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.