Электроника / 16 - Стабилизаторы

Параметрические стабилизаторы напряжения.

В ряде случаев к выходному напряжению маломощного выпрямителя, используемому в качестве напряжения питания для некоторого электронного устройства, предъявляются требования в отношении его стабильности. Ввиду зависимости напряжения от тока нагрузки ,обусловленной наклоном внешней характеристики выпрямителя , а также от изменений напряжений питающей сети между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения

Существуют два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В первом типе стабилизаторов используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающего через них тока. Из полупроводниковых приборов таким свойством, как известно, обладает стабилитрон. Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

Будем рассматривать параметрические стабилизаторы. Компенсационные стабилизаторы, выполняемые на основе усилительных элементов, описываются ниже.

Схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рисунке 1.

Она состоит из балластного резистора и стабилитрона Д. Стабилизатор подключается к выходу выпрямителя с фильтром. Нагрузка подключена параллельно стабилитрону.

При изменении напряжения под действием колебания напряжения питающей сети или изменения сопротивления нагрузки напряжение на нагрузке изменяется незначительно, так как оно определяется мало изменяющимся обратным напряжением стабилитрона при изменении протекающего через него тока (см. рис. 2). Приведем основные соотношения, необходимые	Рис.1. Схема параметрического стабилизатора напряжения
для расчета параметров стабилизатора. Главным при расчёте стабилизатора являются выбор типа стабилитрона на напряжение нагрузки и обеспечение условий его работы, изменяющийся в процессе работы ток стабилитрона не выходил бы за пределы рабочего участка, т.е. не был меньше и больше (см. рис.2).	Рис.2

Основные соотношения для токов и напряжений в стабилизаторе получаем, воспользовавшись первым и вторым законами Кирхгофа:

(1)

, (2)

где .

На основании этих соотношений для тока стабилитрона можно записать

(3)

Напряжение , определяемое напряжением , изменяется незначительно, в связи, с чем его можно считать неизменным. Тогда в условиях изменения тока нагрузки (сопротивления ) и напряжения ток будет изменяться от некоторого минимального значения до максимального значения . Минимальному значению согласно выражению (3) будут соответствовать минимальные значения и , а максимальному значению тока - максимальные значения и . Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления , при которой через стабилитрон протекал бы ток , соответствующий началу его рабочей характеристики. В связи с указанным для расчета балластного сопротивления имеем

(4)

Ток , протекающий через стабилитрон в процессе работы схемы, учитывают выбором типа прибора по току, исходя из того, чтобы ток не превышал максимально допустимого значения тока через стабилитрон. Максимальные мощности, рассеиваемые в стабилитроне и резисторе , рассчитывают по формулам

(5)

(6)

Таким образом, в процессе работы стабилизатора напряжение на нагрузке определяется напряжением на стабилитроне, соответствующим вольт-амперной характеристике прибора. Изменение напряжения на нагрузке характеризуется изменением напряжения на стабилитроне при изменении тока , т.е. определяется его дифференциальным сопротивлением . Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации , показывающий, во сколько раз относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора меньше вызвавшего его относительного приращения на входе:

(7)

Приращение напряжения на выходе стабилизатора связано с приращением входного напряжения соотношением

(8)

С учетом того, что и , соотношение (8) можно записать в виде

(9)

Подстановкой (9) в (7) получаем выражение для коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения:

(10)

Обычно он не превышает 20-50.

Другим параметром стабилизатора является его выходное сопротивление . Для стабилизаторов рассмотренного типа .

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения или ) передаётся на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжению . Регулирующий элемент (транзистор) может быть включён либо параллельно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис.3, а) и последовательные (рис.3, б).

а) б) Рис.3. Структурные схемы параллельного (а) и последовательного (б) компенсационных стабилизаторов напряжения

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В схеме рис.3, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе путём изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от до нуля.

В схеме рис.3, б регулирующий элемент включён последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения осуществляется путём изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

В соответствии с рассмотренным принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обуславливает неизбежные потери энергии в стабилизаторе. Оценим оба типа стабилизаторов по мощности потерь. При этом будем исходить из одинаковых условий работы по , и .

Мощность, теряемая в схеме рис.3, а, складывается из потерь в резисторе и регулирующем элементе и составляет или . В схеме рис.3, б мощность теряется в регулирующем элементе. Она равна , т.е. меньше чем в предыдущей схеме, на величину .

Таким образом, энергетические показатели, в частности к.п.д. последовательных стабилизаторов, более высоких (особенно при широком диапазоне изменения ), чем параллельных. Это является главной причиной того, что последовательные стабилизаторы нашли наибольшее применение в практике. Из преимуществ параллельных стабилизаторов следует указать их некритичность к перегрузкам по току , в частности коротким замыканиям выходной цепи. Последовательные стабилизаторы требуют устройств защиты регулирующего элемента при перегрузках по току.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис.4, а.

а)	б)
в)

Рис.4. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа (а); способ регулирования выходного напряжения (б);

составной транзистор в схеме стабилизатора (в)

Транзистор Т1 служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе Т2 . Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т2. Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток транзистора Т2 мал. Резисторы , являются элементами входного делителя напряжения.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 .

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор Т1 и нагрузку , представляет собой усилительный каскад на транзисторе Т1 с общим коллектором, в котором - напряжение питания, - входное, а - выходное напряжение (). Для получения требуемого напряжения необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя () было близко к напряжению . Для этого питание коллекторной цепи транзистора Т2 осуществляют от отдельного источника – . Усилитель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необходимого напряжения напряжению его входной цепи . Указанные соображения положены в основу расчёта элементов схемы по заданным параметрам , номинального режима.

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной обратной связи по приращениям выходного напряжения ..

Предположим, что под действием уменьшения напряжения напряжение (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения вызывает уменьшение напряжения на базе и напряжение транзистора Т2 , а следовательно, его токов и . Уменьшение тока приводит к меньшему падению напряжения на резисторе и увеличению напряжений транзистора Т1. Вследствие увеличения напряжения напряжение транзистора Т1 уменьшится, повышая тем самым почти до прежней величины напряжения . Подобно рассмотренному осуществляется компенсация изменения напряжения при увеличении , а также при изменениях тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации стабилизатора находят из соотношения

, (11)

где ,, –соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора Т2;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т2.

Выходное сопротивление стабилизатора в первом приближении (без учета влияния усилителя в цепи обратной связи) можно оценить по сопротивлению транзистора Т1 со стороны эмиттера. Приняв , имеем , что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель создаёт в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчёта можно воспользоваться выражением

(12)

Числовое значение коэффициента стабилизации стабилизатора находится в пределах нескольких сотен, а выходное сопротивление составляет десятые и сотые доли ома.

При разработке стабилизатора часто ставится задача регулирования его выходного напряжения . Возможность регулирования напряжения можно показать, выразив напряжение схемы через параметры входной цепи усилителя:

(13)

Элементы входного делителя обычно выбирают достаточно низкоомными, обеспечивающими выполнение условия . Это необходимо для ослабления влияния изменяющегося в процессе работы схемы тока на напряжение , а, следовательно, на коэффициент стабилизации стабилизатора. С учётом сказанного вторым членом в выражении (13) можно пренебречь. Тогда получим

(14)

Таким образом, задачу регулирования напряжения решают путём изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализуется введением во входную цепь усилителя потенциометра (рис.4,б). Пределы регулирования напряжения при этом составляют:

(15)

(16)

Если, например, принять напряжение , , и , то выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

Напряжение стабилизатора связано с напряжениями входной цепи транзистора Т1 соотношением

(17)

или

.

Соотношение (17) позволяет сделать ряд важных выводов о работе стабилизатора и возможностях его применения. С этой целью рассмотрим два режима работы стабилизатора: .

При изменение входного напряжения величина стабилизатора изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что приращение напряжения будет скомпенсировано соответствующим увеличением или уменьшением напряжения транзистора Т1. При условии это вызовет в конечном итоге изменение тока базы (и коллектора) регулирующего транзистора посредством изменения тока усилителя, протекающего через резистор . Напряжение будет тем стабильнее, чем меньшему значению будет соответствовать необходимое изменение тока , т.е. чем выше будет коэффициент усиления усилителя. Повышение коэффициента усиления в рассматриваемой схеме достигается увеличением коэффициента и сопротивления . Увеличение сопротивления при этом повышения напряжения питания усилителя.

В условиях изменяющегося тока нагрузки ток базы регулирующего транзистора изменяется пропорционально , так как . Поскольку напряжение мало (доли вольта), режиму стабилизации напряжения согласно выражению (17) соответствует почти неизменная сумма токов . Это означает, что с уменьшением тока ток увеличивается на величину, на которую уменьшился ток . При изменении нагрузочного тока от до нуля ток изменится от некоторого минимального значения до . Таким образом, транзистор Т2 в схеме рис.4,а необходимо выбирать на коллекторный ток, близкий к максимальному току базы регулирующего транзистора.

С увеличением тока Iн транзисторы Т1,Т2 выбираются на большие коллекторные токи. Однако использование рассматриваемой схемы при >200300 мА неэффективно из-за трудностей в обеспечении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а, следовательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления (ввиду больших значений и ), а также в малых значениях коэффициента мощных транзисторов.

Задачу уменьшения тока базы регулирующего транзистора при переходе к большим токам нагрузки решают заменой его в стабилизаторе составным транзистором (рис.4,в). Составной транзистор представляет собой соединение двух, трёх транзисторов и более, при котором база каждого последующего транзистора связана с эмиттером предшествующего, а коллекторы всех транзисторов объединены.

Поскольку ток базы каждого транзистора меньше его тока эмиттера в раз, ток управления составным транзистором получается во многом раз меньше тока эмиттера выходного транзистора (т.е. тока нагрузки стабилизатора). Так, для схемы, состоящей из трёх транзисторов (рис.4,в), имеем

, (18)

где – коэффициент передачи тока составного транзистора, числовое значение которого равно 10³−10.

Тем самым обеспечивается необходимый режим согласования по току выходной цепи регулирующего транзистора при больших токах .