Расчет параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Примеры применения стабилизатора LM338 (схемы включения)

Следующие примеры продемонстрируют вам несколько очень интересных и полезных схем питания построенных с помощью LM338.

Простой регулируемый блок питания на LM338

Данная схема — типовое подключение обвязки LM338. Схема блока питания обеспечивает регулируемое выходное напряжение от 1,25 до максимума подаваемого входного напряжения, которое не должно быть более 35 вольт.

Переменный резистор R1 используется для плавного регулирования выходного напряжения.

Простой 5 амперный регулируемый блок питания

Эта схема создает выходное напряжение, которое может быть равно напряжению на входе, но ток хорошо изменяется и не может превышать 5 ампер. Резистор R1 точно подобран таким образом, чтобы поддерживать безопасные 5 ампер предельного тока ограничения, которые могут быть получены из цепи.

Регулируемый блок питания на 15 ампер

Как уже было сказано ранее микросхема LM338 в одиночку может осилить только 5А максимум, однако, если необходимо получить больший выходной ток, в районе 15 ампер, то схема подключения может быть модифицирована следующим образом:

В данном случае используются три LM338 для обеспечения высокой токовой нагрузки с возможностью регулирования выходного напряжения.

Переменный резистор R8 предназначен для плавной регулировки выходного напряжения

Источник питания с цифровым управлением

В предыдущей схеме источника питания, для осуществления регулировки напряжения использовался переменный резистор. Ниже приведенная схема позволяет посредством цифрового сигнала подаваемого на базы транзисторов получать необходимые уровни выходного напряжения.

Величина каждого сопротивления в цепи коллектора транзисторов подобрана в соответствии с необходимым выходным напряжением.

Схема контроллера освещения

Кроме питания, микросхема LM338 также может быть использована в качестве светового контроллера. Схема показывает очень простую конструкцию, где фототранзистор заменяет резистор, который используется в качестве компонента для регулировки выходного напряжения.

Лампа, освещенность которой необходимо держать на стабильном уровне, питается от выхода LM338. Ее свет падает на фототранзистор. Когда освещенность возрастает сопротивление фоторезистора падает и выходное напряжение уменьшается, а это в свою очередь уменьшает яркость лампы, поддерживая ее на стабильном уровне.

Зарядное устройство 12В на LM338

Следующую схему можно использовать для зарядки 12 вольтовых свинцово-кислотных аккумуляторов. Резистором R* можно задать необходимый ток зарядки для конкретного аккумулятора.

Путем подбора сопротивления R2 можно скорректировать необходимое выходное напряжение в соответствии с типом аккумулятора.

Схема плавного включения (мягкий старт) блока питания

Некоторые чувствительные электронные схемы требуют плавного включения электропитания. Добавление в схему конденсатора С2 дает возможность плавного повышения выходного напряжения до установленного максимального уровня.

Для схемы «»МЯГКАЯ» НАГРУЗКА В ЭЛЕКТРОСЕТИ»

Электропитание»МЯГКАЯ» НАГРУЗКА В ЭЛЕКТРОСЕТИ При подключении и отключении нагрузки в электросети нередко возникают помехи, которые нарушают нормальную работу чувствительных электронных приборов и электрических систем. Устройство, схема которого показана на рис. 1, реализует «мягкое» подключение и отключение нагрузки. =МЯГКАЯ НАГРУЗКА В ЭЛЕКТРОСЕТИPuc.1При замыкании контактов выключателя SA1 в процессе зарядки конденсатора С1 (через резистор R1), транзистор VT1 постепенно открывается и ток коллектора плавно нарастает до значения, определяемого соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Соответственно плавно возрастает и ток в нагрузке. При выключении конденсатор разряжается через резистор R2 и переход база-эмиттер транзистора. Ток нагрузки плавно снижается до нуля. При указанных на схеме значениях элементов и мощности нагрузки 200 Вт длительность процесса включения составляет 0,1 с, выключения — 0,5с. Потери напряжения в этом устройстве относительно небольшие, они определяются суммой прямого падения на двух диодах и участке коллектор — эмиттер работающего транзистора, которое приблизительно составляет: Uce(B)=0,7+R1*Iн/h21э В зависимости от тока нагрузки и коэффициента передачитока базы транзистора следует подобрать резистор R) таким образом, чтобы падение напряжения на транзисторе и мощность рассеяния на нем поддерживались бы в включенном состоянии на допустимом уровне. Схемы стрелочных индикаторов мощности =МЯГКАЯ НАГРУЗКА В ЭЛЕКТРОСЕТИPuc.2В варианте устройства, изображенном на рис. 2, предусмотрена броня от перегрузок и коротких замыканий. При превышениитока установленной величины падение напряжения на резисторе R5 открывает транзистор VT2 и его коллекторный переход блокирует транзистор VT1. Ток, при котором срабатывает броня, можно определить из соотноше… Смотреть описание схемы …

Последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе

Последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе – это по сути параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключенный ко входу эммитерного повторителя.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона за счет падения напряжения на переходе база-эммитер транзистора (для кремниевых транзисторов – около 0,6 вольт, для германиевы – окло 0,25 вольт), что нужно учитывать при выборе стабилитрона. Эммитерный повторитель (он же – усилитель тока) позволяет увеличить максимальный ток стабилизатора напряжения по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне в β (h_21э) раз (где β (h21э) – коэффициент усиления по току данного транзистора, берется наименьшее значение).

Схема последовательного стабилизатора на биполярном транзисторе:

Так-как данный стабилизатор состоит из двух частей – источник опорного напряжения (он же параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне) и усилителя тока на транзисторе (он же эммитерный повторитель), то расчет такого стабилизатора производится аналогично выше приведенному примеру.Единственное отличие:- к примеру нам надо получить ток нагрузки 50 мА, тогда выбираем транзистор с коэффициентом усиления β (h_21э) не менее 10 (β (h_21э)=Iнагрузки/Iст=50/5=10 – мощность балластного резистора рассчитываем по формуле: Ррез=Uпад*(Iст+Iнагрузки)

Ток нагрузки можно увеличить еще в несколько раз, если применить схему с составным тразистором (два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи):

Вот, в принципе, и все.

Алгоритм и основные ошибки.

Как правильно определить необходимую мощность стабилизатора напряжения? – данный вопрос уже неоднократно рассматривался в опубликованных на нашем сайте статьях. Однако мы вернёмся к нему ещё раз, так как мощность – один из важнейших параметров любого стабилизатора и если она определена неверно, то прибор, независимо от топологии, точности и быстродействия, не сможет нормально функционировать и не справится со своими задачами:

стабилизатор с выходной мощностью меньше необходимой будет постоянно отключаться или вообще не запустится, а возможно и выйдет из строя;
приобретение устройства с мощностью, намного превышающей требуемое значение, – бесполезная трата средств. Прибор в процессе работы будет недозагружен, что снизит его КПД.

Для определения актуальной мощности стабилизатора рекомендуем действовать по следующему алгоритму: 1) выяснить мощность нагрузки; 2) к значению мощности, потребляемой нагрузкой, прибавить запас; 3) по итоговой величине подобрать подходящую модель стабилизатора. В этой статье мы разберем три указанных пункта и проанализируем наиболее распространённые ошибки, сопутствующие каждому из них.

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 .

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.

Результат:

В итоге у нас получился качественный и недорогой светодиодный светильник сделанный своими руками с питанием от 220 вольт. К достоинствам такого решения отнесем простоту изготовления, высокую яркость свечения со световым потоком от 3200 до 3600 люмен, высокий срок службы – 100 000 часов (на протяжении этого срока светильник не потребует технического обслуживания), низкое энергопотребление (в два с лишним раза снизили по сравнению с люминесцентным), экологическую безопасность, мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения, широкий температурный диапазон от -40 до +85 °С работы, отсутствие вредного стробоскопического эффекта и товарный внешний вид. Если 3200 или 3600 Лм для вас много, то можно убрать одну и собрать светильник на трех светодиодных линейках, что даст 2700 Лм – это в свою очередь приведет к дополнительному удешевлению цены светодиодного светильника. Мы приходим к выводу, что очень выгодно сделать светильник своими руками.

Принципы работы и виды стабилизаторов напряжения

Первый этап выбора стабилизатора напряжения для дачи или частного дома – определить вид устройства.

На рынке представлены три разновидности конструктивных решений:

Релейные.
Сервоприводные.
Электронные.

Релейные

Самый простой принцип стабилизации – трансформаторный. Он знаком каждому со школьной скамьи. Меняя количество активных витков во вторичной обмотке трансформатора, мы получим на его выходе напряжение заданной величины. Так работает релейный стабилизатор.

При повышении или понижении напряжения в первичной обмотке реле подключают или отключают из цепи часть вторичных обмоток. В итоге мы получаем стабильное электропитание, необходимое для большинства бытовых приборов.

К минусам релейных устройств можно отнести:

Невысокую точность регулирования (в среднем 8%).
Ступенчатый принцип стабилизации (в момент переключения обмоток уменьшается яркость освещения).

Достоинств у таких приборов больше, чем недостатков:

Низкая цена.
Длительный срок службы (до 10 лет).
Допустимость перегрузки (110% от номинальной).
Широкий диапазон регулирования (от 140 до 270 Вольт).
Бесшумность в работе.
Небольшие габариты.

Сервоприводные

Здесь в основу работы также положен принцип изменения количества активных витков во вторичной обмотке трансформатора. Однако, вместо реле эту задачу выполняет миниатюрный электромоторчик, оснащенный сервоприводом. Именно он перемещает бегунок по обмоткам.

Положительные качества сервоприводных устройств таковы:

более высокая по сравнению с релейными стабилизаторами точность регулировки – 2-3%;
доступная цена.

К минусам таких приборов относятся:

замедленная реакция на скачки напряжения (1-2 секунды);
наличие подвижный частей (невысокий механический ресурс);
повышенный уровень шума.

Кто-то скажет, что 2 секунды на переключение это немного. Однако, этого промежутка времени достаточно для того, чтобы чувствительная электроника вышла из строя. Поэтому в частном доме, где есть большая индуктивная нагрузка (стиральные машины, холодильники, кондиционеры, насосы) такие приборы ставить не рекомендуется.

Основное распространение сервоприводные стабилизаторы получили там, где работают недорогие электрические устройства или включение потребителей энергии происходит не часто.

Электронные

Это самый современный вид защитных аппаратов. Здесь обмотки переключают не реле и не серводвигатели, а электронные «ключи» (тиристоры или симисторы). Скорость их реакции очень высокая (8-20 миллисекунд), поэтому качество защиты бытовой техники от скачков напряжения максимальная.

Работают эти приборы бесшумно и надежно. О классе тиристорного стабилизатора можно судить по количеству ступеней регулирования (от 9 до 32). Чем их больше, тем точнее держит прибор заданное напряжение. Класс точности электронных устройств достигает 1,5%. Это значит, что отклонения напряжения на их выходе не превышает 220 В * 0,015= 3,3 В.

Для дорогой бытовой техники точность стабилизации – главный фактор безопасности. Отличные технические характеристики имеют свою цену, поэтому электронные устройства дороже механических.

Расчёт параметрического стабилизатора

Для вычислений рабочих параметров применяют следующие формулы:

с учетом деления напряжения разницу потенциалов на отдельных компонентах определяют следующим образом: Uвх = Uн + I*Rогр = Uн + (Iст + Iн)*Rогр;
для поддержания стабильного напряжения необходимо поддерживать допустимую силу тока в соответствии с ограничениями по ВАХ (Imin, Imax);
с учетом отмеченных принципов определяют номинал ограничительного сопротивления: Rогр = (Uвх min – Uст min)/ (In max + Iст min);
функциональный диапазон схемы параметрического стабилизатора уточняют по допустимому диапазону изменения входного напряжения: ΔUвх = Uвх max – Uвх min = Uст max + ((Iст max + In min) * Rогр – (Ucт min + (In max + I cт min) * Rогр);
для упрощения можно применить математическое преобразование формулы: ΔUвх = (Uст max – Uст min) + (Iст max – I ст min) * Rогр – (In max – In min) * Rогр;
с учетом сделанного разделения: ΔUвх = ΔUст +ΔIст * R огр + ΔIn * Rогр;
если ток в нагрузке не изменяется: ΔUвх = ΔIст * R огр;
энергетическую эффективность созданного устройства рассчитать можно с учетом потерь: КПД = (Uст*In)/(Uвх * Iвх) = (Uст/Uвх)/(1+Iст/In).

К сведению. Последняя формула объясняет увеличение энергетических затрат при повышении разницы между напряжением на входе и выходе. Аналогичное условие соблюдается при прохождении большего тока через полупроводниковый прибор.

Исходные данные определяют по параметрам источника питания (нагрузки). В соответствии с результатами вычислений подбирают подходящий ограничительный резистор и стабилитрон. Располагать компоненты нужно в соответствии с показанной на рисунке схемой.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001 )/2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001)40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

Входное напряжение Uвх = 15V,
выходное напряжение Uвых = 12V,
максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин)h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А. По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 160 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллекто-ра. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р=(Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р= (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Алгоритм и основные ошибки.

стабилизатор с выходной мощностью меньше необходимой будет постоянно отключаться или вообще не запустится, а возможно и выйдет из строя;
приобретение устройства с мощностью, намного превышающей требуемое значение, – бесполезная трата средств. Прибор в процессе работы будет недозагружен, что снизит его КПД.

Монтаж щитка для загородного строения

Устанавливаем с помощью саморезов Din рейки, на которые будет крепиться все оборудование. Они должны иметь размер 35 мм .
Приступаем к установке оборудования согласно заранее сделанной схеме и расчетам. монтируем автоматы, УЗО и две отдельные шины, к которым подключается заземление и ноль, устанавливаем прибор учета.
Подключаем фазные провода, с помощью специальной шины соединяем автоматы. Согласно общим правилам подключения таких устройств, вход должен быть сверху, а выход снизу.
Монтируем защитные крышки, подписываем для удобства все автоматы.
Затем их соединяем специальной гребенкой или делаем перемычки из провода. Если вы собираетесь использовать гребенку, то помните, что сечение ее жилы должно быть не меньше 10 мм/кв .
Заводим провода от потребителей в автоматы.

Узнайте из данного видео, как правильно собрать электрощиток в частном доме на 220 В:

Из следующего видео вы узнаете, как сделать трехфазный электрощиток на 380 В в частном доме:

После того, как вы собрали щиток, не закрывая, включите его на несколько часов, а затем проверьте температуру всех элементов .

Не допустите плавления изоляции, иначе в дальнейшем произойдет короткое замыкание.

При тщательном последовательном подходе и соблюдении правил электробезопасности собрать ВРУ самостоятельно под силу каждому. хотя и придется повозиться. Закончив установку остается лишь дождаться представителей электросетевой компании, которые проверят вашу схему и организуют подключение.