Стабилизаторы напряжения и тока

Нормальная работа большинства электронных устройств невозможна без стабильного напряжения питания. Чем чувствительнее устройство, тем точнее измерительное устройство, тем выше должна быть стабильность источника питания. Так, для электронного микроскопа нестабильность питающего напряжения не должна превышать 0,005%, усилители постоянного тока допускают нестабильность напряжений не более 0,0001%.

В качестве стабилизирующих устройств напряжения используют стабилизаторы, которые подразделяют на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Такие стабилизаторы применяют для питания устройств с малыми токами потребления. Их основные недостатки: невозможность плавной регулировки выходного напряжения, малый КПД, большое внутреннее сопротивление и малая выходная мощность; зависимость выходного напряжения от температуры окружающей среды и частоты тока питающей сети.

Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью (ООС).

Наибольшее распространение получили полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения, которые подразделяются по способу включения регулирующего элемента относительно нагрузки на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента — на линейные и импульсные (ключевые).

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются следующие:

• коэффициент стабилизации по входному напряжению

• внутреннее сопротивление стабилизатора:

• температурный коэффициент стабилизации

В качестве параметрических стабилизаторов постоянных напряжений используют нелинейные сопротивления, в которых ток является нелинейной функцией напряжения. К таким нелинейным сопротивлениям относят кремниевые стабилитроны.

Расчет параметрических стабилизаторов напряжения сводится к определению номинального входного напряжения U_вх и балластного сопротивления R_б при которых обеспечивается требуемый уровень и требуемая стабильность напряжения.

Для получения более высокого напряжения стабилитроны VC1 и VC2 включают последовательно (рис. 2.8, а). Стабилизаторы на стабилитронах не обеспечивают высокой стабильности выходного напряжения; их коэффициент стабилизации к_ст не превышает нескольких десятков.

Для увеличения коэффициента к_ст используют каскадное (последовательное) соединение стабилизаторов (звеньев) (см. рис. 2.8, д), при котором коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации звеньев.

Недостатком такого стабилизатора является значительное увеличение входного напряжения, низкий КПД.

Высокой стабильности напряжения на нагрузке при незначительном увеличении напряжения на входе можно достигнуть применением токостабилизирующего активного двухполюсника (рис. 2.8, б).

При изменении напряжения U_в изменяется напряжение U_кэ на транзисторе VТ,

компенсируя изменение напряжения Δ U_в на входе и обеспечивая постоянство напряжения U_н на нагрузке с высокой степенью точности.

Если, например, напряжение на входе уменьшается, то в результате уменьшения тока в цепи уменьшается напряжение на резисторе R_б, а на переходе эмиттер-база напряжение увеличится, что вызовет увеличение тока базы, уменьшение сопротивления транзистора и падения напряжения на нем.

Как отмечалось, компенсационные стабилизаторы с цепью обратной связи по напряжению могут быть выполнены как с последовательным, так и с параллельным включением регулирующего элемента относительно нагрузки.

В схеме с последовательным включением регулирующего элемента поддержание уровня напряжения на нагрузке осуществляется за счет изменения напряжения на самом регулирующем элементе.

В схеме с параллельным включением регулирующего элемента поддержание уровня напряжения на нагрузке осуществляется за счет изменения тока в регулирующем элементе, в результате чего изменяется напряжение на балластном сопротивлении, включенном последовательно с нагрузкой.

Компенсационные стабилизаторы обеспечивают высокую точность стабилизации выходного напряжения; при этом они одинаково хорошо ослабляют как медленные, так и быстрые (пульсации) изменения входного напряжения. Кроме того, они обладают очень малым статическим и динамическим внутренними сопротивлениями.

Недостатком компенсационных стабилизаторов является сравнительно низкий КПД, обусловленный потерей энергии на регулирующем элементе.

Для уменьшения потерь в компенсационном стабилизаторе балластный резистор R_б последовательно соединенным с ним стабилитроном VC включают параллельно нагрузке (рис. 2.9, а). Опорным напряжением является напряжение стабилитрона U _ст =6...8 В, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом — транзистор VТ. Напряжение на нагрузке U_н = U_ст - U _эб

Номинальный режим работы транзистора VТ устанавливают с помощью резистора R_б рабочую точку А выбирают на середине линейного участка его входной характеристики (рис. 2.9, б). При этом напряжение U эб = 0,1...0,3 В у германиевых и 0.5...0,6 В у кремниевых транзисторов. Поэтому U_н ~ U_ст

При уменьшении напряжения U_вх (тока нагрузки I_н и т. п.) при неизменном U_ст напряжение на базе U _эб = U_ст - U_н возрастает и увеличивается степень открытия транзистора VТ, его сопротивление уменьшается, как и падение на нем напряжения U_эк. В результате, напряжение на нагрузке восстановится, стремясь к номинальному напряжению. При возрастании U_вх по любой причине процессы протекают аналогично, но транзистор "подзапирается" с увеличением напряжения U_эк.. Коэффициент стабилизации рассмотренной схемы к_ст = 150...300.

Работа ключевых стабилизаторов основана на принципе накопления энергии в дросселе L в первую часть периода коммутации и на последующей передаче её в конденсатор С во вторую часть периода (рис. 2.10). В этом заключается их принципиальное отличие от рассматриваемых стабилизаторов последовательного типа, в которых постоянство выходного напряжения поддерживается за счет изменения сопротивления регулирующего элемента, в качестве которого был использован транзистор, работающий в активном режиме.

Поскольку транзисторы импульсного стабилизатора работают в ключевом режиме, т. е. находятся либо в состоянии насыщения, либо в состоянии отсечки, а в дросселе и конденсаторе мощность рассеивания незначительная, то такие стабилизаторы имеют повышенный КПД.

Для питания некоторых устройств электронной аппаратуры используют стабилизаторы тока, имеющие высокое выходное сопротивление, значительно большее сопротивления нагрузки. Поэтому выходной ток стабилизатора тока не зависит от сопротивления нагрузки и остается практически постоянным при её изменении.

По аналогии со стабилизаторами напряжения, различают параметрические и компенсационные стабилизаторы тока. В параметрических стабилизаторах тока используется особенность вольт-амперной характеристики транзистора - слабая зависимость тока коллектора от напряжения U_эк. при постоянном токе базы (для схемы с ОЭ).

Компенсационные стабилизаторы тока проектируют аналогично компенсационным стабилизаторам напряжения. В качестве примера на рис. 2.11 представлена схема стабилизатора тока, с помощью которой поддерживается постоянным напряжение на резисторе R₂ независимо от колебаний входного напряжения и сопротивления нагрузки R_н. Если по каким-либо причинам увеличивается ток нагрузки I_н, то увеличивается напряжение U_бэ. и коллекторный ток транзистора VТ2, а напряжение U_кэ уменьшается. Это вызывает уменьшение тока базы транзистора VТ1, сопротивление его коллекторно-эмиттерного перехода увеличивается, и, как следствие, ток нагрузки I_н уменьшается почти до прежнего значения.

Дата добавления: 2014-01-05