Тема 9.2 Источники питания постоянного тока

Лекция 41 Принцип работы аналоговых и импульсных источников питания постоянного тока

Источники питания постоянного тока преобразуют переменное напряжение сети в постоянное.

Аналоговый источник питания имеет в своём составе трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины выходного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов (рисунок 9.39). Основными элементами таких стабилизаторов являются:

источник опорного (эталонного) напряжения (Э);

сравнивающий и усилительный элемент (СУ);

регулирующий элемент (Р).

В стабилизаторах последовательного типа (рисунок 9.39, а) регулирующий элемент включен последовательно с источником входного напряжения U_вх и нагрузкой R_н. Если по каким-либо причинам (например, из-за нестабильности U_вх или при изменении R_н) напряжение на выходе U_вых отклонилось от своего номинального значения, то разность эталонного и выходного напряжений изменяется, усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U_вх распределяется между Р и R_н таким образом, чтобы компенсировать происшедшие изменения напряжения на нагрузке.

В схеме параллельного стабилизатора компенсационного типа (рисунок 9.39, б) при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал, равный разности эталонного и выходного напряжений, усиливается элементом СУ и воздействует на регулирующий элемент Р, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента I_р изменяется. Поэтому на балластном сопротивлении R_б, включенном последовательно с R_н, изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе

U_вых = U_вх – I_вх R_б

останется стабильным.

В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

На рисунке 9.40 приведена принципиальная схема последовательного транзисторного стабилизатора напряжения. В этой схеме транзистор VT2 является одновременно сравнивающим, и усилительным элементом, а транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений U_on и U_R2. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастет, то увеличится напряжение U_R2, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого увеличится эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя через резистор R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторный токи этого транзистора уменьшатся, что приведет к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Для улучшения работы стабилизатора необходимо выбирать транзистор усилительного каскада с высоким коэффициентом усиления β, а в цепь коллектора этого транзистора включать высокоомный резистор R1.

В более сложных схемах стабилизаторов применяют многокаскадные усилители постоянного тока. Такие стабилизаторы характеризуются высоким коэффициентом стабилизации (до 1000) и низким выходным сопротивлением (до десятых долей Ома).

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили большее распространение, чем аналоговые стабилизаторы. Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, можно получить КПД, равный 70 ÷ 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 ÷ 50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в аналоговом стабилизаторе, так как, хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор напряжения (рисунок 9.41). Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение

t_вкл/t_выкл,

где t_вкл, t_выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях.

Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе. В качестве ключа S используется биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Лекция 42 Интегральные стабилизаторы напряжения

Рассмотрим схемные решения интегральных стабилизаторов напряжения.

На рисунке 9.42 приведена схема интегрального стабилизатора напряжения, собранного на ИМС типа К2ПП241. Стабилизатор обеспечивает питание маломощных нагрузок током до 4 мА при коэффициенте стабилизации не менее 5. При входном напряжении 5,4...12 В стабилизированное напряжение составляет 3,3...3,9 В.

Стабилизатор состоит из опорного элемента (стабилитрона VD1, который подключается к микросхеме), элемента сравнения на транзисторе VT2 и регулирующего элемента на транзисторе VT1.

Более сложная схема интегрального стабилизатора постоянного напряжения приведена на рисунке 9.42, а. Стабилизатор собран на ИМС типа К181ЕН1. Выходное напряжение стабилизатора лежит в пределах 3...15 В при максимальном токе нагрузки до 150 мА. Входное напряжение в зависимости от требуемого напряжения на нагрузке составляет 9 ... 20 В. Коэффициент стабилизации не менее 200, температурный дрейф выходного напряжения не превышает 0,01 %/°С. Максимальная рассеиваемая мощность без теплоотвода при температуре окружающей среды — 10...+35 °С не ниже 500 мВт.

Источником опорного напряжения стабилизатора является стабилитрон VD3. Рабочая точка на его вольтамперной характеристике устанавливается с помощью токостабилизирующей ячейки, состоящей из транзисторов VT1, VT2, диодов VD1, VD2 и резисторов R1, R2. Опорное напряжение подается на схему сравнения через эмиттерный повторитель на транзисторе VT3. С помощью делителя на резисторах R3 — R5 и диода VD5, являющихся нагрузкой эмиттерного повторителя,осуществляется деление опорного напряжения до требуемого значения.

Усилитель цепи обратной связи стабилизатора и схема сравнения выполнены на транзисторах VT8, VT9 по дифференциальной схеме. На базу транзистора VT8 подается опорное напряжение, а на базу VT9 часть выходного напряжения. Управление регулирующими составными транзисторами VT6, VT7 осуществляется транзистором VT9 усилителя цепи обратной связи, коллекторная цепь которого с целью уменьшения пульсаций выходного напряжения и повышения коэффициента стабилизации питается через токостабилизирующую ячейку, состоящую из транзисторов VT4, VT5, диода VD4 и резистора R6. Схема включения стабилизатора приведена на рисунке 9.41, б. Выходное напряжение устанавливается внешним делителем на резисторах R1 и R2. Ток делителя должен быть порядка 1,5 мА. Для устранения самовозбуждения стабилизатора при работе в условиях повышенной температуры ис­пользуется конденсатор С1.

Для защиты стабилизатора от короткого замыкания используется транзистор VT10.

Вопросы для самоконтроля:

1 Объясните назначение стабилизаторов напряжения и тока в схемах источников питания.

2 В чём состоит различие между стабилизаторами напряжения параметрического и компенсационного типа?

3 Составьте схему параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне. Объясните принцип действия схемы и назначение элементов.

4 С какой целью в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения используется источник опорного напряжения?

5 Объясните работу транзисторного стабилизатора напряжения компенсационного типа с однокаскадным усилителем постоянного тока при изменении сопротивления нагрузки.

Рекомендуемая литература:

1 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники, с. 89 – 97, 350 – 378.

2 Лачин В. И. Электроника: Учеб.пособие, с. 282 – 283.