Стабилизаторы напряжения и тока

Многие, главным образом электронные, электротехнические устройства должны питаться от источников, выходное напряжение или ток которых должны оставаться почти неизменными при влиянии дестабилизирующих факторов. В роли дестабилизирующих факторов могут быть колебания напряжения первичной сети, изменение нагрузки или условии эксплуатации — температуры, влажности среды и т.п. Стабилизаторы включаются после фильтра перед нагрузкой и поддерживают напряжение или ток на стороне потребителя с требуемой точностью. Нестабильность напряжения на выходе стабилизаторов обычно оговаривается уровнем 0,1–1%, а для некоторых особо ответственных метрологических целей — 10^-4 %. Для сравнения укажем, что колебания напряжения в промышленных и бытовых сетях переменного тока могут происходить в пределах от +10 до – 15 %.

Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации, КПД и внутренним сопротивлением.

Коэффициентом стабилизации называется отношение относительного изменения дестабилизирующей величины к относительному изменению выходной величины. Так, для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по входному напряжению

где — коэффициент передачи напряжения.

КПД стабилизатора определяется долей потерь мощности в стабилизаторе по отношению к полезной мощности в нагрузке

Внутренним сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном выходном напряжении и других дестабилизирующих факторов

В зависимости от области применения стабилизаторов к ним предъявляются требования: обеспечение высокого к.п.д., высокого коэффициента стабилизации и минимальных пульсаций выходного напряжения (тока); высокое быстродействие и малая чувствительность к изменению условий эксплуатации, главным образом температуры. Иногда выдвигается требование возможности плавной или ступенчатой регулировки выходного напряжения (тока).

Все стабилизаторы делятся на две группы — параметрические и компенсационные. Параметрическими стабилизаторами называют стабилизаторы с нелинейными элементами, в которых стабилизация происходит благодаря специфическим характеристикам (параметрам) этих элементов. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования, содержащую эталон регулируемой величины, измерительный элемент, элемент сравнения и регулирующий элемент. Такая система вырабатывает сигнал отклонения выходной величины от заданного эталоном значения и регулирующим элементом компенсирует это отклонение.

Параметрические стабилизаторы являются простейшими стабилизирующими устройствами, однако, во многих случаях они обеспечивают достаточное качество стабилизации. В качестве нелинейных элементов могут использоваться кремниевые стабилитроны, термисторы, а на больших мощностях — дроссели с ферромагнитными сердечниками. Наибольшее распространение для стабилизации напряжения получили кремниевые стабилитроны. Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона имеет круто падающий участок — рис. 3.20, поэтому изменение тока нагрузки в пределах от I_ст.min до I_cт.max почти не изменяет напряжение на стабилитроне. Работа при токах меньше величины минимального тока пробоя I_ст.min недопустима по причине отсутствия стабилизации, а при токах больше I_cт.max по причине перехода электрического пробоя в тепловой и выходу стабилитрона из строя.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рис.3.21а. Стабилитрон включается параллельно нагрузке. Ток стабилитрона равен разности общего тока i и тока в нагрузке i_н

Балластный резистор R_б берется такой величины, чтобы при возможном минимальном значении U_вх и минимальном значении R_н, ток через стабилитрон находился допустимых пределах тока стабилизации

Зависимость напряжения стабилизации от температуры оценивают температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Обычно при обратном включении стабилитрона ТКН отрицателен, а при прямом — положителен, что позволяет осуществить температурную компенсацию параметрических стабилизаторов встречным включением последовательно с рабочим стабилитроном, компенсирующих стабилитронов или диодов. Количество компенсирующих стабилитронов или диодов подбирается таким, чтобы более полно осуществить компенсацию. Более точную компенсацию температурного дрейфа напряжения стабилизации удается достичь, введя регулирование величины тока в компенсирующих диодах или стабилитронах — рис.3.21б.

Выпускаемые промышленностью термостабильные стабилитроны имеют встроенную стабилизацию величины U_ст и поэтому обладают малым ТКН.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется выражением

Здесь r_д — внутреннее динамическое сопротивление стабилитрона. Из последней формулы видно, что K_ст повышается с ростом R_б и уменьшением r_д. Увеличение K_ст влечет за собой необходимость увеличения U_вх, что не всегда приемлемо. Дифференциальное сопротивление стабилитронов зависит от напряжения стабилизации и тока через стабилитрон. Наименьшие значения r_д, у стабилитронов с напряжением стабилизации 7–8 B. Поэтому при необходимости стабилизации напряжений более 14–16 B есть смысл вместо одного высоковольтного ставить два или более низковольтных стабилитронов с напряжением стабилизации порядка 7–8 В.

Увеличение I_ст снижает r_д. Реальные значения r_д составляют единицы, десятки и сотни Ом.

Влияние изменения тока нагрузки параметрического стабилизатора на выходное напряжение оценивают величиной выходного сопротивления , по сравнению с величиной сопротивления нагрузки.

Для увеличения точности стабилизации используют многокаскадные (обычно двухкаскадные) схемы — рис.3.21 в. В двухкаскадной схеме коэффициент стабилизации всего стабилизатора равен произведению коэффициентов стабилизации составляющих стабилизаторов:

Таким образом, можно повысить коэффициент стабилизации по напряжению питания, но не по току нагрузки. Стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки будет такой же, как и в однокаскадном стабилизаторе и определяется r_д последнего стабилитрона. Для нормальной работы двухкаскадного стабилизатора необходимо выполнить условие Многокаскадные параметрические стабилизаторы находят применение в качестве источников стабильного опорного напряжения.

Параметрический стабилизатор обладает фильтрующими свойствами, эквивалентными RC фильтру с емкостью

Если цепочку из двух стабилитронов, включенных встречно, подключить параллельно нагрузке, то можно стабилизировать переменное напряжение, однако, при этом за счет ограничения напряжения нарушится синусоидальная форма напряжения, и в нем появятся высшие гармоники.

Параметрический стабилизатор тока реализуется путем последовательного включения с нагрузкой нелинейного элемента, имеющего вольтамперную характеристику, показанную на рис. 3.22.

При изменении падения напряжения на нелинейном элементе НЭ в пределах от U_ст.min до U_ст.max ток через элемент будет почти неизменным I_ст. В качестве нелинейного элемента может использоваться нить накаливаемой железной проволоки (бареттер), биполярный или полевой транзистор. В качестве примера на рис 3.23 показана схема стабилизатора тока на полевом транзисторе. В этой схеме резистором Ro можно устанавливать величину стабильного тока в нагрузке. Коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов тока не превышает значения нескольких десятков.

Компенсационные стабилизаторы выполняются в виде замкнутых систем регулирования с отрицательной обратной связью. Регулирующий элемент (например, транзистор) этой системы может включаться параллельно или последовательно с нагрузкой. На рис.3.24 показаны структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения последовательного и параллельного типов. Источник опорного напряжения ИОН формирует высокостабильное опорное напряжение U_оп. В качестве такого источника чаще всего применяют одно- или многокаскадную схему параметрической стабилизации при помощи стабилитронов. Усилитель У усиливает разность U_н – U_оп, поступающую на вход регулирующего элемента РЭ. Таким образом, схема стабилизации работает по сигналу отклонения выходного напряжения от заданной величины. В последовательном стабилизаторе стабилизация U_н осуществляется путем изменения напряжения U_р на регулирующем элементе, а в параллельном — путем изменения падения напряжения на балластном резисторе R_б изменением выходного тока i_p регулирующего элемента.

Стабилизаторы последовательного типа более экономичны при работе с изменяющейся нагрузкой, поэтому стабилизаторы параллельного типа применяют при работе на постоянную нагрузку.

Стабилизаторы параллельного типа не требуют принятия специальных мер по защите от короткого замыкания. В этом режиме вся мощность, которую потребляет стабилизатор от сети, будет рассеиваться на балластном резисторе, параметры которого должны быть соответствующим образом выбраны. На регулирующем транзисторе мощность не выделяется. У стабилизаторов последовательного типа, наоборот, в режиме короткого замыкания вся мощность выделяется на регулирующем транзисторе и приходится принимать меры по его защите.

Режим холостого хода не опасен для стабилизаторов последовательного типа, и это является их большим преимуществом. В стабилизаторах же параллельного типа при сбросе нагрузки вся мощность выделяется на регулирующем элементе.

Простейший компенсационный стабилизатор на одном биполярном транзисторе показан на рис.3.25. В этом стабилизаторе транзистор совмещает функции регулирующего элемента и усилителя разности U_н – U_оп. Источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор R_б, Д. В исходном состоянии, когда отсутствуют дестабилизирующие факторы, режим работы транзистора выбирается таким, чтобы напряжением смещения U_эб он был не полностью открыт: U_эб » 0,3 В. При этом U_н » U_оп. При изменении U_н, изменится смещение, транзистор приоткроется или призакроется, так что U_н возвратится к исходному состоянию.

Максимальный ток нагрузки определяется минимально допустимым током стабилитрона, так как с увеличением i_н ток базы i_б будет расти, а ток через стабилитрон i_ст будет уменьшаться и при стабилизация нарушается.

Минимальный ток нагрузки аналогично определяется максимально допустимым током стабилитрона:

Если , то т.е. максимальный ток нагрузки зависит от коэффициента усиления транзистора и диапазона изменения рабочего тока стабилитрона. С целью увеличения тока нагрузки рекомендуется использовать составные транзисторы с большим коэффициентом усиления b.

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора по рис.3.25

имеет величину того же порядка, что и параметрический стабилизатор на стабилитроне.

Выходное сопротивление стабилизатора

Более высоким показателем обладают стабилизаторы, содержащие усилители сигнала рассогласования. Пример такого стабилизатора показан на рис.3.26. В этой схеме часть выходного напряжения, снимаемая с выходного делителя, сравнивается с опорным напряжением U_оп, в эмиттере сравнивающего транзистора Т₂. Опорное напряжение выделяется на стабилитроне С_т. Балластный резистор R_б определяет минимальный ток через стабилитрон в пределах токов стабилизации стабилитрона даже при полностью открытом транзисторе Т₂. Сигнал рассогласования усиливается транзистором Т₂ и поступает на базу регулирующего транзистора Т₁. В этой схеме Т₂ осуществляет роль усилителя постоянного тока по схеме ОЭ, а транзистор Т₁ включен по схеме ОК. Коэффициент стабилизации тем больше, а выходное сопротивление стабилизатора тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ, который примерно равен:

Вместо транзистора Т₂ можно использовать операционный усилитель. С целью улучшения стабилизации рекомендуют питать сравнивающий транзистор Т₂ от отдельного стабилизированного источника.

В рассматриваемой схеме резистор R_к, является общим для базовой цепи Т₁ и коллекторной цепи Т₂. В результате в стабилизаторе существует положительная обратная связь по входному напряжению, ухудшающая стабилизацию. Паразитные положительные обратные связи могут привести к самовозбуждению схемы, для подавления которого приходится шунтировать емкостью коллекторный вывод транзистора Т₂. Компенсационные стабилизаторы, особенно при больших усилениях УПТ, требуют осуществления грамотного монтажа с целью исключения возможности появления нежелательных обратных связей, например, из-за падения напряжения на отдельных участках общего провода.

Мощность выделяется на регулирующем транзисторе, поэтому необходимо предусмотреть меры, исключающие перегрев транзистора регулирующего элемента: установку его на теплоотводящий радиатор, искусственный обдув.

Для защиты стабилизированных источников от коротких замыканий и перегрузки по току используются специальные схемы. Идея работы таких схем состоит в том, что сигнал перегрузки, образуемый за счет падения напряжения на низкоомном резисторе, врезанном в цепь нагрузки, достигнув определенного уровня, вызывает закрывание вспомогательного транзистора, а тот в свою очередь запирает (или только прикрывает) регулирующий транзистор.

Для того, чтобы мощные транзисторы, используемые в регулирующем элементе устойчиво работали, ток нагрузки должен быть не ниже определенной минимальной величины. Часто тока, создаваемого делителем R₁–R₂–R₃, достаточно для этой цели.

Компенсационные стабилизаторы позволяют легко регулировать величину выходного напряжения, изменяя параметры выходного делителя потенциометром R₂. Нижнее значение напряжения ограничено величиной U_оп, a верхнее — (U_вх – U_кэ.min). Напряжение U_кэ.min регулирующих транзисторов составляет обычно от 2 до 4 В.

Следует иметь в виду, что широкий диапазон регулировки выходного напряжения приводит к ухудшению стабилизирующих свойств схемы, ухудшению КПД и увеличению мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе.