Стабилизаторы напряжения и тока
Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.
Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока Iн (см. § 9.5), но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237—69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от +5 до —15%. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т. д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1—3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше. Так, для УПТ и некоторых измерительных электронных приборов нестабильность питающего напряжения не должна превышать 10-4%.
Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:
1) по роду стабилизируемой величины — стабилизаторы напряжения и тока;
2) по способу стабилизации — параметрические и компенсационные стабили
заторы.
В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного
регулирования. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, имеющей пологий участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др, При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (тока) обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения (тока) источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.
Основным, параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось, - определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора UBX и нагрузочный ток Iн Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации п0 напряжению
(9.25)
где DUвх,DUвых— приращения входного и выходного напряжений,
а Uвх,Uвых— номинальные значения входного и выходного
напряжений.
Для стабилизатора тока коэффициент стабилизации тока
(9.26)
где DIн и Iн – соответственно приращение и номинальное значение нагрузочного тока.
Помимо коэффициента стабилизации стабилизаторы характеризуются такими параметрами, как внутреннее сопротивление Ri.ст и коэффициент полезного действия hct. Значение внутреннего сопротивления стабилизатора Ri.ст позволяет определить падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжение на нагрузочном устройстве Uн при изменениях нагрузрчного тока.
Коэффициент полезного действия стабилизатора характеризует мощность потерь в нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:
где Рн — полезная мощность в нагрузочном устройстве; Рп — мощность потерь.
В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых стабилизаторов.
Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 9.17, а. С помощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если
Необходимо стабилизировать напряжения менее 3 В, то вместо, стабилитронов используют стабисторы (см. гл. 2). Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору Rн. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный
резистор Rб. Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснять с помощью рис. 9.17, б, на котором изображены вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона и «опрокинутая» вольт-амперная характеристика резистора Rб. Такое построение вольт-амперных характеристик, как известно из курса электротехники, позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжения: Uвх1=Uст1+ R6Iст2. При увеличении напряжения UBX1 (положение 1) на DUBX, например из-за повы-щеция напряжения сети, вольт-амперная характеристика резистора Rб переместится параллельно самой себе и займет положение 2. Из рис. 9.17, б видно, что напряжение UСТ2 мало отличается от напряжения UСТ1, т. е. практически напряжение на стабилитроне и на нагрузочном резисторе Rн останется неизменным. Напряжение на, нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока Iн.
Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора Rб должно быть таким, чтобы его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона Iст.ном, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30—50.
Для повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов. Параллельное же включение стабилитронов с целью повышения нагрузочного тока не допускается. Это объясняется тем, что из-за разброса параметров срабатывание стабилитронов не может произойти одновременно, так как один из них обязательно включится раньше другого. Следователь-
но, напряжение на обоих стабилитронах снизится одновременно и второй стабилитрон при сниженном напряжении уже не сможет включиться.
Основными достоинствами параметрических стабилизаторов напряжения являются простота конструкции и надежность работы.
К недостаткам следует от
нести небольшой коэффициент полезного действия,
не превышающий 0,3, большое внутреннее сопротивление стабилизатора
(5—20 Ом), а также узкий
и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.
Рис. 9.18. Схема (а) и пояснение принципа действия (б) параметрического стабилизатора тока |
В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент включают последовательно с нагрузочным устройством (рис. 9.18,а). В качестве нелинейного элемента применяют прибор, вольт-амперная характеристика которого представлена на рис. 9.18, б. Как видно, при изменении напряжения от Uвх до U'вх напряжение на нелинейном элементе изменяется от Uнэ до значения U'нэ, а нагрузочный ток Iн, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется.
В параметрических стабилизаторах тока в качестве нелинейного элемента используют биполярные и полевые транзисторы. На рис. 9.19 изображена схема стабилизатора тока на полевом транзисторе. Значение стабилизируемого тока определяется резистором R0. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков.
Компенсационные стабилизаторы постоянных напряжения и тока. Эти стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схем. В настоящее
время компенсационные стабилизаторы создают на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении. Аналогично параметрическому стабилизатору, компенсационный стабилизатор включают между сглаживающим фильтром и -нагрузочным резистором.
Компенсационные стабилизаторы, как отмечалось, подразделяются на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные. Любой компенсационный стабилизатор (рис. 9.20) состоит из блока сравнения БС, в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока У и регулирующего элемента (транзистора) РЭ.
На рис. 9.21, а изображена схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения на дискретных полупроводниковых приборах. В этом стабилизаторе в блок сравнения БС входят параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резистора Rб, и резистивный делитель R1R2R3- Усилителем постоянного тока является усилитель на маломощном транзисторе T2 и резисторе Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т1 В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузочном резисторе Uн (или части его) с опорным напряжением Uоп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора.
При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока Iн напряжение Uя повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения - Uн, равная bUн (b — коэффициент деления резистивного делителя R1R2R3) являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп, снимаемым с параметрического стабилизатора. Так как опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 из-за увеличения напряжения bUH уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т2 снижается. Это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором транзистора T1, что равносильно
увеличению его сопротивления. Вследствие этого падение напряжения на транзисторе T1 возрастает, благодаря чему напряжение Uн приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R2 осуществляется регулирование напряжения Uн.
В последнее время для повышения коэффициента стабилизации вместо усилителя на транзисторе Т2 в стабилизаторах применяют интегральный операционный усилитель (рис. 9.21, б), коэффициент усиления которого много больше коэффициента усиления усилителя на транзисторе Т2. Это позволяет получить коэффициент стабилизации, равный нескольким тысячам. В рассматриваемом стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходного напряжения снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения.
Компенсационный стабилизатор тока, схема которого приведена на рис. 9.22, служит для увеличения коэффициента стабилизации нагрузочного тока Iн. Ра-
бота данного стабилизатора тока отличается от работы стабилизатора напряжения тем, что переменный резистор Rрег , входящий в блок сравнения, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн. Сигнал обратной связи, снимаемый с резистора Rрег и пропорциональный изменениям нагрузочного тока Iн сравнивается с опорным напряжением Iоп и подается на вход усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе Т2. В остальном стабилизатор тока действует так же, как и компенсационный стабилизатор напряжения. Изменяя сопротивление Rрег, можно в некоторых пределах регулировать значение тока Iн.
К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянных напряжения и тока относятся: высокий коэффициент стабилизации (K>1000); низкое внутреннее сопротивление (Riсг»10-3¸10-4 Ом); практическая безынерционность; отсутствие собственных помех, что наблюдается и у ряда других стабилизаторов, например у ферро-резонансных стабилизаторов.
Недостатками являются: невысокие значения коэффициента полезного действия, не превышающие 0,5—0,6; большая сложность, а следовательно, меньшая надежность по сравнению с параметрическими стабилизаторами; значительные масса, габариты и стоимость стабилизаторов, что объясняется не только наличием большого количества элементов в стабилизаторе, но и применением радиаторов для обеспечения нормального теплоотвода регулирующего мощного транзистора.
Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия в интегральном исполнении в настоящее время получили широкое распространение. Такие устройства позволяют по-новому осуществлять питание сложных электронных устройств. Их применяют в качестве индивидуальных стабилизаторов для отдельных блоков и кас-
кадов. В то же время общие источники вторичного электропитания можно выполнять нестабилизированными.
• Отечественной промышленностью разработаны и выпускаются несколько специализированных микросхем: К142, К275, К181. ИМС серии К142 содержат компенсационный стабилизатор напряжения с защитой от токовых перегрузок и короткого замыкания в нагрузочных устройствах. ИМС серии К275 позволяют стабилизировать отрицательные напряжения от 1 до 24 В. ИМС серии К181
обеспечивают регулирование и стабилизацию выходного -напряжения от 3 до 15В. В эту группу стабилизаторов входит и выпускаемый ранее компенсационный маломощный стабилизатор типа К2ПП241, предназначенный для стабилизации напряжения от 3,3 до 4 В при Iн£4 мА.
На рис. 9.23, а изображена принципиальная схема наиболее распространенного стабилизатора напряжения серии К142ЕН. Стабилизирующее напряжение подается между выводами (14, 16) и 5, а нагрузка подсоединяется к выводам (11, 13) и 8. Источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) состоит из стабилитрона Д1 и полевого транзистора Т1 являющегося для этого стабилитрона балластным сопротивлением.
Усилитель постоянного тока, состоящий из транзисторов Т3, Т5, собран по дифференциальной схеме. В него входит также транзистор Т4, являющийся динамической нагрузкой транзистора Т5. Для согласования параметрического стабилизатора с усилителем постоянного тока к его выходу подключен эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2,. Диод Д2 предназначен для температурной стабилизации параметрического стабилизатора.
В качестве регулирующего элемента используется составной транзистор TG — Т8. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току. Для этого между выводами 10 и 11 (рис. 9.23, б)
включается резистор R1. Когда нагрузочный ток превысит допустимое значение, на резисторе R1 возникнет падение напряжения. Закрытый ранее транзистор Т9 откроется и своим малым сопротивлением зашунтирует регулирующий транзистор Т6, тем самым отключив его.
Если надо внешним сигналом выключить стабилизатор, то управляющее положительное напряжение подают на базу транзистора Т7 с вывода 9 через диод Д3. Закрытый до этого транзистор Т7 откроется и закроет регулирующий транзистор Т6.
На рис. 9.23, б представлена схема включения стабилизатора. напряжения серии К142ЕН. В этой схеме конденсаторы C1 и C2-
включены для устранения самовозбуждения стабилизатора. Емкости конденсаторов обычно подбирают при настройке стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора регулируют резисторами R1, R2, R3 Стабилизаторы серии К142ЕН подразделяют на три основных типа:
1) с регулируемым значением выходного напряжения -К142ЕН1 — К142ЕН4;
2) с фиксированным значением выходного напряжения — К142ЕН5;
3) с двуполярным входным и выходным напряжениями — К142ЕН6.
Коэффициент стабилизации этих стабилизаторов лежит в пределах от 40 до 200.
Стабилизаторы серии К142ЕН различают также:
1) по выходному стабилизированному напряжению: 3 ¸ 12 В —
К142ЕН1А; 12¸ЗО В — К142ЕН1Б; 5 В ±1% — К142ЕН5А;
6В±1% — К142ЕН5Б;
2) по максимальному значению нагрузочного тока: 0,15 А—
К142ЕН1.2; 0,4 А — К142ЕН6; 1,0 А — К142ЕНЗ,4; 3 А — К142ЕН5.
Конструкция микросхемы серии К142 позволяет устанавливать их на теплоотводящий радиатор, благодаря чему увеличивается максимально допустимая мощность, рассеиваемая стабилизатором.
Для увеличения выходной мощности и нагрузочных токов допускается включение внешнего мощного регулирующего транзистора. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН) в последнее время получают все большее распространение, так как они имеют высокий коэффициент полезного действия, достигающий Значений 0,8—0,85, а также меньшие габариты и массу. На рис. 9.24, а приведена структурная схема ИСПН. Как я компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, ИСПН является устройством, в котором применяется отрицательная обратная связь, ослабляющая изменения выходного напряжения или нагрузочного тока. Отличием ИСПН от компенсационного стабилизатора является работа регулирующего элемента РЭ — транзистора — в режиме ключа, когда транзистор либо открыт, либо закрыт.
Именно режим ключа позволяет получить очень высокий коэффициент полезного действия. Действительно, мощности потерь Ркп в таком режиме приближаются к нулю: в открытом и закрытом состояниях транзистора падение напряжения на нем Uкэ и ток через него Iк близки к нулю. Следовательно, мощность Ркп=UкэIк тоже близка к нулю. Малая рассеиваемая мощность Pкп позволяет отказаться от теплоотводящих радиаторов, что уменьшает массу и габариты стабилизаторов.
Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы uкл (рис. 9.24, б). Для последующего преобразования таких импульсов в постоянное напряжение служит сглаживающий фильтр Ф (рис. 9.24, а). Регулирующий элемент и сглаживающий фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которую осуществляют блок сравнения БС и импульсный блок ИБ. В блоке сравнения выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Получающееся при этом разностное напряжение воздействует на импульсный блок, который вырабатывает управляющие импульсы разной длительности или частоты следования, уп-
равляющие работой регулирующего элемента. Изменения длительности импульсов или частоты их следования позволяет поддерживать выходное напряжение неизменным при изменениях как входного напряжения стабилизатора, так и нагрузочного тока.
Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующего элемента подразделяют на релейные (или двухпозиционные) и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Подробно работа ИСПН рассматривается на примере релейного стабилизатора, схема которого изображена на рис. 9.25, В этом стабилизаторе в блоке сравнения функции сравнения эталонного (опорного) напряжения с выходным напряжением стабилизатора совмещены с функциями релейного устройства. Те и другие функции выполняет стабилитрон Д1.
Релейное устройство через транзисторы Т2, Т2, принадлежащие импульсному блоку, управляет регулирующим элементом — транзистором Т1. В качестве сглаживающего фильтра в ИСПН чаще всего используют Г-образные LC-фильтры, так как при этом достигается наибольший к.п.д. стабилизаторов. Такой фильтр, состоящий из дросселя Lф и конденсатора Сф, применяется и в рассматриваемом стабилизаторе.
Релейный стабилизатор со стабилитроном работает таким образом. При подаче постоянного входного напряжения Uвх регулирующий транзистор Т1 открывается. Благодаря наличию индуктивной катушки Lф, ток через которую не может изменяться скачком, напряжение на выходе стабилизатора будет постепенно увеличиваться. Соответственно в блоке сравнения начнет увеличиваться напряжение bUвых, где b— коэффициент делений резистивного делителя R8, R9, R10. При некотором значении этого, напряжения стабилитрон Д1 открывается, чтo приводит к отпиранию транзистора Т3 и запиранию транзистора Т2, так как транзистор Т3 закорачивает его вход. В свою очередь, транзистор Т2 запирает регулирующий транзистор Т1. После этого напряжение на выходе стабилизатора и в блоке сравнения начинает уменьшаться. При определенном значении bUвых стабилитрон Д1 закрывается, что приводит к запиранию транзистора Т3 и отпиранию транзисторов Т2, Т1. Далее все процессы повторяются.
Изменения выходного напряжения из-за воздействия дестабилизирующих факторов приводят к соответствующим изменениям длительности закрытого и открытого состояний регулирующего транзистора Т1, в результате среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться с определенной степенью точности.
При снижении тока в импульсах, вырабатываемых транзистором Т1, в дросселе возникает э.д.с. самоиндукции, которая может вызвать перенапряжение на транзисторах и вывести их из строя. Для предотвращения этого включают диод Д2 через который гасится возникающая э. д. с. самоиндукции.
Очень часто вместо стабилитрона в качестве релейного элемента используют триггер. ИСПН, в которых применяется триггер, имеют более низкую амплитуду пульсаций выходного напряжения, чем ИСПН со стабилитроном. Это объясняется тем, что пороговое напряжение срабатывания триггера меньше, чем у стабилитрона.
Основным преимуществом всех релейных ИСПН является их высокое быстродействие, а существенным недостатком — относительно большая амплитуда пульсаций выходного напряжения. Эти пульсации не могут быть сведены к нулю, так как переключения релейных элементов возможны только при изменениях выходного напряжения.
В стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией в импульсном блоке имеется генератор импульсов ГИ. Существует два типа
стабилизаторов с ШИМ. В первом из них, структурная схема которого изображена на рис. 9.26, а, частота генерируемых импульсов опрёделяется элементами генератора импульсов ГИ, а длительность импульсов и пауз изменяется в зависимости от постоянного напряжения, подаваемого на ГИ с выхода блока сравнения Б С.
В стабилизаторах второго типа (рис. 9.26, б) генератором импульсов ГИ является генератор Линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, у которого пилообразные импульсы иг генерируются с постоянной частотой повторения. Напряжение DU = Uoп—b Uвых
Рис. 9.26. Структурные схемы импульсного стабилизатора постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией первого типа (а), второго типа (б) и временные диаграммы, поясняющие работу ИСПН второго типа (в)
в блоке сравнения непрерывно сравнивается с линейно изменяющимся напряжением uг(t) (рис. 9.26, в). Таким образом, управляющие импульсы uу имеют разную длительность при неизменной частоте повторения импульсов. Под воздействием управляющих импульсов регулирующий элемент РЭ в стабилизаторах с ШИМ переключается и в зависимости от длительности импульсов и пауз изменяется среднее значение напряжения на выходе фильтра, в результате чего обеспечивается постоянство выходного напряжения стабилизатора в заданных пределах.
Преимуществом стабилизаторов с ШИМ являются значительно меньшие пульсации выходного напряжения, чем в релейных стабилизаторах, которые могут быть принципиально сведены к нулю, так как импульсный блок управляется постоянным напряжением, снимаемым с выхода блока сравнения. Основным недостатком стабилизаторов с ШИМ по сравнению с релейным стабилизатором следует считать меньшее быстродействие.
Ранее отмечались преимущества ИСПН по сравнению с параметрическими и компенсационными стабилизаторами: высокий к.п.д., меньшие габариты и масса. Последние два преимущества достигаются за счет увеличения частоты переключений регулирующего транзистора. Эта частота обычно лежит в диапазоне 2—50 кГц. Однако необходимо отметить, что увеличение частоты обусловливает рост мощности потерь в регулирующем транзисторе, индуктивной катушке сглаживающего фильтра и некоторых других элементов, что приводит к снижению к.п.д.
до нуля. В связи с этим под воздействием э. д. с. самоиндукции на обмотках трансформатора сразу же после запирания транзистора Т1 индуцируются напряжения противоположной полярности (указана на рис. 3.18, а в скобках), вызывающие отпирание транзистора Т2 и поддержание в закрытом состоянии транзистора Т1. Открытым транзистором Т2 создается цепь протекания уменьшающегося до нуля тока im. (приведенного к коллекторной обмотке шк2 и показанного на рис. 3.18, а пунктирной стрелкой) в процессе перехода магнитного состояния сердечника трансформатора в точку 4. Изменившаяся полярность напряжения на обмотках (в том числе на нагрузочной обмотке рис. 3.18, ж) сохраняется на этапе открытого состояния транзистора Т2. При этом на обмотке шк2 действует напряжение, близкое к Ек.
К закрытому транзистору Т1 прикладывается напряжение 2Ек, (рис. 3.18, д), равное сумме напряжений на обмотках, wk1 и wk2. На этом этапе процесс в схеме протекает аналогично рассмотренному. Он характеризуется изменением индукции в сердечнике трансформатора от +Вs до — Вs и перемещением рабочей точки из положения 4 в направлении точки 5, заканчиваясь в момент времени t2, когда рабочая точка на петле намагничивания достигает положения 6 (рис. 3.18, б, г, е).
Длительности интервалов tИ1, tИ2 характеризуются линейным законом изменения индукции DВ соответственно от —Вs до +Вs и от +Bs до — Вs. При wk1 =wk2= wk длительности tИ1 = tИ2 = tи находят из соотношения
(3.53) |
(3.54) |
Расчет частоты в герцах выходного напряжения генератора производят по формуле
Двухтактные блокинг-генераторы находят преимущественное применение для преобразования энергии источников постоянного тока (например, аккумуляторных батарей) в переменный ток или в постоянный ток другого напряжения для питания нагрузки сравнительно небольшой мощности (десятки и сотни ватт). При использовании генератора в качестве преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение цепь нагрузки подключают к выходной обмотке трансформатора через выпрямитель со сглаживающим фильтром.
Дата добавления: 2016-04-06; просмотров: 9578;