Стабилизаторы напряжения.

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации , выходное сопротивление и коэффициент полезного действия .

Коэффициент стабилизации определяют из выражения

,

где , , - постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора;

- изменение напряжения ,

- изменение напряжения , соответствующее изменению напряжения .

Таким образом, коэффициент стабилизации - это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора. Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного напряжения. У простейших стабилизаторов величина составляет единицы, а у более сложных - сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением

,

где - изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора;

- изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора - это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку к мощности, потребляемой от входного источника напряжения :

.

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной

характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 6.10).

Проанализируем данную схему (рис. 6.10, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 6.10, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 6.10, в). Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения (на ), а значит, и входного напряжения , выходное напряжение изменяется на незначительную величину . Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более вертикально идет характеристика стабилитрона), тем меньше .

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 6.10, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения (на схеме пунктир):

, так как ;

; .

Определим , задав :

,

так как обычно .

Следовательно, .

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением. В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ - биполярный или полевой транзистор. Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 6.11,а). Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 6.11, б). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление , включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные). В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных - в импульсном .

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 6.12.). Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Из схемы (рис. 6.12) очевидно, что на элементах , , D и T1 построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе T1, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах и D. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

;

;

.

Подставляя выражение для в предыдущее уравнение, получим

,

следовательно, .

Последнее выражение в точности повторяет соответствующее выражение для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение ).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада - на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярными и входным и выходным напряжениями.

В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 6.1. Микросхемы К142ЕН5, ЕН6 , ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, и не требуют подключения внешних элементов.

Таблица 6.1.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы. Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 - 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 -50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе. Ток, протекающий через силовой элемент, находящийся в замкнутом состоянии, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов. К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим последовательный импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.13). Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение , где , - длительности отрезков времени включенного и выключенного состояний ключа. Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Вопросы для самопроверки

1.Можно ли эксплуатировать выпрямитель без сглаживающего фильтра?

2.Укажите основные технические показатели выпрямительных схем.

3.Как подбирают вентили (диоды) для работы в схемах выпрямления?

4.Объясните физический смысл коэффициента пульсаций.

5.Нарисуйте графики, иллюстрирующие форму выпрямленного напряжения для однополупериодного выпрямителя, работающего на чисто активную и емкостную нагрузку.

6.Нарисуйте схему мостового выпрямителя и поясните принцип его работы.

7.В чем состоят достоинства мостового выпрямителя по сравнению с однополупериодным?

8.Укажите достоинства и недостатки сглаживающих RC-фильтров по сравнению с фильтрами типа LC.

9. В чем состоит различие между стабилизаторами напряжения параметрического и компенсационного типа?

10.Составьте схему параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне. Объясните принцип действия схемы и назначение элементов.

11.С какой целью в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения используется источник опорного напряжения?

12. Найдите коэффициент стабилизации по напряжению, если при изменении напряжения на входе на 10% напряжение на выходе стабилизатора изменяется на 0,01%.

13.Какое из указанных значений выходного сопротивления стабилизатора предпочтительней? Найдите правильный ответ: 1) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5) .

14.Напряжение и ток на выходе стабилизатора на 10% меньше соответствующих величин на входе. Определите КПД стабилизатора.

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1982.

2. Игумнов Д.В., Королев Г.В., Громов И.С. Основы микроэлектроники: Учебник для техникумов. – М.: Высшая школа, 1991.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Сов. радио, 1980.

4. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.

5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982.

6. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1989.

7. Ерофеев Ю.Н. Основы импульсной техники: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1979.

8. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1981.

9. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

10. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы: Учебник для вузов. – Мн.: Высшая школа, 1999.

11. Батушев В.А. Электронные приборы: – М.: Высшая школа, 1980.

12. Лачин В.И., Савелов Н.С. . Электроника: Учебное пособие. – Ростов н/Д: Издательство <Феникс>, 2000.

13. Лебедев О.Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справ. пособие. – М.: Радио и связь, 1994.

14. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник. Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

15. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП: Пер. с англ./ Т. С. Ратхор .- 2-е изд., доп. - М.: Техносфера, 2006. - 390 с.

16. Микросхемы АЦП и ЦАП: Справочник. - М.: Додэка-XXI, 2005 - 432 с.