37. Стабілізатори напруги: параметричні та компенсаційні

Стабілізатори напруги — це електронні пристрої, призначені для підтримання сталого значення напруги з необхідною точністю в зада­ному діапазоні зміни напруги джерела або опору навантаження (де­стабілізуючі чинники). За принципом роботи стабілізатори напруги поділяються на параметричні та компенсаційні. Параметричний ме­тод стабілізації базується на зміні параметрів нелінійного елемента стабілізатора, залежно від зміни дестабілізуючого чинника, а стабілі­затор називають параметричним.

В компенсаційному методі стабілізації у вимірювальному елементі порівнюється величина, що стабілізується, з еталонною і виробляєть­ся сигнал розузгодження. Цей сигнал перетворюється, підсилюється і подається па регулювальний елемент.

ПАРАМЕТРИЧНІ СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ

Параметричний стабілізатор напруги на базі стабілітрона пока­зано на рис. 1.

Особливості роботи такого стабілізатора напруги базуються на то­му, що напруга стабілітрона на зворотній ділянці його вольт-амперної характеристики Uc.доп змінюється незначно в широкому діапазоні зміни зворотного струму стабілітрона. Тобто коливання напруги на вході стабілізатора зумовлюють значну зміну струму стабілітрона при незначних змінах напруги на ньому.

Рис. 1. Схема параметричного стабілізатора напруги

Стабілізатори характеризуються коефіцієнтом стабілізації

який для параметричних стабілізаторів становить Кст.u= 20 30.

Рівняння електричної рівноваги для такого стабілізатора має виг­ляд: U = UH + RБІ , де RБ — баластний опір, необхідний для зменшен­ня впливу дестабілізуючих чинників на напругу навантаження.

Опір баластного резистора RБ вибирають таким, щоб при номі­нальному значенні напруги джерела U, напруга і струм стабілітрона теж дорівнювали номінальним значенням Uст.н , Іст.н, Величину Іст.н визначають за паспортними даними та виразом

Іст.н = (Іст.мін+Іст.Макс)/2.

Тоді, з рівняння електричної рівноваги, визначаємо баластний опір за виразом

де Існ, = PнUн; U  Ud; І = Іст.н + Ін.

Роботу параметричного стабілізатора зручно ілюструвати за допо­могою вольт-амперної характеристики (ВАХ) стабілітрона та відпові­дної графічної побудови навантажувальної прямої (рис. 2). Для по­будови ВАХ стабілітрона за його паспортними даними через точку з координатами Uст.н, Іст.н проводять пряму лінію під кутом  до осі координат, що визначається значенням динамічного опору стабілітрона Rд. Далі будуємо навантажувальну характеристику при номінальній напрузі джерела. Для цього визначаємо координати двох точок, через які проходитиме пряма. А саме, точка з координатою Uст.н, Іст.н та точка на осі ординат, яка визначається за виразом І = U/RБ. Через ці точки проводимо навантажувальну пряму.

Рис. 2. Графічна інтерпретація роботи параметричного стабілізатора напруги

Роботу стабілізатора перевіряють за умови його здатності забезпе­чувати задане значення Uн при коливаннях вхідної напруги U. Для прикладу, якщо вхідна напруга змінюється в межах ±10%, то на виході стабілізатора коливання напруги Uн становить ±0,1% (рис. 35). Побудова навантажувальних прямих при зміні напруги мережі в межах ±10% здійснюється шляхом паралельного зсуну навантажувальної ха­рактеристики при номінальній напрузі мережі відповідно вліво і вправо на 0,1 U. За допомогою цієї побудови можна з'ясувати, чи при таких коливаннях напруги мережі забезпечуються умови стабілізації, тобто, чи точки перетину зсунених навантажувальних характеристик з ВАХ стабілітрона не виходять за межі значень струмів стабілітрона Іст.мін і Іст.Макс.

КОМПЕНСАЦІЙНІ СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ

Робота компенсаційних (транзисторних) стабілізаторів напруги базується на порівнянні вихідної напруги стабілізатора з еталонною. Якщо вони не рівні між собою, то різниця цих напруг підсилюється й подається на регулювальний елемент, який відновлює вихідну напругу до стабілізованої величини. Такі стабілізатори дозволяють розширити діапазон стабілізованих напруг та забезпечити вищу якість стабіліза­ції (Кст.u > 50) порівняно з параметричними стабілізаторами.

За способом вмикання регулювального елемента відносно наван­таження, компенсаційні стабілізатори поділяють на послідовного та паралельного типів.

На рис. 3 зображено компенсаційний стабілізатор послідовного типу.

Рис. 3. Схема компенсаційного стабілізатора напруги

Транзистор VT1 виконує функцію регулювального елемента, а транзистор VT2 — функцію підсилювального елемента. Еталонна на­пруга задається з допомогою стабілітрона VD. Вона порівнюється з напругою на резисторі R2, яка пропорційна вихідній напрузі стабіліза­тора, тому що цей резистор є плечем дільника напруги R1, R2. Різниця цих напруг підсилюється транзистором VT2 і виділяється на резисторі Ry. Напруга на цьому резисторі є вхідною напругою регулювального елемента VT1 і, тому, зумовлює зміну напруги емітер-колектоp VT1, завдяки чому забезпечується стабілізація вихідної напруги.

38. Джерело живлення - елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила.

Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору.

До джерел живлення належать гальванічні елементи, електрохімічні батареї, акумулятори, термопари, сонячні батареї, електричні генератори тощо.

В залежності від електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму.

Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори тощо.

А Автономне джерело живлення Акумулятор Б Батарейка Блок живлення В Внутрішній опір Г Гальванічний елемент 39. Генератор електричних сигналів

Д Джерела енергії зварювального струму Джерело безперебійного живлення Джерело живлення Джерело напруги Джерело струму І Імпульсний стабілізатор напруги

К Коефіцієнт потужності Комп'ютерний блок живлення С Стабілізатор напруги Т Термоакумулятор Х Хімічні джерела енергії Я Ядерна батарея

Генератор сигналів - це пристрій, що дозволяє отримувати сигнал певної природи (електричний, акустичний або інший), що має задані характеристики (форму, енергетичні чи статистичні характеристики і т. д.). Генератори широко використовуються для перетворення сигналів, для вимірювань і в інших областях. Складається з джерела (пристрої з самозбудженням, наприклад підсилювача охопленого ланцюгом позитивного зворотного зв'язку) і формувача (наприклад, електричного фільтра

1. Генератори електричних коливань

• За формою вихідного сигналу:

  • Синусоїдальних, гармонійних коливань (сигналів) ( генератор Мейснера, генератор Хартлі (індуктивна трехточка), генератор Колпітца (ємнісна трехточка) тощо) ^[1]

  • Прямокутних імпульсів - мультивібратори, тактові генератори

  • Функціональний генератор - прямокутних, трикутних і синусоїдальних імпульсів

  • Генератор лінійно-змінюється напруги (ГЛИН)

  • Генератор шуму

Існують також генератори більш складних сигналів, таких, як телевізійна випробувальна таблиця

• За частотному діапазону:

  • Низькочастотні

  • Високочастотні

• За принципом роботи:

  • Стабілізовані кварцовим резонатором - Генератор Пірса

  • Блокінг-генератори

  • LC-генератори

  • RC-генератори ^[2] [3]

  • Генератори на тунельних діодах

• За призначенням:

  • Генератор тактових імпульсів

Більшість генераторів є перетворювачами постійного струму в змінний струм. Малопотужні генератори будують на однотактний підсилювальних каскадах. Більш потужні однофазні генератори будують на двотактних (полумостовим) підсилювальних каскадах, які мають більший ККД і дозволяють на транзисторах тієї ж потужності побудувати генератор з приблизно вдвічі більшою потужністю. Однофазні генератори ще більшої потужності будують за чотиритактної (полномостовой) схемою, яка дозволяє приблизно ще вдвічі збільшити потужність генератора. Ще більшу потужність мають двофазні і трифазні двотактні (полумостовим) і чотиритактні (полномостовие) генератори

1.1. Генератори гармонійних коливань

Блок схема генератора

Генератор (виробник) гармонійних коливань є підсилювач з позитивним зворотним зв'язком. Підсилювач з негативним зворотним зв'язком є дискримінатор(заглушувачів, активним фільтром). Підсилювач генератора може бути як однокаскадні, так і багатокаскадні.

Типовий графік залежності амплітуди вихідного сигналу генератора від частоти

LC-генератор з перехресними зв'язками на кільці з двох інверторів

Ланцюги позитивного зворотного зв'язку виконують дві функції: зсув сигналу по фазі для отримання петлевого зсуву близького до n * 2π і фільтра, що пропускає потрібну частоту. Функції зсуву фази і фільтра можуть бути розподілені на дві складові частини генератора - на підсилювач і на ланцюгу позитивного зворотного зв'язку або цілком покладено на ланцюзі позитивного зворотного зв'язку. У ланцюзі позитивного зворотного зв'язку можуть стояти підсилювачі.

Необхідними умовами для виникнення гармонійних незгасаючих коливань є:  1. петлевий зсув фази рівний n * 360 90 ,  2. петлеве посилення> 1,  3. робоча точка підсилювального каскаду в середині діапазону вхідних значень. Необхідність третьої умови.  Петлевий зсув фази і в тригері і в генераторі дорівнює близько 360 . Петлеве посилення в тригері майже вдвічі більше, ніж в генераторі, але тригер не генерує, так як робітники точки каскадів в тригері зміщені на краю діапазону вхідних значень і ці стани в тригері стійкі, а стан з середньою величиною вхідних значень - нестійка. Такий характеристикою володіє компаратор.  У гармонійному генераторі середній стан стійке, а відхилення від середнього стану нестійкі.

40. Операційний підсилювач - це підсилювач постійного струму (ППС), його

амплітудно-частотна характеристика не має завалу в області низьких частот,

оскільки ОП не містить роз'єднувальних конденсаторів. Для того, щоб при

відсутності вхідних сигналів потенціал виходу можна було звести до нуля

(потенціалу землі), живлення ОП роблять двополярним та звичайно

симетричним (наприклад, +/-12,6 В).

Хороший підсилювач повинен задовольняти таким вимогам:

 мати великий коефіцієнт підсилення k;

 великий вхідний опір RВХ та малий вихідний опір RВИХ;

 широку смугу пропускання за частотою;

 здатність підсилювати постійну напругу зі зсувом режимної складової

на виході;

 диференціальні входи з великим коефіцієнтом ослаблення за

синфазним сигналом;

 малі нелінійні спотворення при майже повному використанні напруги

живлення;

 малий температурний дрейф нуля UДР.

Всім або майже всім цим вимогам відповідає операційний підсилювач

(ОП), названий так тому, що за його допомогою можна виконувати більшість

операцій, потрібних для підсилення і обробки сигналів. До того ж, операційні

підсилювачі виготовляються у вигляді інтегральних мікросхем (ІМС), габарити,

вага та вартість яких не набагато перевищує аналогічні показники для

звичайного транзистора.

Так, наприклад, ОП типу К153УД3, що являє собою інтегральну

мікросхему середнього ступеня інтеграції, має такі параметри: коефіцієнт

підсилення (диференціальний) k80-100 дБ, RВХ > 300 кОм, RВИХ < 200 Ом, kOCC

>80 дБ, UВИХ 10 В при напрузі живлення 15 В, UДР  10 мкВ/град.

На рис. 2.1,а показано умовне позначення ОП з одним виходом та двома

входами: прямим та інверсним. Інверсний вхід позначають знаком інверсії

(колом) або позначають знаком «–». Прямий вхід 1 не має знака інверсії або

його позначають знаком «+». В загальному випадку на виводи ОП 1 та 2

надходять напруги Uвх1 та Uвх2, які називають напругами загального виду.

Операційні підсилювачі живляться, як правило, від двох різнополярних

джерел ±Е.

З них виділяють синфазний Uсф  Uвх1 Uвх2  2 та диференційний

Uдиф Uвх1 Uвх2 сигнали. Відносно Uсф потенціал вхідного виводу 1 вище, а

виводу 2 - нижче на значення ΔU, а диференційний (різницевий) сигнал Uдиф =

2ΔU. Операційний підсилювач призначений для підсилення невеликого

(диференційного) сигналу. Синфазний сигнал схемою ОП повинен бути

максимально ослаблений. Вихідна напруга Uвих знаходиться у фазі (синфазно) з

напругою на вході 1 – Uвх1, та протифазно напрузі на вході 2 – Uвх2.

Рисунок 2.1 - Умовне позначення ОП