Калькулятор расчета вольтамперной характеристики стабилизатора напряжения

LM317 Calc

LM317 Calc — это удобная программа для расчета стабилизатора напряжения с использованием микросхемы LM317. В случае если в схеме нужен стабилизатор на какое-то не стандартное напряжение, то прекрасным и простым решением будет использование популярного интегрального стабилизатора LM317T (корпус TO-220).

Основные технические характеристики LM317:

• Широкий диапазон значений выходных напряжений от 1,2 до 37 В;
• Высокий выходной импульсный ток: до 1,5 А;
• Максимальная рассеиваемая мощность 20 Вт;
• Встроенная защита от короткого замыкания;
• Встроенная защита от перегрева.

Подробную информацию по микросхеме можно получить из документации

Программа позволяет производить расчет выходного напряжения по известным значениям сопротивлений R1 и R2, а также расчет R1 (или R2) по известным значениям Vout и R2 (или R1). Для удобства в окне программы приводится схема стабилизатора. Программа выводит точное значение сопротивлений резисторов, а также стандартное значение (из ряда E24). При работе с программой необходимо учитывать, что окно ввода рассчитываемого значения, будет недоступно для ввода (поскольку это значение и будет рассчитано). Интерфейс программы представлен ниже.

Скачать LM317 Calc

Как подобрать модель стабилизатора?

Для определения подходящей по мощности модели необходимо сверить мощностной ряд предлагаемых производителем стабилизаторов с энергопотреблением нагрузки – ближайшее в большую сторону значение в мощностном ряду и будет необходимой мощностью стабилизатора.

Обратите внимание!

Выбор стабилизатора со значением мощности, ближайшим к энергопотреблению нагрузки в меньшую сторону либо снизит заложенный ранее запас по мощности, либо, в худшем случае, приведёт к приобретению стабилизатора с несоответствующими нагрузке выходными параметрами.

Обратите внимание!

Для трехфазного стабилизатора нагрузка на каждую фазу должна составлять не более 1/3 от номинальной. Например, трехфазный стабилизатор с номиналом 6000 ВА запитает трехфазную нагрузку в 4200 ВА (мощность потребляемая от одной фазы составит 1400 ВА), но подключение к отдельной фазе этого стабилизатора нагрузки в 2500 ВА вызовет перегрузку, так как максимально допустимое значение по одной фазе составляет: 6000/3=2000 ВА.

Parametric stabilizer

Инженерная программа, предназначенная для расчёта параметрических стабилизаторов на кремниевых или газоразрядных стабилитронах, используемых в источниках питания. Методика расчёта была разработана автором программы и опубликована в статье «Москатов Е. Расчет параметрических стабилизаторов. — Радиомир, 2006, №7, с. 22 — 25».

В справке по программе даны ответы на типовые вопросы, приведены справочные данные кремниевых и газоразрядных стабилитронов. Статус лицензии — donationware (класс freeware), то есть программу можно использовать свободно, и оплата не обязательна. Все представленные для скачивания материалы выполнены на русском языке.

Рекомендуемые требования к оборудованию

Компьютер с процессором семейств Intel Pentium / Celeron или совместимым с ними процессором, тактовая частота которого составляет не менее 200 МГц, или более мощным.

Оперативная память: 32 Мбайт.

Свободное место на диске: 2 Мбайт.

Видеоплата и монитор с разрешением не менее 800 × 600 точек.

Клавиатура, мышь или другое указательное устройство.

Рекомендуемые требования к системному программному обеспечению

Операционная система Microsoft Windows 98 Second Edition, Microsoft Windows Millennium, Windows 2000 Professional, Windows XP Home Edition, Windows XP Professional, Windows 2003 Server, Windows Vista Starter, Windows Vista Home Basic, Windows Vista Home Premium, Windows Vista Business, Windows Vista Enterprise, Windows Vista Ultimate.

Так как программа имеет русскоязычный интерфейс, операционная система должна обеспечивать необходимую языковую поддержку.

Скриншот программы «Parametric stabilizer 4.0.0.0»

Стабилитрон-2 (расчёт сопротивлений по заданным напряжению и току)

В этой схеме подстроечный резистор R3 своим верхним выводом соединён со средним и с выходом делителя, поэтому фактически он входит в состав R4 — нижнего плеча. Обрыв этих резисторов не так страшен — стабилитрон откроется полностью, и на выходе останется только 2,5 вольта. Всю тепловую нагрузку при этом на себя примет R1.

Поскольку регулировка делителя развёрнута, то и расчёты проводятся наоборот — по известному R2.

Инструкция:1. Задать входное и выходное напряжения Uвх, Uвых, ток нагрузки Iнагр, собственный ток стабилизатора Iстаб (1…2 мА).
2. Установить R3max и R3* в нули.
3. Выбрать R2 из таблицы стандартных номиналов и внести его в графу. Калькулятор выдаст расчётное значение суммы R3 и R4.
4. Задать стандартный номинал R4 — меньше, чем сумма R3+R4.
5. Указать максимальное сопротивление подстроечного резистора R3max. Итоговая сумма R4+R3max должна быть больше расчётного значения. Чем ближе R4 к сумме и чем меньше R3, тем уже будет диапазон регулировки Umin, Umax.
6. Сопротивление R1 и мощность PR1max рассчитываются по токам Iнагр, Iстаб, Iдел и максимальному напряжению на выходе Umax.
7. Мощность PVD1min рассеивается на TL431, когда к ней подключена нагрузка (штатный режим), мощность PVD1max — когда НЕ подключена. Следите, чтобы стабилизатор и R1 не перегревались, так как без нагрузки через них течёт сумма токов Iнагр, Iстаб, Iдел.
8. При сборке схемы R3* может быть постоянным. Если же техзадание требует делителя на двух резисторах R2 и R4, то R3max и R3* надо оставить на нулях.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

• 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
• 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
• 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Схема включения стабилизаторов напряжения

Watch this video on YouTube

Вы здесь

Главная › Инженеру-конструктору › 3. Электрооборудование, электроустановки › 3. Раздел 3.

        Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5 и регулирующий транзистор V6. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения U_н и максимального тока нагрузки I_н. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.

1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (U_вып) при заданном выходном (U_н):

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения U_вып.

2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:

3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Р_max, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше U_вып, а максимально допустимый ток коллектора — больше I_н.

4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:

где: h_21Эmin — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора..

5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы I_{б max}.

6. Подсчитывают сопротивление резистора R1:

Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом; U_ст — напряжение стабилизации стабилитрона, В; I_б.max — вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА; I_ст.min — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА). .

7. Определяют мощность рассеяния резистора R1:

        Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h_21Э. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в h_21Э раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.

        В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.

Основные параметры стабилитрона

Стабилизатор тока на транзисторе

Для создания рабочей схемы применяют обратное включение полупроводникового прибора. На анод подают «минус» источника питания. На катод – «плюс».

ВАХ стабилитрона

С помощью измерительной аппаратуры можно составить по точкам распределение электрических величин. На рисунке отмечены основные характеристики стабилитрона, которые нужно учитывать при расчете стабилизатора напряжения. Показаны уровни, определяющие:

• начало пробоя;
• рабочий режим (Uст, Iст);
• максимально допустимое значение (Uобр, Imax).

Серийные приборы рассматриваемой категории способны стабилизировать напряжение в диапазоне от 0,6 до 210 V. Допустимый ток (Imax) ограничен мощностью рассеивания. Для улучшения этого параметра применяют монтаж на радиаторе через слой термопасты, эффективную пассивную и принудительную вентиляцию. Отмеченное на графике значение Imin соответствует уровню сохранения работоспособности перехода в обычном режиме. Для стабилизации используют участок ΔU, который характеризуется незначительным изменением напряжения при достаточно большом увеличении силы тока в обратном направлении (ΔI).

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

• 1 – источник напряжения;
• 2 – Элемент регулировки;
• 3 – усилитель;
• 4 – источник основного напряжения;
• 5 – определитель напряжения выхода;
• 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

• 1 – источник напряжения;
• 2 –элемент регулирующий;
• 3 – усилитель;
• 4 – источник основного напряжения;
• 5 – измерительный элемент;
• 6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Виды и принцип действия

В данной публикации подробно рассмотрен резистивный делитель напряжения. Подразумевается линейность характеристики цепи. В таких схемах упрощен расчет сопротивления для понижения напряжения до необходимого уровня. При подключении источника постоянного тока происходит деление напряжений прямо пропорционально значениям электрических сопротивлений нижнего и верхнего плеча.

Цепи с реактивными характеристиками

Если составить аналогичную схему с конденсаторами, то на вход для поддержания нормальной функциональности придется подать синусоиду. В этом случае также будет выполнено распределение напряжений на элементах с емкостными характеристиками. Однако этот процесс надо рассматривать в динамике, с учетом частоты и соответствующего изменения амплитуды. Аналогичную методику применяют при работе с индуктивными компонентами.

Значения реактивных сопротивлений:

• Rc=1/(2*f*π*C);
• RL=2*f*π*C.

По формулам видно, что сопротивление конденсатора/ катушки обратно (прямо) пропорционально емкости/ индуктивности. Соответственно выбирают значения элементов для деления напряжения.

В представленных примерах принимают бесконечно большим внутреннее сопротивление нагрузки. Для реальных расчетов пользуются более сложными формулами с поправочными коэффициентами. Учитывают действительные комплексные характеристики цепей.

К сведению. В стабилизаторах напряжения и некоторых иных устройствах сопротивление плеча делителя обладает нелинейными параметрами.

При расчёте мощности следует упомянуть о таких важных определениях, как «cos φ» и «пусковые токи»

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

• Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
• Наибольший допустимый ток стабилизации. Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
• Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
• Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

где: UСТ – напряжение стабилизации при номинальной температуре 25º С, DUСТ – алгебраическая разность между напряжениями стабилизации при заданной и номинальной температурах, DТ – алгебраическая разность между заданной и номинальной температурами.

Сопротивление r_ДИФ
и ТКН могут быть как положительными так и отрицательными.

Стабисторы,
как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Рабочим участком
у них является прямая ветвь вольтамперной характеристики (рис. 9.4.1). Это
позволяет стабилизировать малые напряжения (0,35…1,9 В). Основные параметры и
условные обозначения стабисторов такие же, как у стабилитронов.

Стабилизатор
напряжения

Стабилизатор напряжения (тока) – устройство,
включаемое между источником и потребителем, автоматически поддерживающее
постоян­ным напряжение (ток) потребителя с заданной степенью точности при
изменении дестабилизирующих факторов в заданных пределах. Основ­ными
дестабилизирующими факторами являются колебания входного (питающего)
напряжения, изменения потребляемой мощности, темпера­туры окружающей среды и
др.

Параметрический стабилизатор –
стабилизатор, в котором стаби­лизация напряжения (тока) осуществляется за счет
включения нели­нейного элемента (стабилитрона), имеющего соответствующую вольтамперную
ха­рактеристику. В стабилизаторах напряжения нелинейный элемент вклю­чают
параллельно нагрузке, в стабилизаторах тока –  последовательно с нагрузкой.

Простейший  диодный  стабилизатор 
параллельного  типа  (рис. 8.4.2, а)  представляет  собой  делитель  напряжения,
состоящий  из  балластного  сопротивления  R_Б
и  стабилитрона VD,
параллельно  которому  включено  сопротивление  нагрузки R_Н.

Схема замещения стабилизатора (рис. 8.4.2,
б) отражает зависимость U_СТ от тока I_СТ
(рис. 9.4.1) из-за падения напряжения на сопротивлении r_ДИФ
при неизменном U_СТ.ЭКВ.

Рис. 8.4.2 Параметрический стабилизатор (а) и его
схема замещения (б)

При изменении входного напряжения U_ВХ
±
DU
изменяется общий ток I_Б
(рис.9.4.3).

Основным
показателем, характеризующим работу стабилизатора, является коэффициент
стабилизации напряжения К_СТ,
показывающий, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе
стабилизатора DU_Н/U_Н
меньше относительного изменения напряжения на его входе DU_ВХ
/U_ВХ:

(8.4.4.1)

Как следует из формулы, коэффициент
стабилизации повышается с увеличением балластного сопротивления R_Б.
Увеличение R_Б
в свою очередь, вызывает необходимость увеличения входного напряжения для
сохранения тока через стабилитрон в определенных пределах. Практически для
достижения максимального К_СТ достаточно взять

Онлайн калькулятор мощности стабилизатора напряжения

Используйте онлайн калькулятор мощности стабилизатора напряжения для расчета потребления тока каждого бытового прибора. Для аппаратуры, Вы можете посмотреть потребление энергии в паспорте, а так же эта информация дублируется и на самом приборе (на задней стенке прибора). Так же необходимо учитывать различные типы нагрузки. Нагрузка существует как активная, так и реактивная.

Что это такое?

Онлайн калькулятор мощности позволяет правильно учесть активную нагрузку. Активная нагрузка, потому и называется активной, что вся потребляемая электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую и др.). Многие приборы и устройства имеют только активную нагрузку. К таким приборам и устройствам можно отнести лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т.д. Если их указанная потребляемая мощность составляет 1 кВт, для их питания достаточно стабилизатора мощностью 1кВт. Реактивные нагрузки. К таким устройствам можно отнести приборы и изделия имеющие электродвигатель. Среди бытовой техники, таких устройств очень много — почти вся электронная и бытовая техника. Они имеют полную мощность и активную.

Полная мощность исчисляется ВА (вольт-амперы), активная мощность исчисляется Вт (ваттах). Полная мощность (вольт-амперы) и активная мощность ( ватты) связаны между собой коэффициентом cos ф. На электроприборах имеющих реактивную составляющую нагрузки , часто указывают их активную потребляемую мощность в ваттах и cos ф. Для того чтобы Вам подсчитать полную мощность в ВА, нужно активную мощность в Вт разделить на cos ф.

Расчет мощности стабилизатора напряжения
Расчет мощности стабилизатора напряжения очень ответственное дело и подходить к этому надо внимательно, иначе вы рискуете оказаться в ситуации, когда стабилизатор напряжения будет все время отключать ваших потребителей (так работает защита по току).

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.

Принцип работы стабилитрона

Полупроводниковые приборы отличаются нелинейной реакцией при работе с разными токами (напряжениями). Для изучения функциональности пользуются вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая наглядно демонстрирует взаимное влияние базовых параметров и особенности определенной конструкции.

ВАХ диода

Так как стабилитрон является одной из разновидностей диода, изучение принципов работы можно начать с рассмотрения типичного электронно-дырочного (n-p) полупроводникового перехода. В правой части показано включение диода в прямом направлении. Хорошо видно, как от порогового уровня Uп дальнейшее повышение напряжения сопровождается практически линейным увеличением тока в цепи. Определенные потери можно учесть при составлении электрической схемы.

При обратном включении источника питания (левая часть рисунка) увеличение напряжения до показанного значения незначительно изменяет ток. Далее (при значении Uпр) возникает пробой, который определяется особенностями перехода:

1. тепловой,
2. лавинный;
3. туннельный.

Первый из отмеченных в перечне вариантов означает чрезмерное повышение температуры и разрушение полупроводникового прибора. Третий – сопровождается увеличением тока, образованного парными зарядами. Для стабилизации подходит лавинная реакция в переходе. Как показано на графике, напряжение в этом режиме изменяется незначительно.