1.4.2. Параметрические стабилизаторы напряжения
Простейшими линейными стабилизаторами напряжения являются параметрические стабилизаторы, работа которых основана на свойствах вольт-амперной характеристики стабилитрона поддерживать на нем постоянное падение напряжения. Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 36, а.
|
Рис. 36. Параметрические стабилизаторы напряжения |
Считая стабилитрон
источником напряжения
с последовательным сопротивлением
для схемы на рис. 36 а можно записать
следующую систему уравнений:
(64)
где
- ток стабилизации стабилитрона;
- входное напряжение стабилизатора;
- выходной ток стабилизатора, потребляемый
нагрузкой.
Из системы уравнений
(64) можно определить требуемое значение
балластного резистора
.
.
(65)
Такой стабилизатор может работать при токах нагрузки, не превышающих тока стабилизации стабилитрона.
Выходное сопротивление схемы определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона и балластным сопротивлением:
.
(66)
Коэффициент нестабильности по напряжению такой схемы невелик и определяется формулой
,
(67)
где
- сопротивление нагрузки.
Поскольку при построении
параметрических стабилизаторов стремятся
выполнить условия
,
,
то уравнения (66) и (67) упрощаются и
принимают вид
,
.
При необходимости обеспечить больший ток стабилизации используют схему, показанную на рис. 36 б. В данной схеме максимальный ток стабилизации определяется допустимым током коллектора транзистора.
Коэффициент нестабильности схемы на рис.36 б определяется формулой
,
где
,
- параметры транзистора,
- дифференциальное сопротивление
стабилитрона.
Выходное сопротивление схемы на рис. 36 б можно определить по формуле
.
Выходное напряжение
схемы на рис. 36 б будет меньше
напряжения стабилизации стабилитрона
на величину падения напряжения на
эмиттерном переходе
,
т.е.
.
1.4.3. Компенсационные стабилизаторы напряжения
Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) обладают гораздо лучшими характеристиками, чем параметрические, поскольку обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи цепи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения РЭ компенсационные стабилизаторы разделяются на последовательные и параллельные, структурные схемы которых приведены на рис. 37, а и б соответственно.
|
Рис. 37. Структурные схемы непрерывных стабилизаторов |
В состав КСН любого типа входят следующие основные узлы: регулирующий элемент, устройство сравнения (УС) и усилитель постоянного тока (УПТ).
Регулирующий элемент обычно выполняется на составных транзисторах.
Устройство сравнения и усилитель постоянного тока, как правило, функционально объединены. Поэтому одновременно с формированием сигнала рассогласования осуществляется его предварительное усиление.
Пример схемы
компенсационного стабилизатора
напряжения с последовательным включением
РЭ (транзистор
)
приведена на рис. 38.
Часть выходного
напряжения, снимаемая с резистивного
делителя, сравнивается с напряжением
стабилизации стабилитрона. В установившемся
режиме выходное напряжение устанавливается
таким, чтобы падение напряжения на
резисторе
превышало напряжение стабилизации
стабилитрона на величину падения
напряжения на эмиттерном переходе
транзистора
.
Если за счет изменения входного напряжения
или тока нагрузки падение напряжения
на резисторе
увеличится, то транзистор
начнет открываться, и напряжение на
базе регулирующего транзистора
будет уменьшаться. В результате выходное
напряжение также будет уменьшаться до
первоначального установившегося
значения. При уменьшении выходного
напряжения будет происходить обратный
процесс.
|
Рис. 38. Компенсационный стабилизатор напряжения с последовательным включением регулирующего элемента |
Стабилитрон и резистивный
делитель
,
,
можно рассчитать из соотношения
,
(68)
где
- падение напряжения на эмиттерном
переходе транзистора
.
Подстроечный резистор позволяет регулировать выходное напряжение стабилизатора.
Как следует из уравнения (68), долговременная точность стабилизации выходного напряжения будет, в основном, определяться температурными уходами напряжения база-эмиттер транзистора , напряжения стабилизации стабилитрона и делителя выходного напряжения. Для получения минимального значения этой нестабильности необходимо:
- в делителе выходного напряжения применять термостабильные резисторы (например, ПТМН, С5-22, С2-31);
- усилитель постоянного тока выполнять на дифференциальном усилителе с использованием двух транзисторов, выполненных на одном кристалле (например, К1НТ591) или операционных усилителей;
- применять термокомпенсированные стабилитроны.
Поскольку компенсационный
стабилизатор представляет собой
усилитель, охваченный общей отрицательной
обратной связью, то качество стабилизации
будет возрастать с повышением коэффициента
усиления разомкнутого контура усилителя
,
определяемого по формуле:
,
где
- коэффициент передачи резистивного
делителя;
- коэффициент передачи усилителя
постоянного тока (каскад на
);
- коэффициент усиления регулирующего
элемента (в данном случае – транзистора
).
Коэффициент передачи резистивного делителя определяется, как
.
(69)
Коэффициент передачи УПТ для схемы на рис. 38 можно оценить, из выражения
,
(70)
где
- статический коэффициент передачи тока
регулирующего транзистора;
- суммарное сопротивление нагрузки
транзистора
,
включающее в себя сопротивление цепи
стабилитрона, резистивного делителя,
и собственно подключенной нагрузки.
Символ
означает параллельное соединение
резисторов.
Коэффициент усиления
регулирующего элемента можно оценить,
рассматривая каскад на
как эмиттерный повторитель. В первом
приближении можно принять
.
Из полученных выражений следует, что для повышения качества стабилизации следует уменьшать сопротивление верхнего плеча резистивного делителя по сравнению с нижним, применять транзисторы с максимальным значением коэффициента передачи тока, а также выбирать стабилитроны с минимальным дифференциальным сопротивлением.
Современные источники питания выполняются на основе специализированных интегральных схем. При этом весь расчет источника питания сводится к выбору по справочным данным соответствующей интегральной схемы. Значительное число современных интегральных схем для линейных источников питания описано в справочнике [14].