Раздел 7- Стабилизаторы в цепи постоянного тока

Параметрические стабилизаторы

1. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока.

В качестве РЭ здесь, как правило, применяют стабилитроны, в которых используется обратный участок ВАХ – участок пробоя.

На рабочем участке значительным изменениям тока соответствует слабое изменение Если превысить , то мощность рассеиваемая на стабилитроне, будет больше допустимой и он выйдет из строя.

Недостатком стабилитронов является существенная зависимость напряжения от температуры, но теплового гистерезиса эти характеристики не имеют. Обычно температурный коэффициент напряжения имеет величину около , причем, его ВАХ в отличие от простого p-n перехода смещается по горизонтальной оси, как показано на рисунке.

Это свойство используется для термокомпенсации. Поэтому путем последовательного включения стабилитронов можно получить температурный коэффициент до ( прецизионные стабилитроны)

Хотя внутреннее сопротивление (дифференциальное) этой цепочки больше, чем у одного диода , но стабильность высокая.

Диапазон напряжений – от единиц до десятков вольт, токи – от долей мА до единиц Ампер. Емкость перехода порядка 1…7 нФ, поэтому стабилитрон практически безинерционен до частот ~ 1 МГц, высокая надежность и большой срок службы. Стабилитроны с напряжением менее трёх вольт работают на прямом участке ВАХ и называются стабисторами.

Простейший параметрический стабилизатор состоит из балластного резистора R0 и стабилитронаVD1:

При заданных минимальных и максимальных значениях рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего (линейного) участка.

Коэффициент стабилизации этой схемы по входному напряжению:

, где - коэффициент передачи постоянной составляющей (иногда его называют КПД, но это очень приближённо).

Видно, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона , тем выше стабильность. Можно взять больше R₀, но сильно увеличивать его нельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать , что приведет к снижению .

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется стабилитрона, которое зависит от напряжения стабилизации.

Видно, что минимальное значение находится около 6…7В, т.е. стабилитроны с таким имеют . По этой причине прецизионные стабилитроны имеют напряжение стабилизации 9…10 Вольт (основной переход и несколько компенсирующих).

Коэффициент полезного действия стабилизатора:

и составляет т.к. велики потери в . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора

Напряжения

На рисунке представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрерывного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе – VT2, источником эталонного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R₂ ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R₃, R₄.

При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени возрастает напряжени на нагрузке U₂ и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R₄. Напряжение ошибки U_e увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится более положительным. Транзистор VT2 приоткрывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По закону Кирхгофа для узла:

I_δ1 = I₁ – I_K2 , поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения ∆U_КЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке восстанавливается.

Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом, нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U_1ном.

При возрастании напряжения U₁ катет прямоугольного треугольника U₂ остается постоянным, изменяется падение напряжения ∆U_КЭ1 = U₁ – U_{2 .} Рабочая точка переходит из положения “1” в “2”.

Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки.

При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника I_К1, что приводит к увеличению падения напряжения на РЭ - ∆U_КЭ1 и уменьшению напряжения на нагрузке. Рабочая точка переходит из положения “1” в “2” и происходит приоткрывание транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается.

Раздел 7- Стабилизаторы в цепи постоянного тока

Основные определения

Стабилизатор – устройство автоматического поддержания в заданных пределах напряжения или тока при воздействии дестабилизирующих факторов (напряжение, ток, температура, давление, влажность и пр.).

Стабилизатор должен обязательно иметь регулирующий орган (РЭ - регулирующий элемент).В зависимости от способа включения РЭ все стабилизаторы делят на параллельные и последовательные.

В параллельном стабилизаторе РЭ включен параллельно нагрузке. Эти стабилизаторы не боятся перегрузок по току и КЗ нагрузки .

Через балластный резистор протекает ток . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения тока можно менять падение напряжения на и тем самым поддерживать выходное напряжение постоянным .

В последовательном стабилизаторе РЭ включен последовательно в цепь тока нагрузки:

Здесь . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения внутреннего сопротивления РЭ можно изменять падение напряжения на нём и поддерживать выходное напряжение постоянным .

В зависимости от того, чем управляется РЭ все стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах управление РЭ производится тем же внешним воздействием, которое нарушает постоянство выходной величины. В них используются нелинейные свойства характеристик приборов (вольт-амперных, ампер-вольтовых, вебер-амперных, Ом-градусных, вольт-секундных и др.) - это стабилитроны, дроссели насыщения, термосопротивления и т.п.

В компенсационных стабилизаторах управление РЭ производится отклонением выходной величины от заданного значения независимо от того, чем вызвано это отклонение. Эти стабилизаторы содержат эталон и цепь обратной связи.

Стабилизаторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению в номинальном режиме:

иногда используется нестабильность выходного напряжения при неизменной нагрузке (или статическая ошибка)

при

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора:

при

Зная можно найти при изменении тока нагрузки.

Вместо иногда используют нестабильность выходного напряжения по току

нагрузки (или динамическая ошибка):

при

3. Температурная нестабильность:

или

При

4. Коэффициент сглаживания пульсаций:

,

где - амплитуда пульсаций.

Если пульсации считать нестабильностью входного напряжения определённой частоты, то q должен быть равным K_U, но обычно это не выполняется в компенсационных стабилизаторах из-за частотных свойств цепи обратной связи, поэтому q ≠ K_U.

5. Коэффициент полезного действия:

Стабилизаторы напряжения переменного тока дополнительно характеризуются нестабильностью по частоте сети ( ), нестабильностью входного импеданса ( ) и коэффициентом мощности. Существенны также их масса, объём и срок службы.

Наибольший вклад в общую нестабильность выходного напряжения вносят первые три составляющие. В зависимости от этой суммарной нестабильности стабилизаторы делят на:

низкой точности

средней точности

высокой точности

прецизионные

Для питания аппаратуры связи достаточно стабилизаторов средней точности.