Общие сведения, электрические принципиальные схемы стабилизаторов

Параметрический стабилизатор напряжения (тока) – это устройство, автоматически обеспечивающее поддержание с требуемой точностью напряжения (тока) на потребителе (нагрузке) при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Дестабилизирующие факторы: изменение входного и выходного параметра (вх. напряжение, ток нагрузки), температура окружающей среды, давление, воздействие механических нагрузок, ионизирующее излучение, временной дрейф.

Параметрический метод стабилизации – метод при котором стабилизация осуществляется за счет нелинейности одного из параметров на который воздействуют дестабилизирующие факторы. Нелинейными активными элементами являются стабилитроны, термисторы, пассивными – реактивные сопротивления.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов на рабочем участке являются:

1. Номинальное напряжение стабилизации U_ст при определенном номинальном токе I_ст и окружающей температуре T_с(см. рис. 1).

 

Рис.1 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона

 

Примечание: индекс “m” означает значение параметра, индекс “м” – максимальное.

2. Дифференциальное (динамическое) сопротивление, определяемое как

(1)

3. Абсолютный и относительный коэффициенты напряжения:

и

, (2)

где в [ ] в [ ] - изменение напряжения стабилитрона от температуры.

При линейной аппроксимации характеристик напряжение U_СТ при любых точках и температурах будет равно:

(3)

Дифференциальное сопротивление R _д, измеренное на постоянном токе, отличается в большую сторону от дифференциального сопротивления R _{д ~}, определенного на переменном токе, когда быстрое изменение тока из-за тепловой инерции практически не изменяет теплового режима стабилитрона. Поэтому, у стабилитронов с положительным температурным коэффициентом к величине R _{д ~} , которая обычно приводится в справочниках, необходимо добавить величину тепловой составляющей дифференциального сопротивления:

, (4)

где R_t – тепловое сопротивление кремниевых стабилитронов; R_t измеряется в ⁰С/мВт, U_СТ в В, - в мВ/⁰С. Таким образом:

(5)

Уточненное R_d иногда обозначается .

Основные данные кремниевых стабилитронов приведены в табл. 2. В справочниках величина R _{д ~} обозначается также как r­_ст, нормируется для определенных токов.

В области напряжений стабилизации 6 ÷ 15 В зависимость может быть приближенно аппроксимирована следующей зависимостью:

, (6)

где U_СТ - в В, - в мВ/⁰С.

В зависимости от типа стабилитрона величины и могут быть положительными, отрицательными и иметь знак “±”, который означает, при определенных токах стабилизации коэффициенты положительны, а при других – отрицательны. Например, стабилитрон Д 818Е имеет при I_СТ = 5мА = -0,2мВ/⁰С, а при токе I_СТ = 15мА = +0,2мВ/⁰С.

для термокомпенсирующих диодов (т.е. включаемых встречно стабилитронам) равно

= - (2 ÷ 15)мВ/⁰С.

Основные схемы параметрических стабилизаторов изображены на рис. 2, где

а) однокаскадный параметрический стабилизатор;

б) двухкаскадный параметрический стабилизатор;

в) мостовой ПС;

г) ПС с умощнением.

Схема а) представляет собой простейший однокаскадный стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD1. Вместо одного стабилитрона может быть включено несколько последовательно включенных (как правило, одного типа), а также с целью термокомпенсации в цепь может быть включено несколько диодов в прямом направлении.

 

а) б)

в) г)

Рис. 2

В этом случае

(7)

где n₁ , n₂ – количество включенных последовательно диодов и стабилитронов, U_VD1 – напряжение на одном диоде. В схему входит одно активное сопротивление R_г, состоящее, в общем случае, из внешнего сопротивления и внутреннего сопротивления источника входного напряжения.

Схема б) представляет собой двухкаскадный параметрический стабилизатор, у которого обычно стабилитрон VD3 имеет малый температурный коэффициент напряжения. Здесь должно соблюдаться следующее условие:

U_VD3 < U­_VD1 + U_VD2

 

Схема в) представляет собой мостовую схему стабилизатора, состоящую из однокаскадного параметрического стабилизатора, аналогично схеме а), и резистивного делителя. В этом случае напряжение U_Н = U_VD1 - U_R2, что улучшает качественные характеристики стабилизатора. Улучшение, в частности, заключается в меньшем наклоне выходной характеристике при изменении U_ВХ (см. рис.3 )

 

Рис.3

 

Схема г) представляет собой параметрический стабилизатор с умощнением, где в качестве гасящего резистора используется транзистор VT1. Входным сигналом этого транзистора (U_ЭБ) является разность между U_VD1 и U_Rr2, в зависимости от которой изменяется сопротивление коллектор – эмиттер. VD2 является стабилитроном однокаскадного параметрического стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы характеризуются следующими основными параметрами:

коэффициентом нестабильности

(8)

выходным сопротивлением

(9)

коэффициентом стабилизации

(10)

температурными коэффициентами

(11)

Однокаскадная схема а) с выходным напряжением 8 ÷ 10 В и током нагрузки 5мА без термокомпенсации может обеспечить К_СТ = 50 ÷ 80 и R_ВЫХ = 8 ÷15 Ом. При термокомпенсации с помощью p-n переходов R_ВЫХ увеличивается до 20 ÷ 40 Ом, а К_СТ уменьшается в 3 ÷ 4 раза.

Двухкаскадные стабилизаторы (схема б) могут обеспечить коэффициент стабилизации до 500 ÷ 800 и R_ВЫХ до 15 ÷ 20 Ом.

Мостовая схема в) обеспечивает К_СТ в 2 ÷ 4 раза лучше, чем двухкаскадная, но R_ВЫХ у нее в 1,5 ÷ 2 раза больше.

2.1 Постановка задания и его варианты

 

Для выданного варианта задания по исходным данным / табл.1 / рассчитать наиболее распространенные схемы параметрических стабилизаторов напряжения

 

Варианты для расчета параметрических стабилизаторов (ПС)

Таблица 1

№ вар	D евх ± %	Uвых В	DUвых ± В	Iн.мах mA	Iн.min mA	Rвых Ом	Кст	DUвых.u ±%	DUвых.i ±%	DUвых.т ±%	DТС ^0С
	±10		±1,0			¾		¾	0,4	±2,5	+30 -40
	±5		±1,1					¾	¾	±2,0	+25 -35
	±10		±1,1			¾		¾	0,5	±1,0	±25
	±5		±1,2					¾	¾	±1,25	+30 -40
	+5 -10		±1,3			¾		¾	0,3	±2,5	±30
	+10 -15		±1,4					¾	¾	±2,0	+25 -40
	±7		±1,5			¾		¾	0,4	±1,0	+25 -35
	+7 -10		±1,0			¾		¾	0,35	±1,25	±25
	+5 -10		±1,0					¾	¾	±2,5	+30 -40
	+5 -18		±1,1					¾	¾	±2,0	±25
	+7 -10		±1,2			¾		¾	0,4	±1,0	+30 -45
	+10 -15		±1,25			¾		¾	0,5	±1,25	±25
	+15 -10		±1,3			¾		¾	0,5	±2,5	+30 -40
	±10		±1,4				¾	0,3	¾	±2,0	±30
	±5		±1,5			¾		¾	0,4	±1,5	+30 -25
	±10		±1,0				¾	0,4	¾	±1,0	+30 -40
	±5		±1,0			¾		¾	0,5	±1,0	±25
	±7		±1,2				¾	0,15	¾	±1,25	+25 -35
	+10 -15		±1,25			¾		¾	0,3	±2,0	±25
	+5 -10		±1,3		6,5		¾	0,18	¾	±2,5	±30
	+5 -18		±1,35			¾		¾	0,4	±1,0	+25 -40
	+7 -10		±1,4				¾	0,4	¾	±1,25	+30 -35
	+10 -15		±1,5			¾		¾	0,35	±2,0	+30 -40
	+5 -10		±1,0					¾	¾	±2,5	+25 -35
	±5		±1,0			¾		¾	0,3	±1,0	±25
	±10		±1,2					¾	¾	±1,25	+30 -40
	±7		±1,25			¾		¾	0,4	±2,0	±30
	+5 -7		±1,3					¾	¾	±2,5	+25 -40
	+7 -5		±1,4			¾		¾	0,5	±1,0	+25 -35
	±10		±				¾	0,4	¾	±1,25	+30 -45

 

 

Условные обозначения: U_вых - выходное напряжение;

DU_вых - его отклонение;

I_н.мах , I_н.min- максимальный и минимальный ток нагрузки;

R_вых - выходное сопротивление;

К_ст - коэффициент стабилизации по напряжерию;

DU_вых.u, DU_вых.i, DU_вых.т - допустимые отклонения выходного напря

жения при изменении напряжения, тока и

температуры;

а_п.вх, а_п.вых- коэффициент пульсаций входного и выход-

ного напряжений.

Примечание: Для всех вариантов а_п.вх £ 0,05, а_{п вых} £ 0,01.

Четные варианты – расчет на оптимальный к.п.д. При расчете ПС данные графы “2” могут быть получены, исходя из колебаний входного напряжения (DU_с) сети в соответствии с вариантом. U_п ~ определяется из указанного ныне соотношения, т.е. а_п.вх £ 0,05. Т_с = 20⁰С - температура окружающей среды.

 

3. Порядок выполнения домашнего задания