СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Важнейшим условием нормальной работы радиоустройств является стабильность питающего напряжения.
Причиной нестабильности питающего напряжения являются в основном колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямительного устройства. Дестабилизирующими факторами могут быть также температура окружающей среды, частота напряжения сети и др.
Качество работы стабилизатора характеризуется коэффициентами стабилизации, которые показывают, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения (тока).
Коэффициент стабилизации по напряжению
Ниже в целях упрощения КСТU обозначается KСТ.
Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по напряжению ТКН или γн, который характеризует изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (UBХ==const; IН = const), т, е.
В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
Параметрические стабилизаторы применяются как в цепях переменного, так и цепях постоянного тока. Принцип их действия основан на использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). На рис. 1,а приведена структурная схема параметрического стабилизатора, который состоит из двух элементов: линейного 1 и нелинейного 2. На рис. 1,б показаны ВАХ линейного элемента (U1), нелинейного элемента (U2) и всей схемы (UВХ). Из этих характеристик видно, что при изменении входного напряжения на ∆UВХ большая часть этого изменения напряжения приходится на долю линейного элемента 1 (∆U1), а на нелинейном элементе 2, и следовательно, на нагрузке напряжение изменяется незначительно (∆UВЫХ). Указанное перераспределение напряжения между линейным и нелинейным элементами объясняется тем, что в области стабилизации крутизна ВАХ нелинейного элемента 1 значительно меньше крутизны ВАХ линейного элемента 2 (рис. 1, б).
Рис. 1. Структурная схема параметрического стабилизатора напряжения (а)
и его вольт-амперные характеристики (б)
В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных элементов используются резисторы, а в качестве нелинейных элементов — полупроводниковые (кремниевые) стабилитроны, а также полупроводниковые стабисторы.
Кремниевые стабилитроны представляют собой плоскостные диоды, изготовленные по особой технологии. В отличие от обычных диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области электрического пробоя, где незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон (рис. 2, а). При электрическом пробое стабилитрон сохраняет работоспособность, если ток не превысит предельного значения (IСТ тах). Таким образом, включая стабилитрон в обратном направлении, можно при значительном изменении тока (от IСТ тiп до IСТ max) получить на нем практически постоянное напряжение (UСТ).
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики стабилитрона (а),
стабистора (б) и схема стабилизатора на стабилитроне (в)
Кремниевые стабилитроны выпускаются с напряжением стабилизации от единиц до сотен вольт и с ТКН от —6 до +288 мВ/°С и выше. При выборе типа стабилитрона в целях получения наиболее точной стабилизации напряжения следует отдать предпочтение стабилитронам, которые имеют наименьший температурный коэффициент напряжения ТКН и небольшое дифференциальное сопротивление rСТ (отношение приращения напряжения стабилизации к приращению тока через стабилитрон).
Стабистор представляет собой полупроводниковый прибор, напряжение на котором в прямом направлении изменяется незначительно при значительном изменении тока, протекающего по нему (рис. 2, б); поэтому стабистор, работающий на прямой ветви ВАХ, в отличие от кремниевого стабилитрона, включается в цепь стабилизации в прямом направлении. Промышленность выпускает кремниевые стабисторы для стабилизации напряжения менее 3 В.
Следует заметить, что стабилитроны и стабисторы при меняются не только в схемах стабилизаторов; они нашли применение в измерительной технике для защиты приборов от повышения и понижения напряжения, в усилителях постоянного и переменного тока для стабилизации режима работы транзисторов, в генераторах прямоугольных импульсов для формирования и ограничения амплитуды импульсов и т. д.
На рис. 2, в представлена простейшая схема параметрического стабилизатора на стабилитроне; эта схема состоит из балластного резистора Rб и кремниевого стабилитрона VD. Сопротивление Rб подбирается таким, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,5—3,0) Uн; КПД такого стабилизатора не превышает 20—30%, а коэффициент стабилизации Kст = 20-50.
При увеличении коэффициента стабилизации Kст применяют каскадное включение стабилитронов, однако при этом резко уменьшается КПД стабилизатора.
Параметры кремниевых стабилитронов изменяются при повышении температуры окружающей среды, и в частности при этом увеличивается напряжение стабилизации Uст. Таким образом, температурный коэффициент напряжения ТКН (3) стабилизатора на кремниевом стабилитроне положителен. Включение последовательно со стабилитроном элементов с отрицательным ТКН позволяет уменьшить влияние температуры на коэффициент стабилизации Kст схемы. В качестве термокомпенсирующего элемента используются также обычные полупроводниковые диоды или кремниевые стабилитроны, включаемые в прямом направлении (рис.3). Поскольку стабилитрон, включенный в прямом направлении, имеет отрицательный ТКН, он также может использоваться в качестве термокомпенсирующего элемента.
Рис. 3. Параметрические стабилизаторы с термокомпенсацией:
а — однокаскадный; б — двухкаскадный
Для получения напряжения большего, чем допускают параметры одного стабилитрона, используется их последовательное соединение.
Параметрические стабилизаторы имеют очень низкий коэффициент полезного действия и способны работать только при малых токах нагрузки, поэтому в основном применяются лишь в качестве опорных источников для более мощных стабилизаторов различных видов.
Интегральные источника опорного напряжения (ИОН)
За рубежом при построении прецизионных термостабильных источников опорного напряжения широко используется схема источника опорного напряжения, определяемого шириной запорного слоя pn-перехода. По этому принципу (в зарубежных источниках он носит название «Bandgap») построены, например, микросхемы AD580, AD581, AD680, REF-01, REF-02, REF-05, REF-10 и др. Они имеют температурный коэффициент выходного напряжения в пределах от 2 до 50 ppm/0C (ppm - past per million - переводится «часть от миллиона» и соответствует множителю 10-6).
Рис. 4 Структурная схема микросхемы AD580
Рассмотрим внутреннюю схему микросхемы AD580, представленную на Рис.4. Схема содержит ОУ который позволяет получить необходимое выходное напряжение и, кроме того, является буферным усилителем. Ядром микросхемы являются два транзистора VT2 и VT1, с одинаковыми токами в коллекторах. Эмиттеры этих транзисторов имеют разную площадь (в соотношении 8:1) и, как результат этого, различная плотность токов эмиттеров:
Токи коллекторов поддерживаются равными через цепь обратной связи с выхода ОУ через резисторы R4, R5 на базы транзисторов VT1 и VT2 (т.к. R8=R7). Разность напряжений эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2, образованная различием плотностей тока, приложена к резистору R2 и ток протекающий через него определяется выражением:
Через резистор R1 протекает ток в два раза больший и напряжение на нем U1 определяется выражением:
U1 последовательно с напряжением UБЭ1 определяет напряжение UZ:
Как видно из последнего выражения подбором отношения резисторов R1 и R2 можно получить нулевой температурный коэффициент (т.к. температурный коэффициент базо-эмиттерного напряжения отрицательный, а напряжение U1 прямо пропорционально зависит от температуры).
Делитель в цепи обратной связи (резисторы R4 и R5 с лазерной подгонкой) позволяет получить требуемое значение выходного напряжения, например 2.5В.
Интегральные источники опорного напряжения выпускаются в виде отдельных микросхем или в составе других микросхем. С целью повышения стабильности микросхемы ИОН часто изготавливают со встроенным термостатированием
Термостатирование - это поддержание температуры элементов схемы постоянной. В источнике опорного напряжения с тепловой стабилизацией температура поддерживается на постоянном уровне. В результате чего выходное напряжение практически не зависит от внешней температуры и можно получить температурный коэффициент меньше чем 10-6 1/0С.
Схема температурной стабилизации и схема источника опорного напряжения размещается на одном кристалле кремния, поэтому между ними существует хороший тепловой контакт вследствие высокой теплопроводности кремния и малых размеров кристалла. Во всех источниках опорного напряжения с тепловой стабилизацией температуру кристалла поддерживают выше внешней температуры с помощью нагревательного элемента (резистор), пропуская по нему ток. Температура контролируется датчиком, сигналом которого цепь отрицательной обратной связи регулирует ток нагрева с целью стабилизации температуры. Обычно поддерживают температуру кристалла примерно от 90 до 100 0С.
Параметрические стабилизаторы переменного напряжения
Они выполняются по структурной схеме рис. 1, а, при этом используются линейные и нелинейные реактивные элементы. В качестве линейных элементов используются ненасыщенные дроссели и конденсаторы, а в качестве нелинейных элементов — насыщенные дроссели.
Эти стабилизаторы весьма просты, однако они имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение. К ним относятся:
невысокий коэффициент стабилизации (не превышающий 10);
зависимость стабилизированного напряжения от вида нагрузки и от изменения частоты питающей сети;
существенные искажения синусоидальности выходного напряжения;
низкий КПД (40—60%) и небольшое значение коэффициента мощности (0,6).
Более широкое применение получили феррорезонансные стабилизаторы напряжения с использованием резонанса токов и напряжений.
В феррорезонансных стабилизаторах с использованием резонанса напряжений коэффициент стабилизации зависит от частоты питающей сети в гораздо большей степени, чем у стабилизаторов с резонансом токов.
Достоинства феррорезонансных стабилизаторов: простота устройства, высокая надежность, большой срок службы, высокий КПД (75—90%), устойчивость к механическим воздействиям.
К недостаткам феррорезонансных стабилизаторов относятся: значительные изменения выходного напряжения при колебаниях частоты сети (от которой в данном случае зависят реактивные сопротивления конденсаторов и дросселей, а следовательно, и ВАХ стабилизаторов), а также существенное искажение формы стабилизированного напряжения, большие габаритные размеры, масса и большие поля рассеяния.