Тема 5. Источники стабилизированного питания

Цель занятия: Приобретение умений и навыков оценки параметров схем

источников стабилизированного пита­ния, и методами расчета их параметров

Схема, устраняющая колебания напряжения питания при измене­нии тока в нагрузке, называется стабилизатором напряжения. Существует большое разнообразие схем стабилизаторов с нерегулируемым и регулируемым напряжением, отличающихся сложностью построения и способом преобразования. Основными параметрами стабилизатора являются: отдаваемая мощность и диапазон напряжений и токов в нагрузке, амплитуда пульсаций и коэффициент стабильности.

5.1. Параметрические линейные стабилизаторы

Определяющим критерием при выборе и расчете РЭ и ИЭ являются массообменная характеристика, мощность потребления, точность и стабильность во времени напряжения U_Н на нагрузке, высокий КПД (η) и надежность схемы.

Рассмотрим схемы параметрических и компенсационных стабилизаторов, КПД которых зависит от величины мощности потерь на регулируемом элементе.

В схеме параметрического стабилизатора транзистор (VT) включают либо по схеме с общим эмиттером (ОЭ), либо по схеме с общим коллектором (ОК) (эмиттерный повторитель - рис. 5.1). Такая схема обладает невысокой мощностью Р_Н ≤ 20 Вт и низким коэффициентом стабилизации К_СТ ≤ 500 и η ≤ 75.

Ток в нагрузке I_Н зависит от тока базы I_Б.VT, задаваемого цепью R₁ и стабилитроном VD.

Основные расчетные соотношения для схемы:

U_Н = (U_ОП –U_БЭ.VT) = (U_ВХ –U_КЭ.VT) (5.1)

U_ОП = (U_ВХ –U_R1); (напряжение опорное на стабилитроне) (5.2)

U_R.1 = (I_R1∙R₁) = (U_ВХ –U_ОП); (напряжение на ограничивающем резисторе) (5.3)

R₁ = (U_ВХ–U_ОП)/I_R1 = [U_ВХ–(U_Н+U_БЭ)]/I_R1 = U_R1/(I_ОП+I_Б.VT); (5.4)

I_ОП = [(U_ВХ–U_R1)/R₁] (ток стабилизации через стабилитрон) (5.5)

I_И = (I_Н + I_R1); *(I_Н.Мах. ≤ 0,9∙I_И.Доп.). (5.6)

I_Н = (U_Н/R_Н) = I_Б.VT∙β ≈ I_Э.VT. *(I_Н.Мах. ≤ 0,8∙I_К.VT.Доп). (5.7)

I_Б = I_R.1 – I_VD = (U_БЭ+U_Н)/r_Б. *(I_Б < I_Б.Нас.); *(I_Б ≈ (⅔)I_ОП.Ном.). (5.8)

Р_И = (Р_Н + Р_VТ + Р_VD); *(Р_Н.Мах ≤ 0,9∙Р_И.Доп). (5.9)

Р_Н = (I_Н∙U_Н) = (I_Н²∙R_Н) = U_Н²/R_Н; (5.10)

Р_VD = (I_ОП∙U_ОП); Р_VТ = (I_К.VT∙U_КЭ.VT); *(Р_VТ ≤ 0,9∙Р_VТ.Доп.) (5.11)

η_СТ = Р_VT/Р_СТ ≤ 0,92. η_И = Р_СТ/Р_И ≤ 0,85. (5.12)

Пульсации U_Н в нагрузке (рис. 5.2) в зависимости от изменения тока I_Н в нагрузке определяются выходным сопротивлением r_Вых. схемы стабилизатора:

r_Вых. = U_Н/I_Н = 1/S = φ_T/I_Н. (5.13)

где S = (I₀/φ_T)exp^(Uбэ/φT) = (I_К/φ_T) – крутизна.

(при φ_T ≈ 0,026_В и I_Н = 0,1_А получим r_Вых. ≈ 0,26).

Колебания U_Н напряжения сглаживаются благодаря малой величине r_Диф. стабилитрона.

Изменение величины U_Н составит:

U_Н = ΔU_ОП = [r_Диф./(r_Диф.+R₁)]∙ΔU_И ≈ (r_Диф./R₁)∙ΔU_И. (5.14)

* ΔU_Н ≤ 0,02∙U_Н на выходе схемы (рис. 6.1) и подобной схеме при оптимальной нагрузке.

* r_Диф. = U_ОП/I_ОП ≈ φ_T/I_ОП - дифференциальное сопротивление стабилитрона.

К_СТ = (ΔU_Н/ΔU_И) = (R₁/r_Диф) ≤ 200 - коэффициент стабилизации. (5.15)

Для снижения чувствительности к пульсациям U_И источника – часто на входе и выходе схемы стабилизатора ставят С_0.Ф и С_2.Ф из условия:

τ_РАЗР = С_0.Ф∙R_Н’ ≈ (3÷5)Т, либо С∙ΔU = I ∙ t, откуда С_Ф = I∙t /ΔU

[0,08 c = 0,002Ф∙40ом ≈ 4∙0,02с]. [0,001 = 0,5A∙0,02c/5B]

Достаточным для выбора С_0.Ф является условие, если ΔU_ВЫПР ≤ (0,1∙U_ВЫПР).

При оптимальном значении С_0.Ф величина U_{ВЫХ.ВЫПР} увеличится в 1,41 раз.

Очень высокая величина С вызывает рост пикового тока I_DS при заряде С

длительностью до t ≤ (20/2) mс (для схемы мостового выпрямителя), амплитудой:

I _DS ≈ U_И / 2r_И∙ r’_Н = 12/ (2*1,18*11) = 12/5 = 2,35 A. (5.16)

Величина колебаний ΔU_И напряжения источника (выпрямителя)_. с учетом частоты f_ПУЛЬС. пульсации (сети) и тока I_Н нагрузки, при установке C₀ составляет:

Δ U_И = [I_Н/(C₀∙2f_Пульс.)]∙[1– ⁴ (r_И/2∙r’_Н)]; [T = (1/2f) = 0,01 c] (5.17)

или С_Ф.0 = T/(U_Н/I_Н) = 0,00166 (Ф) = [I_Н/(ΔU_И∙2f_Пульс.)]∙[1– ⁴√(r_И/2∙r’_Н)]. (5.18)

Более точное значение С_Ф – на выходе выпрямителя (Г-обр. фильтра) составит:

С_0.Ф = [ I₂∙(K_ПУЛ.2П.∙К_ВЫПР.2П)]/(ΔЕ_И∙2f_ПУЛ) = [(0,5A∙0,9∙0,66)/(5B∙2∙50Гц)] = 600мкФ.

где ΔЕ_И ≤ 0,2∙Е_И = 0,2∙25V = 5V (для схем выпрямителей с оптим. нагрузкой).

f_ПУЛ. – частота пульсаций напряжения на выходе выпрямителя (f = 2*50Гц);

r_И – выходное сопротивление нестабилизированного источника (выпрямителя);

* обычно, r_И = 2 ÷ 0,1 Ом (при Р_И = 10 ÷ 100 Вт и при Е_И ≤ 40 В);

r’_Н = (r_ВХ+R _Н) ≈ (5÷10)∙r_И – эквивалентная нагрузка, подключенная к источнику.

* В данном случае r’_Н это (r_ВХ+R _Н) схемы стабилизатора с подключенной на выходе нагрузкой_.

В эмиттерном повторителе (в схеме с ОК) выполняется условие: r_ВХ ≈ (5÷10)∙r_ВЫХ.

Например, при I_Н =1_А; U_Н =12_В; ΔЕ_И ≈ 3_В; r_И = 1,18_ОМ и r’_Н = 11_ОМ получим:

С ₀ = [1_А/(3_В∙2∙50_ГЦ)]∙[1– ⁴ (1,18_ОМ/2∙11_ОМ)] = 0,00166 Ф ≈ 1700 мкФ.

и наоборот, при С₀ = 0,0017_Ф:

Δ U_И. = [1_А/(0,0017_Ф∙2∙50_ГЦ)]∙[1– ⁴ (1,18_ОМ/2∙11_ОМ)] = 2,95 В ≈ 3 В.

I_DS ≈ 12_В /√2∙1,18_ОМ∙11_ОМ = 2,35 А при Е_И ≈ 12_В (5.16’)

Пример схем стабилизаторов повышенной мощности приведен на рис. 5.3 – 5.5.

Для регулировки напряжения на нагрузке в диапазоне U_Н = (²/₃ ÷ ⁶/₈)Е_И в цепь базы транзистора (или в цепь входа ОУ) вводят резистор R₂ ≈ (5÷10)R₁.

Для значительного увеличения тока I_Н в схеме стабилизатора выходные транзисторы объединяют последовательно (рис. 5.3 – схема Дарлингтона), либо включают параллельно (рис. 5.4). Для повышения стабильности напряжения U_Н в схеме используют транзисторы с коэффициентом усиления по току β > 30, а цепь с элементами R₁, R₂, VD устанавливают на выходе схемы (рис. 5.5).

Здесь для лучшего подавления пульсаций транзистор включен по схеме с ОЭ.

При одинаковой сложности схем стабилизаторов, схема с ОЭ обеспечивает более высокий коэффициенты стабилизации К_СТ, но выходное сопротивление r_ВЫХ схемы с ОЭ выше, чем в схеме с ОК. Поэтому, если стабилизатор работает с переменной (регулируемой) R_Н нагрузкой, то выгодно включать VT по схеме с ОК.

Для расчета схем (рис. 5.3 – 5.5) по заданным параметрам Е_И, U_Н, I_Н или R_Н достаточно определить параметры: транзисторов (Р_VT, U_КЭ, I_К, I_Б, β); стабилитрона VD (I_ОП, U_ОП, r_Диф.); коэффициент К_СТ и напряжение ΔU_СТ пульсации.