Электронные компоненты

• 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. В статье Биполярный транзистор, я писал, что 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 20 раз меньше максимального нагрузочного тока стабилизатора. 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.

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. Расчёт мощности стандартный, описанный на страничке Резистор.

 

 

      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.

 

Тиристор   

Тиристор - это переключающий  полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с  управляемым диодом и называют полупроводниковым  управляемым вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор имеет три  вывода, один из которых - управляющий  электрод, можно сказать, "спусковой  крючок" - используется для резкого  перевода тиристора во включенное состояние.    

Тиристор совмещает в  себе функции выпрямителя, выключателя  и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:

• тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;
• тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия;
• управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;
• o средний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.

Структура тиристора    

Тиристором называется управляемый  трехэлектродный полупроводниковый  прибор, состоящий из чередующихся четырех кремниевых слоев типа р  и n. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рис. 1.   

Крайнюю область р-структуры, к которой подключается положительный  полюс источника питания, принято  называть анодом, а крайнюю область n, к которой подключается отрицательный  полюс этого источника, - катодом.

Рис.1. Структура и обозначение  тиристора

Свойства тиристора  в закрытом состоянии   

В соответствии со структурой тиристора можно выделить три  электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как  показано на рис. 2.   

Эта эквивалентная схема  позволяет понять поведение тиристора  с отключенным управляющим электродом.    

Если анод положителен  по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в  обратном направлении, и тиристор также  закрыт.

Рис.2. Представление тиристора  тремя диодами

Принцип отпирания  с помощью управляющего электрода    

Эквивалентное представление  структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 3.   

Представление тиристора  в виде двух транзисторов разного  типа проводимости приводит к эквивалентной  схеме, представленной на рис. 1.4. Она  наглядно объясняет явление отпирания  тиристора.   

Зададим ток I_GT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение V_AK положительное), как показано на рис. 4.   

Так как ток I_GT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B₁xI_GT, где B₁ - коэффициент усиления по току транзистора Т1.   

Этот ток одновременно является базовым током транзистора  р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B₁xB₂xI_GT и суммируется с током I_GT, что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток I_GT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.    

Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора  даже в случае исчезновения первоначального  тока управляющего электрода IGT, при  этом ток анода (1А ) остается достаточно высоким.   

Типовая схема запуска  тиристора приведена на рис. 5

.

Рис.3. Разбиение тиристора  на два транзистора

Рис.4. Представление тиристора  в виде двухтранзисторной схемы

Рис.5. Типичная схема запуска  тиристора

Отключение тиристора    

Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду  открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий  ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим  током).   

Отключение тиристора  произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 6а) или  напряжение, приложенное к внешней  цепи, поменяло полярность (это случается  в конце каждого полупериода  переменного напряжения питания).

Рис.6. Способы отключения тиристора   

Когда тиристор работает при  постоянном токе, отключение может  быть произведено с помощью механического  выключателя.   

Включенный последовательно  с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.   

Включенный параллельно  основным электродам тиристора (рис. 6б) ключ шунтирует анодный ток, и  тиристор при этом переходит в  закрытое состояние. Некоторые тиристоры  повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что  при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.   

Поэтому предпочитают размещать  ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 1.6в), что  гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего  тока. Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий  диоду D2 из схемы замещения тиристора  тремя диодами (рис. 2).   

На рис. 6а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее  упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать  тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным  тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 7.

Рис.7. Классические схемы  отключения тиристора с помощью  дополнительной цепи

Симистор   

Симиcmop - полупроводниковый  прибор, который широко используется в системах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно он может  рассматриваться как управляемый  выключатель. В закрытом состоянии  он ведет себя как разомкнутый  выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симис-тора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.   

При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода  переменного напряжения питания  неизбежно переходит из состояния  проводимости в закрытое состояние.    

Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном  выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.