3. Методика расчета полупроводникового параметрического

стабилизатора напряжения

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы напряжения имеют очень простую схему и используются для стабилизации небольших токов (до 200 мА) с относительно небольшим коэффициентом сглаживания пульсаций (до 100) и относительно высоким выходным сопротивлением (до десятков Ом). Параметрические стабилизаторы напряжения не дают возможность получать точное значение выходного напряжения, или регулировать его.

Основные параметры параметрического стабилизатора напряжения следующие:

1. Коэффициент стабилизации напряжения – это величина, которая показывает во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе меньше чем на входе при постоянном токе нагрузки:

, (3.1)

2. Коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение напряжения пульсаций на входе стабилизаторак напряжению пульсаций на его выходе:

, (3.2)

Для параметрических стабилизаторов коэффициент сглаживания пульсаций практически равен коэффициенту стабилизации.

Принцип действия полупроводниковых параметрических стабилизаторов напряжения основан на нелинейности вольтамперной характеристики кремниевых стабилитронов. Он представляет собой делитель напряжения, который состоит из балластного резистора и кремниевого стабилитрона. Нагрузка подключается к стабилитрону (рис.4).

Входными данными для расчета полупроводникового параметрического стабилизатора напряжения являются:

• выходное напряжение на нагрузке ;

• выходной ток нагрузки ;

• напряжение пульсаций на выходе стабилизатора ;

• коэффициент стабилизации .

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета полупроводникового параметрического стабилизатора напряжения следующая.

1. Находим сопротивление нагрузки:

, (3.3)

2. Согласно требуемым значениям выходного напряжения и выходного токас помощью приложения З выбирают необходимый тип кремниевого стабилитрона. Из этой таблицы для выбранного типа стабилитрона находят:

• минимальный и максимальный токи стабилизации стабилитрона ,;

• дифференциальное сопротивление стабилитрона ;

• максимальную мощность рассеивания стабилитрона .

3. Находим наибольший коэффициент стабилизации, которого можно достигнуть в данной схеме:

, (3.4)

где - заданное относительное уменьшение входного напряжения относительно номинального значения входного напряжения в %.

4. Находим напряжение на входе стабилизатора :

(3.5)

5. Находим значение сопротивления балластного резистора :

(3.6)

С помощью приложения Б выбираем номинальное значение этого резистора.

6. Находим мощность рассеивания балластного резистора:

. (3.7)

7. Находим максимальный ток, который протекает через стабилитрон :

. (3.8)

Полученное значение тока должно быть меньше чем максимально допустимый ток стабилитрона, т.е. . Иначе необходимо выбрать более мощный стабилитрон и повторить расчет.

8. Находим ток на входе стабилизатора :

. (3.9)

9. Находим максимальное напряжение пульсаций на входе стабилизатора :

. (3.10)

9. Находим мощность, которая выделяется на стабилитроне:

. (3.11)

Полученное значение мощности не должно превышать максимально допустимую мощность, которую может рассеять стабилитрон, т.е. .

11. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

12. Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.

4. Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собою систему автоматичного регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения напряжения на входе стабилизатора. Такие стабилизаторы дают возможность стабилизировать напряжение при больших токах нагрузки и значительных изменениях входного напряжения. Они имеют больший чем параметрические стабилизаторы коэффициент стабилизации напряжения и меньшее выходное сопротивление. Компенсационные стабилизаторы напряжения в данное время изготовляются в виде законченных ИМС. Параметры некоторых из них приведены в приложении 8. Схема включения таких стабилизаторов зависит от типа ИМС. Для стабилизаторов, которые рассчитываются, схема включения приведена на рис.5.

Входными данными для расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС являются:

• выходное напряжение на нагрузке ;

• выходной ток нагрузки ;

• амплитуда напряжения пульсаций на выходе стабилизатора ;

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС следующая.

1. Согласно приложению 8 по значению заданного выходного напряжения на нагрузке и заданного тока нагрузкивыбирают необходимый тип ИМС компенсационного стабилизатора. Для этой ИМС находят по таблице: коэффициент подавления пульсаций, величину опорного напряжения, величину тока управления, падение напряжения на регулирующем элементе ИМС, максимально допустимую мощность, которая рассеивается ИМС, тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусоми максимальную рабочую температуру р-п перехода.

2. Задаемся рекомендованным значением резистора в пределах 180-240 Ом, который выбирается согласно номинальному ряду значений (см. приложение 1).

3. Находим значение номинала резистора из выражения:

. (4.1)

4. Согласно приложению 1 выбирают ближайшее номинальное значение сопротивления резистора .

5. По выражению (1) рассчитывают уточненное значение выходного напряжения на нагрузке, которое не должно выходить за пределы заданного допуска . Иначе резисторделают с помощью параллельного или последовательного соединения двух резисторов с необходимым номинальным значением сопротивления.

6. Находим мощность рассеивания резисторов ,:

, (4.2)

. (4.3)

7. Далее с помощью приложения 1 выбирают номинальную мощность рассеивания этих резисторов.

8. Находим минимальное значение напряжения на входе стабилизатора:

. (4.4)

Выбираем конкретное значение этого напряжения.

9. Находим значение необходимого тока на входе стабилизатора:

. (4.5)

10. Определяем максимальную амплитуду напряжения пульсаций на входе стабилизатора из выражения:

. (4.6)

11. Выбираем значение номинала емкости конденсатора в пределах 1-100 мкФ согласно номинальному ряду (см. приложение 2).

12. Находим рабочее напряжение конденсатора :

. (4.7)

Выбираем согласно приложению 2 конденсатор с необходимой номинальной емкостью и рабочим напряжением.

13. Находим мощность, которая рассеивается не регулирующем элементе ИМС:

. (4.8)

Полученное значение должно быть меньше допустимой рассеиваемой мощности данной ИМС . Иначе необходимо выбрать более мощную ИМС компенсационного стабилизатора.

14. Определим тепловой режим работы ИМС. Для этого находим температуру р-п перехода ИМС во время работы схемы при температуре окружающей среды:

. (4.9)

Если рассчитанная температура р-п перехода во время работы ИМС не превышает предельную температуру р-п перехода, то данная ИМС может работать без дополнительного радиатора. В противном случае необходимо использование дополнительного радиатора с тепловым сопротивлением не более:

. (4.10)

В этом случае по расчету выбирается нужное тепловое сопротивление радиатора.

15. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

• напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

• напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

4. Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.