Стабилизаторы напряжения. Основные виды стабилизаторов напряжения.

Для работы электронных аппаратов надо поддерживать выходное напряжение на заданном уровне стабилизации. Диапазон изменения напряжения для импульсных (цифровых) устройств находится в пределах 5 ÷ 10 % от номинального значения с учётом пульсации.

Пример: для электронного микроскопа 0,005 %, для усилителей постоянного тока и приборах высокого класса точности нестабильность напряжения не более 0,001 %.

Различают следующую стабильность

1. Низкая стабильность изменения питающего напряжения, всё что больше 5 %

2. Средняя стабильность, 1 ÷ 5 %

3. Высокая стабильность, 0,1 ÷ 1 %

4. Прецизионная, всё что меньше 0,1 %

К факторам дестабилизирующим напряжение, относятся не только колебания сети переменного тока, но и температура окружающей среды, а также сопротивление нагрузки.Стабилизатором напряжения (тока) называется устройство автоматически поддерживающее с требуемой точностью напряжение (ток) на потребителе (R_н) при изменении дестабилизирующих факторов в определённых пределах.Существует три основных метода стабилизации напряжения и тока.

1. Параметрический

2. Компенсационный

3. Комбинированный

1. Параметрический метод – дестабилизирующий фактор непосредственно действует на параметр нелинейного или управляемого элемента. Что в значительной мере ослабляет действие дестабилизирующей величины.

2. Компенсационный метод предусматривает сравнение стабилизируемой величины с какой либо эталонной. Результатом сравнения является разносные напряжения или токи, которые оказывают влияние на уменьшение дестабилизирующей величины. Основным параметром стабилизации является коэффициент стабилизации (К_ст), который всегда должен быть многобольше единицы.

К_ст – это отношение относительного изменения дестабилизирующего фактора к вызванному им относительному изменению стабилизируемой величины.

При этом принимается, что остальные дестабилизирующие факторы не действуют.

Существует два коэффициента стабилизации.

Интегральный коэффициент и дифференциальный коэффициент.

Интегральный коэффициент определяет стабилизацию в заданном диапазоне дестабилизирующего фактора. Дифференциальный коэффициент определяет стабилизацию в одной точке диапазона.

при

- коэффициент передачи напряжения со входа на выход

Значительно большее практическое значение имеет интегральный коэффициент стабилизации.

Входное сопротивление – это отношение напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его приращение тока нагрузки.

при

Рассматривая амплитуды переменных составляющих на входе и выходе как приращение напряжений, получим что интегральный коэффициент стабилизации есть в тоже время и коэффициент сглаживания эквивалентного фильтра. К_инт ≈ К_ф

Стабилизаторы постоянного напряжения и тока

 

Для питания низковольтных устройств широко используются полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения. Стабилизаторы делятся на два основных класса: параллельного и последовательного типов. Наибольшее распространение получили стабилизаторы последовательного типа.

К основным параметрам стабилизаторов напряжения относятся: выходное сопротивление, коэффициент стабилизации, коэффициент полезного действия стабилизатора.

Выходное сопротивление стабилизатора напряжения равно отношению изменения выходного напряжения к соответствующему изменению тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации равен отношению относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного напряжения:

Коэффициент полезного действия – это отношение номинальной мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

На рисунке 4.18 приведена схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения. Рассмотрим случай идеального стабилитрона. Рабочая ветвь вольтамперной характеристики идеального стабилитрона может быть представлена в виде двух отрезков прямых. Дифференциальное сопротивление такого стабилитрона равно бесконечности при напряжениях меньших напряжения стабилизации и равно нулю при напряжении равном напряжению стабилизации. На рисунке 4.19а показана зависимость выходного напряжения параметрического стабилизатора напряжения с идеальным стабилитроном от напряжения, подаваемого на вход стабилизатора. На рисунке 4.19б показана зависимость выходного напряжения этого же стабилизатора от силы тока нагрузки. Пунктиром показана зависимость выходного напряжения этого стабилизатора от тока нагрузки при отключенном стабилитроне.

На рисунке 4.20 приведена схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. Рассмотрим принцип работы этого стабилизатора напряжения как системы автоматического регулирования. Учтем, что при входных напряжениях, которые больше напряжения стабилизации стабилитрона VD1, напряжение на стабилитроне не зависит от входного напряжения. Нестабильность выходного напряжения может быть обусловлена как изменением сопротивления нагрузки, так и изменением входного напряжения.

 

Предположим, что сопротивление нагрузки не изменяется, а входное напряжение увеличивается (уменьшается). Если бы никаких изменений с транзистором VT1 не происходило, то напряжение на нагрузке Rн увеличилось (уменьшилось) бы. Напряжение на стабилитроне равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора и напряжения на нагрузке. При увеличении напряжения на нагрузке напряжение база-эмиттер транзистора уменьшается. В результате ток коллектора транзистора уменьшается и напряжение на нагрузке уменьшается, стремясь к своему первоначальному значению (никогда его не достигая).

 

Теперь рассмотрим случай, когда входное напряжение неизменно, а изменяется сопротивление нагрузки. Пусть сопротивление нагрузки уменьшается. Если бы при этом не происходило никаких изменений с транзистором, то напряжение на нагрузке уменьшилось бы. Уменьшение напряжения на нагрузке при неизменном напряжении на стабилитроне приведет к увеличению напряжения база-эмиттер транзистора VT1, в результате чего увеличится ток коллектора и напряжение на нагрузке тоже будет увеличиваться. Своего первоначального значения напряжение на нагрузке, конечно, не достигнет.

 

На рисунке 4.21 приведена схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения, в котором имеется возможность плавно регулировать величину выходного напряжения. Однако в таком стабилизаторе напряжения выходное напряжения будет изменяться при изменении сопротивления нагрузки. Это обусловлено тем, что при изменении сопротивления нагрузки изменяется сила тока, протекающего через верхнюю часть переменного резистора R2. Существенно уменьшить влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение позволяет стабилизатор, собранный по схеме рисунка 4.22.

Стабилизатор, собранный по схеме рисунка 4.23, имеет электронный предохранитель, ток срабатывания которого регулируется резистором R2. После устранения короткого замыкания в нагрузке, или перегрузки по току предохранитель возвращают в рабочее состояние с помощью кнопки Sb1. Светодиод HL1 является индикатором срабатывания предохранителя. Если ток нагрузки превысит номинальный ток срабатывания предохранителя, то начнет увеличиваться напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT2. Транзистор VT1 начнет открываться, закрывая транзистор VT2. Транзисторы VT1, VT2 будут переходить из одного состояния в другое лавинообразно, подгоняя друг друга. При срабатывании электронного предохранителя ток короткого замыкания в нагрузке очень мал, так как он протекает через резисторы R5, R8, а транзистор VT2 закрыт. Наличие конденсатора С1 позволяет нажимать кнопку Sb1 даже при коротком замыкании в нагрузке. Резистор R1 обеспечивает разрядку конденсатора C1. При отсутствии электронного предохранителя и коротком замыкании в нагрузке очень велика вероятность выхода из строя транзисторов VT3, VT4.

Имеется достаточно широкий ассортимент микросхемных стабилизаторов напряжения. На рисунке 4.24а приведена схема стабилизатора напряжения на микросхеме КР142ЕН12А. Микросхемы КР142ЕН12А и КР142ЕН12Б представляют собой регулируемые стабилизаторы напряжения компенсационного типа с защитой от короткого замыкания. Масса микросхемы не более 2,5г. Вид микросхемы показан на рисунке 4.24б. Внешний делитель напряжения на резисторах R1, R2 позволяет регулировать выходное напряжение от 1,3 до 37В. Максимально допустимое входное напряжение 45В, выходное напряжение 37В, ток нагрузки 1А. Максимальная мощность, рассеиваемая микросхемой без теплоотвода, при температуре окружающей среды от -10°С до +40°С равна 1Вт. Мощность, рассеиваемая микросхемой с теплоотводом, не должна превышать 10 Вт. Микросхема имеет защиту от перегрузки по выходному току.

 

На рисунке 4.25 показана схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе, а на рисунке 4.26 – на полевом транзисторе. Резистор R3 и стабилитрон VD1 образуют параметрический стабилизатор постоянного напряжения.