжении, ток стабилитрона начинает увеличиваться. Достигается такая точка вольтамперной характеристики (точка 1), после которой дальнейшее увеличение напряжения на делителе "резистор – стабилитрон" не вызывает увеличения напряжения на p-n переходе стабилитрона. На этом участке ВАХ происходит увеличение напряжения лишь на резисторе. Ток, проходящий через резистор и стабилитрон продолжает расти. От точки 1, соответствующей минимальному току стабилизации, до определённой точки 2 вольтамперной характеристики, соответствующей максимальному току стабилизации стабилитрон работает в требуемом режиме стабилизации (зелёный участок ВАХ). После точки 2 вольтамперной характеристики стабилитрон теряет свои "полезные" свойства, начинает греться и может выйти из строя. Участок от точки 1 до точки 2 является рабочим участком стабилизации, на котором стабилитрон выступает в качестве регулятора.
      Зная, как рассчитывается простейший делитель напряжения на резисторах можно элементарно рассчитать цепь стабилизации (источник опорного напряжения). Как и в делителе напряжения, в цепи стабилизации протекают два тока – ток делителя (стабилизатора) I_ст и ток нагрузочной цепи I_нагр . В целях "качественной" стабилизации последний должен быть на порядок меньше первого.
      Для расчётов цепи стабилизации используются значения параметров стабилитронов, публикуемые в справочниках:

• Напряжение стабилизации U_ст;
• Ток стабилизации I_ст (обычно - средний);
• Минимальный ток стабилизации I_ст.min;
• Максимальный ток стабилизации I_ст.max.

      Для расчёта стабилизатора, как правило, используются только два первых параметра - U_ст , I_ст , остальные применяются для расчёта схем защиты по напряжению, в которых возможно значительное изменение входного напряжения.
      Для повышения напряжения стабилизации можно использовать цепочку из последовательно соединённых стабилитронов, но для этого, допустимый ток стабилизации таких стабилитронов должен быть в пределах параметров I_ст.min и I_ст.max , иначе существует вероятность выхода стабилитронов из строя.

      Следует добавить, что простые выпрямительные диоды также обладают свойствами стабилизации обратно приложенного напряжения, только значения напряжений стабилизации лежат на более высоких значениях обратно приложенного напряжения. Значения максимального обратно приложенного напряжения выпрямительных диодов обычно указывается в справочниках, а напряжение при котором проявляется явление стабилизации обычно выше этого значения и для каждого выпрямительного диода, даже одного типа, различно. Поэтому, используйте выпрямительные диоды в качестве стабилитрона высоковольтного напряжения только в самом крайнем случае, когда не сможете найти необходимый Вам стабилитрон, или сделать цепочку из стабилитронов. В этом случае, напряжение стабилизации определяется экспериментально. Необходимо соблюдать осторожность при работе с высоким напряжением.

Порядок расчёта стабилизатора напряжения (источника опорного напряжения)
      Расчет простейшего стабилизатора напряжения мы проведём с рассмотрением конкретного примера.
Исходные, предъявляемые к схеме параметры:       1. Входное напряжение делителя - U_вх (может быть стабилизированным, а может и нет). Допустим, что U_вх = 25 вольт;
      2. Выходное напряжение стабилизации - U_вых (опорное напряжение). Допустим, что нам необходимо получить U_выx = 9 вольт. Решение:       1. Исходя из необходимого напряжения стабилизации, по справочнику подбирают необходимый стабилитрон. В нашем случае это Д814В.
      2. Из таблицы находят средний ток стабилизации - I_ст . По таблице он равен 5 мА.
      3. Вычисляют напряжение, падающее на резисторе - U_R1, как разность входного и выходного стабилизированного напряжения. U_R1 = U_вx - U_выx    --->    U_R1 = 25 – 9 = 16 вольт       4. По закону Ома делят это напряжение на ток стабилизации, протекающий через резистор, и получают значение сопротивления резистора. R1 = U_R1 / I_ст    --->    R1 = 16 / 0,005 = 1200 Ом = 3,2 кОм       Если полученного значения нет в резистивном ряде, выберите ближайший по номиналу резистор. В нашем случае это резистор номиналом 3,3 кОм.
      5. Вычисляют минимальную мощность резистора, помножив падение напряжения на нём на протекающий ток (ток стабилизации). Р_R1 = U_R1 * I_ст    --->    Р_R1 = 16 * 0,005 = 0,08 Вт       Учитывая, что через резистор кроме тока стабилитрона протекает ещё и выходной ток, поэтому выбирают резистор, мощностью не менее, чем в два раза больше вычисленной. В нашем случае это резистор мощностью не меньшей 0,16 Вт. По ближайшему номинальному ряду (в большую сторону) это соответствует мощности 0,25 Вт.

      Вот и весь расчёт.
      Как было написано ранее, простейшую цепочку стабилизатора постоянного напряжения можно использовать для питания схем, в которых используют малые токи, а для питания более мощных схем они не годятся.
      Одним из вариантов повышения нагрузочной способности стабилизатора постоянного напряжения является использование эмиттерного повторителя. На схеме изображён каскад стабилизации на биполярном транзисторе. Транзистор "повторяет" приложенное к базе напряжение.
      Нагрузочная способность такого стабилизатора возрастает на порядок. Недостатком такого стабилизатора, как и простейшей цепочки состоящей из резистора и стабилитрона, является невозможность регулировки выходного напряжения.
      Выходное напряжение такого каскада будет меньше напряжения стабилизации стабилитрона на значение падения напряжения на p-n переходе "база – эмиттер" транзистора. Для кремниевого транзистора оно равно – 0,6 … 0,7 вольта, для германиевого транзистора – 0,2 … 0,3 вольта. Обычно грубо считают – 0,65 вольта и 0,25 вольта.
      Поэтому, например при использовании кремниевого транзистора, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет на 0,65 вольта меньше, т.е – 8,35 вольта.
      Если вместо одного транзистора использовать составную схему включения транзисторов, то нагрузочная способность стабилизатора возрастёт ещё на порядок. Здесь также, как и в предыдущей схеме следует учитывать уменьшение выходного напряжения за счёт его падения на p-n переходах "база – эмиттер" транзисторов. В данном случае, при использовании двух кремниевых транзисторов, напряжении стабилизации стабилитрона равном 9 вольт, выходное напряжение будет уже на 1,3 вольта меньше (по 0,65 вольт на каждый транзистор), т.е – 7,7 вольта. Поэтому, при проектировании подобных схем необходимо учитывать такую особенность и подбирать стабилитрон с учётом потерь на переходах транзисторов.
      Резистор R2 необходим для "гашения" реактивной (емкостной и индуктивной) составляющей транзистора VT2, оказывающей паразитное влияние на работу транзистора, и обеспечивает надёжное его реагирование на входное воздействие. Чем меньше сопротивление резистора, тем меньше паразитное влияние, но слишком малое сопротивление может привести к тому, что транзистор VT2 окажется закрытым и в качестве регулирующего элемента окажется только транзистор VT1. Практически, на схемах стабилизаторов, значение резистора R2 рассчитывают редко. Бывает, радиолюбители даже ставят такие номиналы, которые противоречат нормальной работе схем, а сами радиолюбители даже об этом не подозревают. Поэтому его значение подбирают исходя из максимального расчётного нагрузочного тока. Через этот резистор должен протекать ток, приблизительно в 50 раз меньше максимального нагрузочного тока стабилизатора. Цифра 50 - это усреднённое значение коэффициента передачи силовых транзисторов, работающих в режиме больших токов. Сопротивление резистора определяется по закону Ома. Значение падения напряжения на переходе "база – эмиттер", (для кремниевого транзистора – 0,65 вольт) делится на максимальный ток нагрузки стабилизатора (например 2,5 ампер). Полученное значение умножается на 50. Если Вы используете составные транзисторы, то это значение может быть больше на 1 - 2 порядка (не 50, а 500...5000).

R2 = U_R2 / Iст.max * 50    --->    R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ом       Рассчитанное таким образом сопротивление позволяет более эффективно гасить реактивную составляющую выходного транзистора и полноценно использовать мощностные способности обоих транзисторов. Не забывайте производить расчёт требуемой мощности резисторов, иначе всё сгорит в неподходящий момент. Выход из строя резистора R2 может привести к выходу из строя транзисторов и того, что Вы подключите в качестве нагрузки.       В следующей статье мы рассмотрим компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия. В нём используется принцип контроля выходного напряжения мостовой схемой. Он обладает меньшей пульсацией выходного напряжения, чем "эмиттерный повторитель", кроме того, он позволяет регулировать выходное напряжение в небольших пределах. На его основе будет рассчитана простая схема стабилизированного блока питания.