» » » Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

 
 
 
3

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Разместил MVV 4 ноября 2017. Просмотров: 1 092

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.
Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Объектами расчета и анализа в примерах выступают параметрические стабилизаторы двух известных конструкций усилителей мощности звуковой частоты. Это «Lanzar» c Интерлавки* и датагорский «Green Lanzar» от Андрея Зеленина.
* К сожалению, на момент публикации статьи сайт Интерлавки не работает.

Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R0 – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R0=Uст+IR0, (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R0.

Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R0 с линейной Вольт - амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R0, а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

R0=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min). (2)

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R0(ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилитрона, поскольку в этом случае правая часть выражения становится отрицательной, и схема не будет работать как стабилизатор напряжения.

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

ΔUвх= ΔIстR0. (4)

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R0Uст/rдUвх=R0/Nстrд=KфКПД, (6)
где rд - динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]

проведем для случая, когда напряжение питания нестабильно, а сопротивление нагрузки относительно постоянно.

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Uвх= Nст Uст.

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

R0=(Uвх- Uст)/(Iст р+ Iн).

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Po=2(Iст р+ Iн)2R0.

Проверим выбранный режим работы стабилизатора.
Расчет произведен верно, если при одновременном изменении Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн ток стабилитрона не выходит за пределы Iст max и Iст min:
Iст р max=(Uвх+ ΔUвх- Uст)/(R0-(Iн- ΔIн))<0,8 Iст max;
Iст р min=(Uвх- Uст)/(R0-(Iн+ ΔIн))>1,2 Iст min.

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Если полученные значения токов Iст р max и Iст р min выходят за пределы допустимых значений, то необходимо выбрать другое значение Iст р, изменить сопротивление R0 или заменить стабилитрон.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R0/(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R0=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Рис. 2. Печать с экрана примера расчета №1


Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для усилителя "Green Lanzar" на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом [6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

Рис. 3. Расчет параметрических стабилизаторов для усилителя «Green Lanzar»


Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 - 5]

в качестве исходных данных использует предельные значения тока в нагрузке Iн min и Iн max, что при Iн min=0 позволяет предусмотреть режим холостого хода стабилизатора. Для постоянной нагрузки выбирают Iн max= Iн min.

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Если неравенство не выполняется, нужно:
• применить более мощный стабилитрон;
• задаться меньшими значениями ΔUвх н и ΔUвх в;
• уменьшить Iн max или увеличить Iн min.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R0= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст)2/R0.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R0=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Рис. 4. Скриншот параметрического стабилизатора режимом холостого хода
Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R0.

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R0-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R0=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R0=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Рис. 5. Режимы работы стабилизаторов в усилителе «Ланзар» в зависимости от выбранного напряжения питания


Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если»->Подбор параметра.

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15).

Получим R0=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R0=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Рис. 6. Уточнение режимов работы параметрических стабилизаторов усилителя «Ланзар»

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Итог

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

При проектировании новых устройств помните, что в настоящее время вместо параметрического стабилизатора на стабилитроне намного эффективнее применить современные компенсационные стабилизаторы [10].

Файлы

Экселевский файл для расчётов 20,12 Kb ⋅ 22

Упомянутые источники

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания).
2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30.
3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61.
4. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне.
5. Простые стабилизаторы напряжения и их расчет.
6. Усилитель "Green Lanzar" на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом.
7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13.
8. Усилитель мощности "Ланзар".
9. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 - 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).

Спасибо за внимание!
Владимир Мосягин (MVV)
Россия, Великий Новгород
Профиль MVV
Радиолюбительством увлекся с пятого класса средней школы.
Специальность по диплому радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 38

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 2... Привет! Продолжаем тему, поднятую в моей статье «Входной буфер и регулятор уровня громкости...
Схема на Датагоре. Новая статья Защита USB-устройств от статики. Чипы TPD2E001, USB6B1, STF202-22T1G... Наверное каждый из нас когда-нибудь испытывал на себе разряд статического электричества, а многие...
Схема на Датагоре. Новая статья Схемка в блокнот. Низковольтный стабилизатор напряжения (от 0,7V; пригоден для зарядки и питания мобильного телефона)... При изготовлении разного рода устройств с использованием мобильного телефона (МТ), например GSM...
Схема на Датагоре. Новая статья Малошумящий двухполярный блок питания для высокочувствительных устройств... Делюсь с читателями простой и в то же время удачной конструкцией двухполярного блока питания,...
Схема на Датагоре. Новая статья Сделай сам автомобильный стабилизированный блок питания 24V => 15V/5A с защитой от КЗ, переполюсовки, перегрузки и перегрева... Блок питания был заказан водителем-дальнобойщиком для ноутбука, который мне увидеть так и не...
Схема на Датагоре. Новая статья Сделай сам лабораторный импульсный блок питания. Часть 6. Защита ИБП и регуляторы тока нагрузки... Ограничение выходного тока импульсного блока питания необходимо прежде всего для защиты испытуемой...
Схема на Датагоре. Новая статья Сделай сам лабораторный импульсный блок питания. Часть 5. Миниатюрный лабораторный ИБП... Несмотря на простоту схем импульсных блоков питания, описанных в предыдущих частях серии,...
Схема на Датагоре. Новая статья Транзисторный фильтр питания с высоким КПД для аудиоаппаратуры... При создании прибора для ремонта телевизоров мне потребовался регулируемый источник питания 30-300...
Схема на Датагоре. Новая статья Стабилизатор напряжения сети 1,8 кВт на PIC12F675... В последнее время мощности бытовых нагрузок возросли: появились фены, обогреватели, утюги, СВЧ печи...
Схема на Датагоре. Новая статья Балластный регулятор для ветрогенератора (ветряка)... После того, как ветряк построен и работает, рано или поздно встает вопрос об утилизации лишней...
Схема на Датагоре. Новая статья Блок питания с защитой по току для наладки усилителей и пр. радиоконструкций... Нередко при ремонте или создании нового усилителя возникает проблема безопасной проверки его...
Схема на Датагоре. Новая статья Полупроводники. Часть третья: Полупроводниковые диоды.... Вот, наконец и сами полупроводники, так сказать, собственной персоной! Начнем с диодов и им...
<
  • Гражданин
6 ноября 2017 10:34

Владимир / reper

Цитата
  • С нами с 15.11.2008
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 68 комментариев
  • 7 публикаций
 
  • +2
Хорошая работа, полезная для ВСЕХ, не только для начинающих. Автору респект!

<
  • Гражданин
6 ноября 2017 16:47

Геннадий / GN

Цитата
  • С нами с 18.10.2009
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 31 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • +1
Прочитав статью, окунулся в студенческие годы. После теории, пора переходить к практике (лабораторные работы), для закрепления материала. Большое спасибо.

<
  • Подписчик
8 ноября 2017 10:59

Александр / aleks8845

Цитата
  • С нами с 15.05.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 31 комментарий
  • 0 публикаций
 
  • +1
Очень нужная статья! Иногда, делая такой стабилизатор, не задумываешься о таких подробностях, а тут все разложено по полочкам yahoo

Добавление комментария


Налетай! Паяльники, станции, жала с доставкой
  • smilelolbyewinkyahoocoollaughing
    crazybadcryingsadirefulsickstraight
    ballooncakegooddrinksmailbombsun
    nightrainstarscolddashguitar-manhandshake
    musicnegativenopardonshoksleepunknown
    wackoyawnblushbullyhashsmokingwhew
Скопируйте текст вашего комментария на случай неверного ответа на контрольный вопрос.