Как известно, ни одно электронное устройство не работает без подходящего источника питания. В самом простейшем случае, в качестве источника питания может выступать обычный трансформатор и диодный мост (выпрямитель) со сглаживающим конденсатором. Однако, не всегда под рукой есть трансформатор на нужное напряжение. Да и тем более, такой источник питания нельзя назвать стабилизированным, ведь напряжение на его выходе будет зависеть от напряжения в сети.
Вариант решения этих двух проблем – использовать готовые стабилизаторы, например, 78L05, 78L12. Они удобны в использовании, но опять-таки не всегда есть под рукой. Ещё один вариант – использовать параметрический стабилизатор на стабилитроне и транзисторе. Его схема показана ниже.

Схема стабилизатора

VD1-VD4 на этой схеме – обычный диодный мост, преобразующий переменное напряжение с трансформатора в постоянное. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения, превращая напряжение из пульсирующего в постоянное. Параллельно этому конденсатору стоит поставить плёночный или керамический конденсатор небольшой ёмкости для фильтрации высокочастотных пульсаций, т.к. при большой частоте электролитический конденсатор плохо справляется со своей задачей. Электролитические конденсаторы С2 и С3 в этой схеме стоят с этой же целью – сглаживание любых пульсаций. Цепочка R1 – VD5 служит для формирования стабилизированного напряжения, резистор R1 в ней задаёт ток стабилизации стабилитрона. Резистор R2 нагрузочный. Транзистор в этой схеме гасит на себе всю разницу входного и выходного напряжения, поэтому на нём рассеивается приличное количество тепла. Данная схема не предназначена для подключения мощной нагрузки, но, тем не менее, транзистор стоит прикрутить к радиатору с использованием теплопроводящей пасты.
Напряжение на выходе схемы зависит от выбора стабилитрона и значения резисторов. Ниже показана таблица, в которой указаны номиналы элементов для получения на выходе 5, 6, 9, 12, 15 вольт.

Вместо транзистора КТ829А можно использовать импортные аналоги, например, TIP41 или BDX53. Диодный мост допустимо ставить любой, подходящий по току и напряжению. Кроме того, можно собрать его из отдельных диодов. Таким образом, при использовании минимума деталей получается работоспособный стабилизатор напряжения, от которого можно питать другие электронные устройства, потребляющие небольшой ток.

Фото собранного мной стабилизатора:

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно:-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока , напряжение , частота сигнала и . Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение . От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон . Иногда его еще называют диодом Зенера . На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод , а другой вывод – анод .

Стабилитроны выглядят также, как и диоды . На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и ! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим 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.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin – это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения . В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного . Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт. Выбирайте на ваш вкус и цвет.

До недавнего времени для питания маломощных каскадов радиоэлектронной аппаратуры использовались параметрические стабилизаторы напряжения. Сейчас намного дешевле и эффективней применить малошумящие компенсационные стабилизаторы, подобные ADP3330 или ADM7154. Тем не менее в ряде уже производящейся аппаратуры уже применены параметрические стабилизаторы, поэтому необходимо уметь их расчитывать. Наиболее распространенная схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема параметрического стабилизатора

На данном рисунке приведена схема стабилизатора положительного напряжения. Если требуется стабилизировать отрицательное напряжение, то стабилитрон ставится в противоположном направлении. Напряжение стабилизации полностью определяется типом стабилитрона.

Расчет стабилизатора таким образом сводится к расчету резистора R 0 . Прежде чем начинать его расчет следует определиться с основным дестабилизирующим фактором:

• входное напряжение;
• ток потребления.

Нестабильное входное напряжение при стабильном токе потребления присутствует обычно в источниках опорного напряжения для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Для параметрического стабилизатора, питающего определенный узел аппаратуры, приходится учитывать изменение выходного тока. В приведенной на рисунке 1 схеме при постоянном входном напряжении ток I всегда будет стабильным. Если нагрузка будет потреблять меньше тока, то его излишки уйдут в стабилитрон.

I = I ст + I н (1)

Поэтому максимальный ток нагрузки не может превышать максимальный ток стабилитрона. Если входное напряжение не будет постоянным (а эта ситуация очень распространена), то допустимый диапазон изменения тока нагрузки дополнительно уменьшается. Сопротивление резистора R 0 расчитывается по закону Ома. При расчете используется минимальное значение входного напряжения.

(2)

Максимальный диапазон изменения входного напряжения можно определить по закону Киргофа. После небольших преобразований его можно свести к следующей формуле:

(3)

Таким образом расчет параметрического стабилизатора достаточно прост. Именно это и составляет его привлекательность. Однако при выборе типа стабилизатора следует иметь в виду то обстоятельство, что стабилитрон (но не стабистор) является источником шума. Поэтому описанный стабилизатор не следует применять в ответственных блоках радиоаппаратуры. Еще раз подчеркну, что при проектировании новой аппаратуры в качестве вторичного источника питания лучше подойдут малогабаритные малошумящие компенсационные стабилизаторы, такие как ADP7142.

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне (http://www.radiohlam.ru/)

Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.

Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):

Стабилизатор тока

В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:

Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током I ст (смотри рисунок выше а ). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:

При этом на нагрузке будет напряжение I ст R н. За этими данными подсчитывают значения U вх, которое нужно приложить к стабилизатору:

На этом и завершается расчет стабилизатора тока.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:

По заданному значению U ст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют I min и I max . По этим данным подсчитывают ток I ст = (I min + I max)/2. Общий ток I вх равен I ст + U ст/ R н. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке U ст = I ст R н при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе U вх выбирают процентов на 20 выше чем U ст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе R б, величину которого найдем по формуле:

Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:

При K ст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше K ст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.

У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.

Параметрическим стабилизатором называется устройство, в котором выходное напряжение или ток поддерживается на уровне заданного значения за счет параметров радиоэлектронных элементов. В них используются нелинейные свойства характеристик (вольтамперных, ампервольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.). В качестве примера таких приборов можно назвать такие электронные элементы, как стабилитроны, терморезисторы, дроссели насыщения и т.д.

Параметрические стабилизаторы могут стабилизировать постоянное или переменное напряжение, однако и в том и в другом случае они обладают достаточно плохими параметрами. В старой аппаратуре они применялись из-за простой, и, следовательно, дешевой схемы. В настоящее время практически вытеснены интегральными компенсационными стабилизаторами или источниками бесперебойного питания. Тем не менее, для того, чтобы понять, как работают компенсационные и напряжения необходимо знать принципы работы параметрического стабилизатора.

В качестве примера параметрических стабилизаторов рассмотрим стабилизаторы напряжения. В них обычно используются полупроводниковые стабилитроны, которые работают в области электрического пробоя на обратном участке вольтамперной характеристики. Поэтому стабилитрон включается в обратном направлении. Выход из строя данного диода не происходит из-за того, что ток, протекающий через диод, ограничивается внешним резистором. Классическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Cхема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Мы обсудим в следующей статье, а сейчас подробнее рассмотрим параметры стабилитрона. Пример его вольтамперной характеристики приведен на рисунке 2

Рисунок 2. Вольтамперная характеристика стабилитрона

В параметрах стабилитрона приводится минимальный ток стабилизации, при котором начинается пробой и максимальный ток стабилизации, при котором еще не происходит разрушение pn-перехода за счет его теплового нагрева. Основными параметрами стабилитрона являются:

• напряжение стабилизации U ст и пределы его изменения ΔU ст;
• номинальный ток I ном и пределы его изменения I ст min ... I ст max ;
• максимальная допустимая мощность рассеивания P доп = U ст ×I ст max ;
• дифференциальное сопротивление на рабочем участке r d ;
• температурный коэффициент напряжения (ТКН) α T .

Наиболее важным параметром стабилитрона является его напряжение стабилизации . Стабилитроны производят на напряжение от 3 до 400 В. Оно зависит от толщины p-n перехода. При этом в зависимости от толщины перехода пробой бывает лавинным или туннельным. Если требуется стабилизировать напряжение меньше трех вольт, то применяются стабисторы. У них для стабилизации используется прямая ветвь амплитудно-частотной характеристики. Поэтому схема параметрического стабилизатора напряжения меняется. Она приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема параметрического стабилизатора на стабисторе

Дифференциальное сопротивление стабилитрона обычно определяется омическим сопротивлением полупроводника. По вольтамперной характеристике его можно определить следующим образом:

(1)

Именно дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет зависимость выходного напряжения параметрического стабилизатора от тока потребления нагрузки.

Не менее важным параметром является температурный коэффициент напряжения . Полупроводниковые диоды очень чувствительны к температуре и их вольтамперная характеристика смещается при нагреве. Пример изменения вольтамперной характеристики стабилитрона приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение вольтамперной характеристики под воздействием температуры

Для полупроводникового диода, который используется в качестве стабилизатора, ТКН α T = 0,1% на градус Цельсия. Для прецизионных стабилизаторов напряжения это слишком большая величина. В то же самое время, отрицательный или положительный будет ТКН зависит от типа пробоя. При напряжении стабилизации меньше 6,2 В он отрицательный, а при напряжении стабилизации больше этого значения — положительный. Поэтому прецизионные стабилитроны выполняются на это напряжение. При несколько большем напряжении можно воспользоваться прямой ветвью вольтамперной характеристики, где падение напряжения уменьшается с ростом температуры. Если стабилитроны включить встречно, как это показано на рисунке 5, то зависимость напряжения стабилизации от температуры можно значительно снизить (например, отечественный стабилитрон КС170).

Рисунок 5. Внутренняя схема прецизионного стабилитрона

Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона приведено на рисунке 6.

Рисунок 6. Условно-графическое изображение прецизионного стабилитрона

В схеме включения данного стабилитрона можно не опасаться неправильного включения, т.к. симметричные стабилитроны обладают одинаковым напряжением стабилизации.