Стабилизация напряжения и тока

Стабилизатор – электронное устройство, предназначенное для стабилизации напряжения (тока) в цепи вторичного электропитания Стабилизированные источники питания в основном применяют в радиоэлектронных устройствах, выполненных на транзисторах интегральных микросхемах, так как для их работы необходимы постоянные и независимые питающие напряжения и токи. Кроме тoго, стабилизаторы напряжения защищают эти устройства от кратковременных бросков напряжения сети, предохраняя от перенапряжений транзисторы и микросхемы. Одновременно стабилизаторы сглаживают пульсации выпрямленного напряжения, т. е. ведут себя как активные сглаживающие фильтры.

Стабилизатор напряжения

Стабильность выходного напряжения оценивают коэффициентом стабилизации:

kст = (∆Uвx / ∆Uвых)⋅(Uвыx / Uвx), (7)

где ∆Uвх - изменение входного напряжения;

∆Uвых - изменение выходного напряжения, вызванное изменением входного.

В параметрических стабилизаторах напряжения (рисунок 7) используется малая зависимость напряжения стабилитрона от проходящего через него тока (см. ВАХ стабилитрона).

Рис. 7

При этом входное напряжение Uвх распределяется между ограничивающим резистором Rогр и параллельно включенными стабилитроном VD и резистором нагрузки R_H. Схему стабилизатора рассчитывают так, чтобы при полных изменениях напряжения Uвх режим стабилитрона соответствовал рабочему участку. В этом случае напряжение на нагрузке изменяется не более чем на малую величину δUст, т.е. будет стабильным. При импульсном изменении нагрузки параллельно стабилитрону включают конденсатор С (см. рисунок 7), зарядом которого поддерживается выходное напряжение в моменты увеличения нагрузки.

Параметрический стабилизатор имеет kст порядка 20-30. Больший kст получают последовательным включением двух параметрических стабилизаторов, но в этом случае недопустимо мал КПД. Параметрические стабилизаторы применяют в качестве вспомогательных опорных источников напряжения в стабилизаторах напряжения и тока других типов, а также когда ток нагрузки невелик – несколько миллиампер.

Компенсационные стабилизаторы напряжения бывают двух типов: с параллельным (рисунок 8) и последовательным (рисунок 9) регулирующими элементами.

Рис. 8

В схеме, показанной на рисунке 8, регулирующий элемент РЭ включен параллельно нагрузке Rн и его сопротивление задается выходным сигналом управляющего элемента УЭ, на вход которого для сравнения поступают выходные напряжения Uвыx и Uon соответственно стабилизатора и источника опорного напряжения ИОН (обычно это параметрический стабилизатор). При увеличении входного напряжения Uвх (или нагрузки RH) увеличивается выходное URH. Сигнал рассогласования UР = U_Rн – Uоп, усиливаемый управляющим элементом УЭ, уменьшает сопротивление РЭ. При этом токи I₁ и Iо= I₁+Iн увеличиваются, увеличивая падение напряжения U₀ на балластном резисторе Rо частично компенсируя рост Uвx. При уменьшении входного напряжения происходит обратное: ток I₁ и напряжение U₀ уменьшаются, частично компенсируя уменьшение Uвx.

Рис. 9

В схеме, показанной на рисунке 5.9, регулирующий элемент включен последовательно нагрузке R_Н. При увеличении Uвx увеличиваются напряжение нагрузки U_Rн, сигнал рассогласование Uр = Uвых – Uоп и сопротивление регулирующего элемента РЭ. При этом напряжение UРЭ увеличивается, частично компенсируя рост U_Rн.

Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторах (рисунок 10) имеет цепь тока нагрузки, состоящую из двух участков коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT1 (так выполнен регулирующий элемент) и резистора нагрузки RH. Входное напряжение распределяется между этими участками цепи, т.е. Uвx = Uкэ₁ + U_Rн. Усилитель сигнала рассогласования выполнен на транзисторе VT2, на переход база – эмиттер которого поступает напряжение рассогласования:

Uр = αU_Rн – Uоп, (8)

где αU_Rн – напряжение базы, пропорциональное напряжению U_Rн нагрузки;

α = R₄ / (R₃+R₄) – коэффициент пропорциональности.

Вырабатываемое параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD опорное напряжение Uon не зависит от напряжения Uвx и тока нагрузки IН.

При подаче усиленного сигнала рассогласования UP на базу регулирующего транзистора VT1, потенциал эмиттера которого равен напряжению нагрузки URH, напряжение на эмиттерном переходе:

U_БЭ1=U_К2 – U_Rн. (9)

При увеличении входного напряжения напряжение нагрузки растет и увеличиваются напряжение базы αU_Rн и токи транзистора VT2. При этом уменьшаются напряжения Uк₂ и Uбэ, и соответственно токи базы и эмиттера транзистора VT1. Это равноценно увеличению сопротивления промежутка коллектор-эмиттер транзистора VT1 и падения напряжения на нем, т.е. почти все приращение входного напряжения Uвх приходится на регулирующий транзистор.

Рис. 10

При уменьшении входного напряжения уменьшаются сопротивление промежутка коллектор-эмиттер транзистора VT1 и напряжение на этом транзисторе, а выходное напряжение остается неизменным. Коэффициент стабилизации компенсационных стабилизаторов напряжения достигает сотен и даже тысяч единиц. Эти стабилизаторы являются основными источниками питания радиоэлектронных устройств на транзисторах и микросхемах.

Стабилизатор тока

Для питания некоторых каскадов радиоэлектронной аппаратуры необходимы стабилизированные токи, значения которых не зависят от входных напряжений и сопротивлений нагрузки. Параметрический стабилизатор тока (рисунок 11 а) выполняется на транзисторе, включенном по схеме с ОБ.

Эмиттерный ток транзистора I_Э=Ucт/R₁, поскольку обычно сопротивление резистора R1 значительно больше сопротивления, эмиттерного перехода. Т.к. ток коллектора
I_К = Н₂₁⋅Iэ = H₂₁ ⋅ Uст /Rэ не зависит от сопротивления нагрузки и входного напряжения, данная схема является стабилизатором тока.

Рис. 11

Компенсационный стабилизатор тока (рисунок 11 б) имеет схему, аналогичную схеме компенсационного стабилизатора напряжения. Отличие состоит лишь в том, что резистор нагрузки подключается вместо резистора R3.

В качестве источника опорного напряжения используется параметрический стабилизатор на низковольтном стабилитроне VD. Сопротивление эталонного резистора определяют по формуле:

R_ЭТ = (Uоп +Uбэ_VT2) / Iн. (10)

 

Поскольку все параметры в этой формуле стабильны и не зависят от входного напряжения и тока нагрузки, стабилен и ток нагрузки.

 

13. (2.5) Выпрямители переменного напряжения.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств и компьютеров для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

· Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

· Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

· Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

· по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

· По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

· По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

· По назначению – для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

· Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U₀ и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

· Номинальный выпрямленный ток I₀ – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

· Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

· Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

· Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

· Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p₀ %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

· Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k_с = p0/p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

· Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой(или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Греца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.

Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

· Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U₀ -напряжение постоянного тока до фильтра, I₀ – среднее значение выпрямленного тока, p₀ – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

· Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе(вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

· Определяющие выбор трансформатора: U₂ – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I₂ – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.