Стабилизаторы напряжения. Общие сведения.

В святи с зависимостью напряжения U_d от тока нагрузки обусловленной наклоном внешней характеристики выпрямителя, а также от изменений напряжения U₁ питающей сети между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения (рис.1). (СН).

Рис.1

Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжения или ток на стороне потребителя электрической энергии с требуемой точностью при изменении дестабилизирующих факторов, называют стабилизаторами напряжения или тока.

Стабилизаторы делят на две группы – параметрические и компенсационные. Для первой группы стабилизаторов используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающего через него тока. Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон.

В компенсационных стабилизаторах задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

12.1 Параметрические стабилизаторы.

Схема параметрического стабилизатора(рис.2) состоит из балластного резистора R_б и стабилитрона VD. При изменении напряжения U_d под действием колебания напряжения питающей сети или изменения сопротивления нагрузки

Рис.2

R_н напряжение на нагрузке изменяется обратным напряжением стабилитрона U_ст при изменении протекающего через него тока (рис.3).

Рис.3

Участок 1-2 является рабочим участком вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Главным параметром прибора является напряжение стабилизации равное напряжению пробою U_пр. Шкала напряжений в промышленных типов стабилитронов лежит в пределах 3-180 В.

Точка 1 соответствует минимальному току стабилитрона, при котором наступает пробой.

Точка 2 соответствует максимальный ток стабилитрона, в которой еще не наступает тепловой пробой p-n-перехода.

В зависимости от типа стабилитрона с\максимальный ток составляет от 2 мА до 1,5 А. Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона . Величина для низковольтных 18- 300 Ом.

Показателем зависимости напряжения от температуры служит температурный коэффициент нестабильности напряжения (ТКН). При изменении температуры окружающей среды на для кремниевых стабилитронов составляет 0,0005 0,2 %/ С.

Основные соотношения для расчета параметров стабилизатора.

При расчете стабилизатора выбирают тип стабилизатора на напряжение нагрузки и обеспечивают условия его работы, при которых изменяющийся ток стабилитрона не выходил за пределы рабочего участка (рис.2)

Воспользовавшись первым и вторым законами Кирхгофа приведем основные соотношения для токов и напряжений:

, (1.1)

, (1.2)

где .

На основании соотношений (1.1) и (1.2) для тока стабилитрона можно записать:

. (1.3)

При изменении тока нагрузки( ) и напряжения ток будет изменятся от до . Минимальному значению тока согласно выражению (1.3) будут соответствовать минимальные значения и , а максимальному значению тока - максимальные значения и .Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления R_б , при которой через стабилитрон протекал бы ток .

(1.4)

Ток протекающий через стабилитрон не должен превышать максимального допустимого тока через стабилитрон.

.

Максимальные мощности, рассеиваемые на стабилитроне и резисторе , рассчитываем по формуле:

, (1.5)

(1.6)

Изменение напряжения на нагрузке характеризуется изменением напряжения на стабилитроне при изменении тока , т.е. определяется его динамическим сопротивлением r_g.

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации , показывающий, во сколько раз относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора меньше вызвавшего его относительного приращения напряжения на входе.

: , (1.7)

где

. (1.8)

С учетом того, что и , соотношение (1.8) можно записать в виде

(1.9)

Подставляя (1.9) в (1.7) получим выражение для K_ст параметрического стабилизатора напряжения.

не превышает 20 ÷50. Другим параметром стабилизатора является его выходное сопротивление R_вых.

_.

12.2 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.

Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке( при изменении U_вхил I_н) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения U_н .

РЭ(транзистор) может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней.

В зависимости от того различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис.4 ) и последовательные (рис.5).

Рис.4

Рис.5

На РЭ в обох типах стабилизатора воздействует управляющая схема, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводиться к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала на регулирующий элемент.

В схеме (рис.4) стабилизация напряжения на нагрузке достигается изменением напряжения на балластном резисторе путем изменения тока регулирующего элемента. Изменение тока нагрузки от нуля до будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от до нуля.

В схеме (рис.5) РЭ включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем изменения напряжения на РЭ. Ток РЭ равен току нагрузки .

Принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие РЭ обуславливает потери энергии в стабилизаторе. Мощность теряемая в схеме (рис.4), складывается из потерь в резисторе и РЭ и составляет:

,

или

.

В схеме (рис.5) мощность теряется в регулирующем элементе. Она равна:

,

То есть меньше, чем в предыдущей схеме, на величину .

К.п.д. последовательных стабилизаторов, более высокое, чем параллельных. Поэтому последовательные стабилизаторы нашли наибольшее применение в практике.

Из преимуществ параллельных стабилизаторов следует указать их не критичность к перегрузкам по току , в частности коротким замыканиям выходной цепи. Последовательные стабилизаторы требую устройств защиты РЭ при перегрузках по току.

В принципиальной схеме последовательного компенсационного стабилизатора (рис.6) транзистор VT1 служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока выполнен на транзисторе VT2. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD. Резистор R (пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток транзистора VT2 мал. Резисторы R1 и R2 – делитель выходного напряжения.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2

Рис.6

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор VT1 и нагрузку , представляет собой усилительный каскад на транзисторе VT1 с общим коллектором.

Для получения требуемого напряжения необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя было близко к напряжению . Для этого питание коллекторной цепи транзистора VT2 осуществляют от отдельного источника .

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной связи, но приращением выходного напряжения .

Предположим, что под действием уменьшения напряжения напряжение стало меньше номинального. Снижение вызывает уменьшение напряжения на базе и напряжения транзистораVT2, а следовательно, его токов . Уменьшение тока . приводит к меньшему падению напряжения на резисторе и увеличению напряжений и транзистора VT1.

Вследствие увеличения напряжения напряжение транзистора VT1 уменьшается, повышая до прежней величины напряжение . Аналогично осуществляется компенсация изменения напряжения при увеличении , а так же при изменениях тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации стабилизатора находят из отношения:

где - соответственно, входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора VT2.

-

поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора VT2.

Задачу регулирования напряжения на нагрузке решают путем изменения соотношения выходного делителя , что реализуется введением в цепь резисторов дополнительно потенциометра R1-2 (рис.7)

Рис.7

Пределы регулирования напряжения при этом составляет:

Если принять , R1=300Ом, R2=360 Ом и R1-2=240 Ом, то выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

Напряжение связано с напряжением входной цепи транзистора VT1 соотношением:

или

С увеличением тока транзисторы VT1 и VT2 выбираются на большие коллекторные токи. Использование рассматриваемой схемы при >200…300 мА не эффективно из-за трудностей в обеспечении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а следовательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления , а также в малых значениях коэффициента мощных транзисторов.

Задачу уменьшения тока базы VT1 при переходе к большим токам нагрузки решают заменой его в стабилизаторе составным транзистором (рис.8).

Рис.8

Поскольку ток базы каждого транзистора меньше тока его эмиттера в (1+ ) раз, ток управления составным транзистором получается во много раз меньше тока эмиттера выходного транзистора т.е. тока нагрузки стабилизатора.

Токоотводящие резисторы R01, R02 создают цепи протекания начальных токов транзисторов VT1-1 и VT1-2, исключая их протекание по цепям баз последующих транзисторов. С их помощью обеспечивается нормальный режим работы схемы при минимальном токе нагрузки.

Расчет их производят по формуле:

Составные транзисторы используют в стабилизаторах при токах нагрузки 0,5-1,0 А и выше. Повышение коэффициента стабилизации стабилизаторов достигается путем увеличения коэффициента увеличения коэффициента усиления усилителя за счет использования в нем большого числа каскадов.

В настоящее время используют интегральный принцип выполнения стабилизаторов, при котором вся маломощная часть схемы стабилизатора представляется в виде микросхемы. Существуют также импульсные стабилизаторы напряжения.