2.7.2 Стабилизатор постоянного напряжения вторичного электропитания

РЭА параметрические

Параметрические стабилизаторы напряжения выполняются на специальных полупроводниковых диодах : стабилитронах и стабисторах. Принцип работы этих диодов рассмотрен ранее . Для стабилизации напряжения при помощи стабилитрона используют обратную ветвь вольт - амперной характеристики полупроводникового диода, а при помощи стабистора – его прямую ветвь.

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включается резистор. Типовая схема включения стабилитрона в параметрическом стабилизаторе приведена на рисунке 2.40.

84

Рисунок 2.40 – Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения на одном стабилитроне

Работа типовой схемы стабилизатора, приведенной на рисунке 2.40, происходит следующим образом. Входное напряжение U_вх через гасящий

( балластный ) резистор R_г подводится к параллельно включенному стабилитрону VD и сопротивлению нагрузки R_н. Поскольку напряжение на стабилитроне изменяется незначительно, то же относится и к напряжению на нагрузке. Если входное напряжение увеличивается, то практически все приращение ∆U_вх передается на резистор R_г, что приводит к увеличению тока в нем. Это увеличение тока происходит за счет увеличения тока стабилитрона при почти неизменном токе нагрузки.

Коэффициент стабилизации по напряжению (по току) параметрического однокаскадного стабилизатора определяется по формулам :

К _ст(U) = (U_вых/U_вх)·R_г/r_ст, ( 2.48 )

К_ст(I)= R_вых/ R_н , ( 2.49 )

где R_вых – выходное сопротивление одно каскадного стабилизатора

R_вых= (R_г· r_ст)/(R_г+r_ст). ( 2.50 )

Для уменьшения нестабильности, при изменении входного напряжения, используются многокаскадные параметрические стабилизаторы. В таких стабилизаторах выход первого каскада соединен входом второго и т.д. В двухкаскадном параметрическом стабилизаторе должно выполняться условие U_вх>U_ст1>U_ст2. При этом питание второго стабилизатора производится почти неизменным напряжением U_ст1, даже при изменении U_вх. Коэффициент стабилизации определяется по формуле К_ст = К_ст1 · К_ст2. Недостатком такой схемы является пониженный КПД, так как для нее требуется значительное входное напряжение U_вх.

85

г)

Рисунок 2.41 - Схемы двухкаскадного параметрического стабилизатора (а), мостового стабилизатора (б), схема температурной стабилизации (в) и схема однокаскадного параметрического стабилизатора

Мостовой параметрический стабилизатор приведен на рисунке 2.41,б. В этой схеме используется принцип компенсации изменения напряжения стабилизации стабилитрона за счет противоположного изменения напряжения на компенсирующем резисторе R_d. В таком стабилизаторе выходное напряжение равно разности напряжения стабилизации стабилитрона VD и падения напряжения на резисторе R_d.

При увеличении напряжения U_вх увеличивается напряжение на стабилитроне VD. Одновременно с этим увеличивается напряжение на резисторе R_d. Если величина резистора R_d подобрана таким образом, чтобы увеличение напряжения на стабилитроне равно увеличению напряжения на резисторе R_d, то выходное напряжение U_вых почти не изменяется. Для этого необходимо выполнить условие r_ст/R_г1=R_d/R_г2. На практике, однако, удается увеличить К_ст не более чем в пять раз по сравнению с однокаскадным стабилизатором. К недостаткам мостового стабилизатора следует отнести увеличенное выходное сопротивление.

Температурная стабилизация параметрических схем может выполняться посредством компенсации ТКН, как показано на рисунке 2.41,в. Так как стабилитроны с напряжением стабилизации больше 6 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения около 4мВ/ °С, а диоды при прямом включении имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения

86

(около -2 мВ/°С), то при последовательном соединении стабилитрона и двух или

нескольких диодов можно в значительной мере обеспечить температурную стабилизацию напряжения стабилитрона.

Термокомпенсированные стабилитроны можно использовать в качестве источников высокостабильного напряжения, если обеспечить их питание стабильным током. Значительно повысить коэффициент стабилизации в параметрическом однокаскадном стабилизаторе можно, если вместо линейного гасящего резистора Rг (смотри рисунок 2.40) применить высокоомный транзисторный двухполюсник. Схема такого стабилизатора приведена на рисунке 2.42.

Рисунок 2.42 – Схема с высокоомным транзисторным двухполюсником

Работа двухполюсника такая же, как работа фильтра типа ФК. В фильтре ФК ток коллекторный транзистора VT изменяется незначительно, так как рабочая точка транзистора выбирается на горизонтальном участке вольт - амперной характеристики. Если коллекторный ток изменяется незначительно, то и ток протекаемый через стабилитрон изменяться будет незначительно , а следовательно изменения напряжения на стабилитроне уменьшается, за счет чего повышается коэффициент стабилизации.

87

Дополнительный материал к лекции 19 для самостоятельной работы

На рисунке 2.43, а приведена схема Вильямса «с двойным кольцом», в которой используются биполярные транзисторы. Напряжение на базе транзистора VT₁ поддерживается равным напряжению U_вых. Коллекторный ток VT₁ равный эмиттерному току, который течет через стабилитрон VD₁. Напряжение на стабилитроне VD₁ определяет напряжение на базе VT₂. Добиваются в схеме так , чтобы ток коллектора транзистора VT₁ был равны коллекторному току транзистора VT₂. За счет такой обратной отрицательной связи значительно снижается дифференциальное сопротивление стабилитрона. Ток стабилитрона не зависит от напряжения входа, а определяется по формуле I_ст=U_бэ/R₁, где U_бэ- Рисунок 2.43 – Схемы стабилизированных источников опорного напряжения: с

отрицательной обратной связью на транзисторах (а) и на

операционном усилителе (б)

напряжение база-эмиттер транзистора VT₁. Данная схема обеспечивает высокий температурный коэффициент выходного напряжения, но может работать только при напряжении U_вых=7 В.

Этого недостатка лишена схема , приведенная на рисунке 2.43,б. Благодаря применению операционного усилителя DA выходное напряжение можно изменять в достаточно в широких пределах. Выходное напряжение определяется

по формуле

U_вых= U_ст(1+R₂/R₃), (2.51 )

88

где U_ст- напряжение термокомпенсирующего стабилитрона,

R₂ и R₃ – резисторы в цепи отрицательной обратной связи.

Ток стабилитрона поддерживается неизменным и выбирается по формуле

I_ст= (U_вых – U_ст)/R₁ . ( 2.52 )

где R₁ – сопротивление в цепи положительной обратной связи.

Параметрические стабилизаторы напряжения широко применяются в качестве источников опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения, но простой стабилитрон не отвечает требованиям, предъявленным к опорным источникам напряжения. Поэтому были разработаны опорные источники с напряжением запрещенной зоны. На этой основе выполнен регулируемый прецизионный интегральный стабилитрон типа 142 ЕН19 ( аналог микросхемы ТL431 фирмы Техаs Instruments). Упрощенная схема этой ИМС приведена на рисунке 2.44,а. Основными элементами этой микросхемы ИМС являются источник опорного напряжения, выполненный по схеме « запрещенной зоны» и операционный усилитель ОУ, позволяющий устанавливать выходное напряжение при помощи внешнего резисторного делителя R₁ и R₂, как показано на схемах включения (рисунок 2.44,б). Основные характеристики этого интегрального стабилитрона значительно превосходят характеристики обычных стабилитронов.

а) б)

Рисунок 2.44 - Упрощенная интегральная схема стабилитрона 142ЕН19 и

условное схематическое обозначение (а); его схема

включения (б)

Основное достоинство кремниевых параметрических стабилизаторов

89

напряжения является их фильтрующие свойства.

Так как статическое сопротивление стабилитрона намного меньше динамического, то схема со стабилитроном эквивалентна активно-емкостному фильтру. Эквивалентная емкость в таком фильтре может быть подсчитана по формуле

С_ф= 1/ (2π· f₁ ·r_d), ( 2.53)

где f₁- частота первой гармоники пульсации входного напряжения,

r_d – динамическое сопротивление стабилитрона.

Так как коэффициент стабилизации безинерционного стабилизатора численно равен коэффициенту сглаживания эквивалентного фильтра, т.е. К_ст= К_ф, то при расчете пульсаций на выходе выпрямительных устройств с кремниевым стабилизатором следует в К_ф раз уменьшить коэффициент сглаживания дополнительного фильтра.

Выходное сопротивление стабилизатора состоит, с учетом малости внутреннего сопротивления источника, из двух параллельно включенных сопротивлений R_г и r_d , из которых R_г > r_d. Отсюда следует, что

r _{вых стб} = r _d. ( 2.54)

Если стабилитрон шунтируют емкостью для улучшения фильтрующих свойств, то заодно уменьшают и выходное сопротивление стабилизатора. Дифференциальное сопротивление кремниевых стабилитронов невелико, что позволяет получать малое значение выходного сопротивления.

К достоинствам параметрических стабилизаторов напряжения является их простота и малое количество элементов.

К недостаткам параметрических стабилизаторов напряжения является невозможность плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, малый коэффициент стабилизации, а так же низкий КПД.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните назначение стабилизаторов напряжения (тока) в схемах источников питания.

2 В чем состоит различие между стабилизаторами напряжения

параметрического и компенсационного типа ?

3 Составьте схему параметрического стабилизатора постоянного напряжения. 4 Поясните принцип действия схемы параметрического стабилизатора

постоянного напряжения, назначение элементов.

5 Как можно повысить коэффициент стабилизации в параметрическом

стабилизаторе напряжения ?

6 Назовите основные параметры стабилизаторов напряжения.

7 Нарисуйте мостовую схему стабилизатора напряжения и поясните принцип

ее работы.

90

8 Нарисуйте схему стабилитронного опорного напряжения с отрицательной

обратной связью и поясните принцип ее работы.

9 Нарисуйте схему интегрального стабилитрона 142ЕН19 и ее включение в

схему.

10 Для чего необходим гасящий резистор в параметрическом стабилизаторе

напряжения.?

11 Какие условия нужны для выбора гасящего резистора в параметрическом

стабилизаторе напряжения.

12 Какие условия выбора стабилитрона для параметрического стабилизатора

напряжения ?

Примеры задач до лекции 19

Задача 1

Выбрать стабилитрон для параметрического стабилизатора напряжения, если нагрузка имеет такие параметры: Р_н =75 мВт; напряжение — U_H = 6,8 В.

Решение: Поскольку стабилитрон выбирается по напряжению нагрузки,

U_{CT. н} = U_H = 6,8 В.и по мощности Р_н =75 мВт. Такие условия удовлетворяет стабилитрону типа КС468А.

Задача 2

Рассчитайте сопротивление гасящего резистора R_г в схеме параметрического стабализатора напряжения, если мощность нагрузки Р_н = 50 мВт; напряжение U_н = 5,6 В; напряжение на входе стабилизатора U_вх = 7,5 В.

Решение: 1 Выбираем стабилитрона по условием U_ст.н =U_H. Этому условию удовлетворяет стабилитрон КС456А. Паспортные данные стабилитрона: U_CT.H = 5,6 В: I_{ст мин}= 3 мА; I_{ст макс} = 30 мА.

2 Номинальное значение тока стабилизации стабилитрона

I_ст.н. = ( I_{ст. мин} + I_{ст. макс.} ) / 2 ,

I_ст.н. = ( 3 + 30 ) / 2 = 16, 5 мА.

3 Номинальное значение тока нагрузки

I_н = Р_н / U_н ,

I_н = 50 / 5,6 = 8,93 мА.

4 Сопротивление гасящего резистора равна

R_г = (U_вх - U_ст.н ) / ( I_н + I_ст.н ) ,

R_г = ( 7,5 – 5,6 ) / ( 8,93 +16,5 ) 10^-3 = 74,7 Ом.

Выбираем согласно ГОСТ 2825-67 - R_г = 75 Ом.

91

5 Мощность рассеивания на резисторе R_г Р_г = (U_вх - U_ст.н )² / R_г ,

Р_г = ( 7,5 – 5,6 )² / 75 = 0,048 Вт

Гасящий резистор R_г - МЛТ – 0,125 Вт – 75 Ом ±5 %.

Задача 3

Проверить условия стабилизации параметрического стабилизатора, если колебания входного напряжения составляют ±10% U. Стабилизатор выполнен на базе стабилитрона КС456А, величина гасящего резистора R_г = 75 Ом, мощность и напряжение нагрузки Р_н = 50 мВт , U_H = 5,6 В, номинальное значение входного напряжения стабилизатора U_вх. = 7,5 В.

Решение: 1 Из уравнения электрического равновесия стабилизатора ( рисунок 2.40)

U_вх = U_н + R_г ( I_н + I_ст ) ,

Откуда находим I_ст = [U_вх - U_н ( R_г/R_н +1)] / R_г ,

I_ст = [7,5 – 5,6 9 ( 75/627,2 + 1)] / 75 = 0,015 А.

где R_H = U²_Н /Р_н = 5,6 ² / 0,05 = 627,2 Ом — сопротивление нагрузки.

2 На основании этого выражения минимальное значение тока через стабилитрон, которое отвечает сниженному на 10% входному напряжению (U_мин= 0,9U_вх = 6,75 В): I_{ст. мин} (0,9U_вх) = 13,5 мА.

3 Определяем максимальное значение тока через стабилитрон, который отвечает повышенной на 10% входном напряжении ( U_мин = 1,1U_вх = 8,25 В) за тем же выражением: I_{ст.макс} (1,1U_вх) = 16,5мА.

4 Проверяем, обеспечивает ли условия стабилизации этот стабилизатора путем сравнения минимального І_ст.мин = З мА и максимального I_стмакс = 30 мА значений токов стабилитрона КС456А с токами, которые определенны для сниженного I_{ст. мин} (0,9U_вх) = 13,5 мА. и повышенного I_{ст.макс} (1,1U_вх) = 16,5мА входного напряжения стабилизатора на 10%.

І_ст.мин = 3 мА < I_{ст. мин}(0,9U_вх) = 13,5 мА ,

I_стмакс = 30 мА > I_{ст.макс} (1,1U_вх) = 16,5мА .

Следовательно, этот стабилизатор обеспечивает условия стабилизации для колебаний входного напряжения ±10%U, потому что ток через стабилитрон не выходит за пределы предельных значений тока стабилитрона.

Задачи для самостоятельной работы

1 Выбрать стабилитрон для параметрического стабилизатора напряжения, от которого питается потребитель постоянного тока мощностью Р_н = 1,5 Вт, и

напряжением — U_H = 22 В.

2 Для стабилизации напряжения потребителя постоянного тока мощностью

92

Р_н = 800 мВт, напряжением U_H = 11 В используется параметрический стабилизатор на стабилитроне Д814Г. Определить сопротивление гасящего резистора, если напряжение на входе стабилизатора U =14 В.

3 Определить ток стабилитрона параметрического стабилизатора напряжения при понижении входного напряжения на 10%. Стабилизатор выполнен на базе стабилитрона 2С524А, сопротивление гасящего резистора R_г = 180 Ом, мощность и напряжение нагрузки Р_н = 360 мВт, U_H=24B, номинальное значение входного напряжения стабилизатора U_вх = 30 В.

4 Определить ток стабилитрона параметрического стабилизатора напряжения при повышении входного напряжения на 10%. Стабилизатор выполнен на базе стабилитрона Д817А, сопротивление гасящего резистора R_г = 470 Ом, мощность и напряжение нагрузки Р_н =560мВт, U_H =56 В, номинальное значение входного напряжения стабилизатора U = 70 В.

5 Вычислить ток нагрузки в схеме параметрического стабилизатора напряжения, который характеризуется U_ст.н = 10 В, I_Ст.н = 22 мА, если входной ток стабилизатора равняется 124 мА.

6 Вычислить напряжение на входе параметрического стабилизатора напряжения с параметрами I_ст.н = 9 В, U_Ст.н ⁼ 18,5 мА, если сопротивление гасящего резистора

R_г = 230,8 Ом и R_H = 1200 Ом.

7 Определить ток стабилитрона в цепи параметрического стабилизатора напряжения, если U_ст.н ⁼ 24 В, если входной ток I_вх = 15,4 мА, сопротивление нагрузки R_н = 10 кОм.

8 Для параметрического стабилизатора напряжения с параметрами U_ст.н = 100 В,

I_ст.н. = 26,4 мА ,определите допустимый прирост входного напряжения, если максимально допустимый ток стабилитрона I_{ст. макс}. = 154 мА. Напряжение питания U = 120 В, а сопротивление гасящего резистора R_г = 142 Ом.

9 Для параметрического стабилизатора напряжения использован стабилитрон с параметрами U_ст.н ⁼ 40 В, I_ст.н = 30 мА. Входное напряжение стабилизатора

U_вх= 50 В, а сопротивление гасящего резистора R_г = 48 Ом. Вычислить минимально допустимое напряжение, если I_ст.мин = 9,2 мА.

10 Напряжение на входе параметрического стабилизатора напряжения U_вх =100 В колеблется в границах ±5%. Определить минимальный и максимальный ток стабилитрона, если известно U_ст.н ⁼ 80 В, R_H = = 16 кОм, R_г = 400 Ом.

Литература

1 Векслер Г.С.,Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с. 231…240, 249…258.

2 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций.4-еизд. –СПб.: КОРОНА принт,2004. с.332…342.

3 Джонс М.С Электроник –практический курс.М.:Постмарке,1999.

3 Стахів П.Г., Коруд В.І. , Гамола О.Є. Основи електроніки : функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. – Львів : : « Новий Світ – 2000»; « Магнолія плюс ». – 2003. – 2008 с. 63...70.

93

Лекция 20

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте схему с высокоомным транзисторным двухполюсником.

2 Нарисуйте схему двухкаскадного параметрического стабилизатора.

3 Нарисуйте схему мостового стабилизатора напряжения.

4 Нарисуйте схему температурной стабилизации и схема однокаскадного

параметрического стабилизатора напряжения

5 Нарисуйте схему стабилизированного источника опорного напряжения с

отрицательной обратной связью на транзисторах.

6 Нарисуйте схему стабилизированного источника опорного напряжения с

отрицательной обратной связью на операционном усилителе.