Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№40

9.2. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Радиоэлектронное устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки, называется стабилизато­ром напряжения. В радиоэлектронных устройствах применяются и стабилиза­торы тока. Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульс­ного действия (ключевые стабилизаторы). Используются также стабилизаторы переменного тока, которые здесь не рассматриваются.

Параметрические стабилизаторы

Параметрический стабилизатор напряжения включает в себя балластный резистор R_б, нагрузку R_H и полупроводниковый стабилитрон VD, напря­жение на котором остается практически постоянным при изменении в некоторых пределах протекающего через него тока (рис. 9.10, а).

Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного тока по­ясняется путем совместного анализа ВАХ стабилитрона и балластного рези­стора, представленных на рис. 9.10, б. Пусть входное постоянное напряжение схемы равно U_вх1, а ток стабилитрона составляет I_ст1. Положим для упроще­ния R_Н → ∞ (нагрузка отключена). Тогда выражение, аналитически описы­вающее положение характеристики балластного резистора R_б (линия 1), за­пишется следующим образом:

. (9.14)

Если входное напряжение увеличится на величину ΔU_вх и станет равным U₂, то характеристика балластного резистора займет положение линии 2, что соответствует выходному напряжению U_вых2 и току стабилитрона I_ст2. Как видно из рис. 9.10, б, выходное напряжение останется почти неизменным, а приращение входного напряжения ΔU_вх выделится на балластном резисторе R_б. Аналогичная картина будет иметь место и при уменьшении входного на­пряжения (в этом случае снизится падение напряжения на балластном рези­сторе R_б) или изменениях тока нагрузки I_н.

Рис. 9.10. Параметрический стабилизатор: а — схема, б — ВАХ

Эффективность действия стабилизаторов оценивают коэффициентом ста­билизации, показывающим, во сколько раз относительное приращение выход­ного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения вход­ного напряжения

Основные преимущества параметрического стабилизатора — простота конст­рукции, небольшое количество элементов и высокая надежность, а недостатки — низкие коэффициент стабилизации (менее 25) и КПД, малые токи стабилизации, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Принцип действия компенсационных стабилизаторов основан на том, что любое изменение напряжения на нагрузке (вследствие изменения входного напряжения или тока нагрузки) передается на регулирующий элемент, кото­рый автоматически препятствует изменению напряжения на нагрузке. По существу компенсационные стабилизаторы являются системами с отрица­тельной ОС. Данные устройства делятся на стабилизаторы непрерывного дей­ствия и ключевые (импульсные) стабилизаторы.

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия. Эти стабилиза­торы относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицатель­ной ОС. Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широ­ко используют в источниках вторичного питания.

На рис. 9.11 показан простейший компенсационный стабилизатор на дис­кретном биполярном транзисторе. В схеме стабилизатора транзистор VT яв­ляется регулирующим (силовым) элементом, управление которым осуществляет УПТ, выполненный на операционном усили­теле. Стабилитрон VD и резистор R_б состав­ляют параметрический стабилизатор, соз­дающий опорное (эталонное) напряжение U_оп. Резисторы R₁ и R₂ — элементы цепи отрицательной ОС, напряжение на выходе ко­торой пропорционально напряжению на нагрузке . В данном ста­билизаторе выходное напряжение всегда рав­но разности между входным напряжением и падением напряжения на регулирующем транзисторе VT, т.е. U_H = U_ВХ — U_K.

Рис. 9.11. Схема компенсационного

стабилизатора непрерывного действия

Допустим, что из-за увеличения амплиту­ды входного напряжения выходное напряже­ние стало выше номинального. Это вызовет увеличение напряжения ОС U_ОС на резисторе R₂ выходного делителя и сигнала рассогласования U_ОС — U_ОП, ко­торый усиливается ОУ и поступает на базу регулирующего транзистора VT. Поскольку напряжение ОС подается на инвертирующий вход ОУ, то его вы­ходное напряжение уменьшится, и регулирующий транзистор призакроется. Это вызовет увеличение падения напряжения на транзисторе и уменьшение напряжения на нагрузке до номинального значения. Коэффициент стабили­зации компенсационного стабилизатора с усилителем сигнала рассогласова­ния на ОУ может достигать несколько тысяч единиц.

Основной недостаток всех компенсационных стабилизаторов непрерыв­ного действия — невысокий КПД (до 50 %), что связано с падением части входного напряжения на регулирующем транзисторе. Поэтому были разрабо­таны схемы импульсных (ключевых) стабилизаторов.

Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения. Импульсные стабили­заторы делятся на три основных типа: повышающие; понижающие и инвер­тирующие. В этих стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, что повышает КПД до 90 %.

Обратимся к упрощенной схеме импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа (рис. 9.12, а). Регулирующим элементом в нем является силовой транзисторный ключ VT, импульсный режим работы которого обес­печивается блоком управления (БУ). В схеме стабилизатора используется на­копительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с на­грузкой R_H. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей введен конденсатор С. В схеме имеется также диод VD (обратный диод), с помощью которого создается контур для протекания постоянного тока через индуктив­ность и нагрузку при закрытом транзисторе VT.

Процессы, протекающие в стабилизаторе, рассмотрим с помощью временных диаграмм токов и напряжений (рис. 9.12, б — г). Импульсы управления с амплитудой напряжения U_y периодически подаются с блока управления на транзисторный ключ. В первом периоде, в течение длительности импульса управления τ_и (интервал 0...t₁) транзистор открыт, и энергия от источника U_BX (обычно от выпрямителя) передается через дроссель L в нагрузку. По мере нарастания тока i_н происходит заряд конденсатора С, а в индуктив­ности дросселя L накапливается избыточная энергия (интервал 0...t₁ на рис. 9.12, б — г). В течение паузы τ_п = t₂ − t₁, когда транзистор закрыт, запасен­ная в индуктивности дросселя энергия через обратный диод поступает в нагруз­ку. Такой процесс возврата накопленной в реактивном элементе энергии полу­чил название рекуперации (от лат. recuperation — возвращение). Во втором пе­риоде в момент t = t₂ транзистор вновь открывается, и ток i_н начинает увеличи­ваться. При этом переменная составляющая тока Δi_н протекает через конденсатор С, а постоянная составляющая I_н — через резистор R_H.

Рис. 9.12. Импульсный стабилизатор понижающего типа:

а — схема, 6 — г — временные диаграммы

Среднее значение выходного напряжения ключевого стабилизатора зависит от соотношения интервалов открытого и закрытого состояния транзистора:

Итак, изменением величины τ_и можно регулировать амплитуду выходного напряжения. Поэтому импульсные стабилизаторы напряжения используют в ка­честве преобразова-телей постоянного напряжения одной амплитуды в другую.

Рис. 9.13. Импульсные стабилизаторы:

а — повышающий, б — инвертирующий

Схема повышающего импульсного стабилизатора приведена на рис. 9.13, а. В этой схеме источник питания U_вх, дроссель L, диод VD и активная нагрузка R_H со­единены последовательно. Через всю эту цепь при выключенном транзисторе VT протекает постоянный ток, практически определяемый как I_н = U_вх/R_н. При откры­вании силового транзистора VT дроссель L подключается уже напрямую непо­средственно к источнику питания U_BX и через него потечет коммутационный ток i_L. Ток в дросселе начинает линейно нарастать, и в его индуктивности запасается энергия источника. Конденсатор С при этом разряжается на на­грузку R_H. Ток дросселя нарастает до момента, пока из блока управления не поступит сигнал на запирание транзистора VT.

После запирания транзистора VT избыточная энергия, накопленная в дросселе L, через открытый диод VD поступает в нагрузку, подзаряжая кон­денсатор фильтра С. При этом напряжение на дросселе суммируется с на­пряжением источника питания U_BX, в результате чего конденсатор фильтра С заряжается до напряжения U_BЫX > U_BX, которое выделяется на нагрузке R_H.

Схема инвертирующего импульсного стабилизатора приведена на рис. 9 13, б. В этой схеме последовательно с источником питания U_BX включен транзистор VT, а диод VD включен последовательно с нагрузкой R_H.

При включенном транзисторе VT дроссель L подключается непосредст­венно к источнику питания U_BX и коммутационный ток i_L = i₁ (штриховая линия на рис. 9.13, б) в нем начинает линейно нарастать. Нагрузка R_H в этом случае блокирована диодом VD. Рост тока дросселя происходит до тех пор, пока не поступит сигнал из блока управления на запирание транзистора VT. При этом дроссель L подключится параллельно нагрузке R_H и конденсатору фильтра С. Поскольку ток i_L = i₂ (штриховая линия на рис. 9.13, б) в дросселе после коммутации транзистора VT не меняет своего направления, и он начинает заряжать конденсатор С, то полярность напряжения U_BЫX на нагруз­ке будет противоположна полярности источника питания, т. е. происходит инверсия полярности входного напряжения U_BX.

В зависимости от способа управления регулирующим транзистором (или тиристором) в импульсных стабилизаторах используются управляющие сиг­налы с ШИМ, ВИМ, ИКМ и другими видами импульсной модуляции.

Интегральные компенсационные стабилизаторы. Эти стабилизаторы пред­ставляют собой отдельные интегральные микросхемы (например, серий КР142ЕН и КР275ЕН — жаргонное — «крены») с фиксируемым и регулируе­мым выходным напряжением от 3 до 30 В. Входные и выходные напряжения в стабилизаторе могут быть как однополярными, так и двуполярными. Схе­мотехнически структура интегральных стабилизаторов аналогична структуре стабилизаторов на дискретных элементах с ОУ, однако в них дополнительно введены цепи защиты от перегрузок, короткого замыкания и т. д.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

4