АТ / Attachments_mysteryst@mail.ru_2015-09-08_11-42-25 / lect1_m1_vt_vt_anteh_niy06

Лекция 1

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя.

Линейные стабилизаторы являются неотъемлемой частью практически любой схемы. Они используются в качестве источников питания для цифровых и аналоговых микросхем, источниками опорного напряжения, являются главным элементом в источниках тока.

Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

Таким образом, основным параметром линейного стабилизатора (ЛС) является выходное напряжение стабилизации Uст. Также к основным параметрам ЛС относятся:

диапазон входного напряжения Uвх;

максимальный выходной ток Iвых;

коэффициент полезного действия КПД;

стабильность выходного напряжения dUст;

температурный коэффициент напряжения ТКН;

уровень шумов Y.

Простейшую схему линейного стабилизатора можно выполнить на

стабилитроне (рис. 1).

Рис.1.

На данной схеме выходное напряжение Vст определяется параметрами стабилитрона. В данной схеме параметры Uст, Uвх , dUст, ТКН, Y определяются производителем и отражены в технических условия (в спецификации для импортного стабилизатора) на стабилизатор. Например, стабилизатор … …ТУ имеет следующие характеристики:

Чтобы оценить КПД данной схемы, необходимо рассчитать потери на резисторы Rб (балластном резисторе) и стабилитроне.

Prб = (Iн+Iст)^2*Rб.

Режим стабилизации возможен в достаточно широкой области токов и напряжений, поэтому в технической документации указываются допустимые минимальные и максимальные значения токов (Iст.мин, Iст.макс) и напряжений (Uст.мин, Uст.макс) стабилизации. Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения Iст и Uст. Минимальный ток стабилизации обычно приравнивается к току на выходе из зоны перелома обратной ВАХ, максимальный ограничен допустимой рассеиваемой мощностью, а номинальный ток обычно устанавливается на уровне от 25 до 35 % от максимального. Таким образом,

КПД = (Prб+Iст*Uст)/( Uвх*(Iн+Iст)).

Следует отметить, что в данной схеме, если входное напряжение не превысит напряжение стабилизации стабилитрона, то стабилизации происходить не будет, т.к. стабилитрон будет закрыт. Подобная схема используется в качестве ограничителя напряжения на ключах при коммутации индуктивной нагрузки (рис. 2).

В такой схеме сложно рассчитать требуемую мощность стабилитрона, т.к. она зависит от основных и паразитных параметров катушки индуктивности (прямо пропорциональна энергии, запасенной в катушке индуктивности). В этом приходиться использовать либо мощный габаритный стабилитрон, либо схемы, представленные на рис. 3.

Рис. 3

Iст.н ом.=5 мА и Uбэ. мин.=500 мВ сопротивлен е R=500 мВ/5 мA =100 Ом, а напряжение на «составном ста билитроне» равно сумме Uст.ном. и Uбэ.мин.. При больших токах транзистор открывается и ш унтирует стабилитрон, а ток стаб илитрона прирастает незн ачительно — на величин у, равную току базы тра нзистора.

Как видно из технических параметров на стабилитрон …, напряжение стаб илизации сильно зависит от температуры. При нагреве стабилитрона от +25° С до +125° С сдвиг напряжения с абилизации соста вит от 5 до 10 % от

алге браической разнице Uст.ном. стабилитрона и Uбэ.м ин. транзистора; для

нейтрализации влияния Uбэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Если требуется повысить напряжение стабилизации, то можно использовать несколько последовательно соединенных стабилитронов (рис. 5). В этом случае напряжение стабилизации равно алгебраической сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона. В схемах, представленных на рис. 6 нет необходимости использовать высоковольтный стабилитрон. Напряжение стабилизации определяется напряжением стабилитрона и соотношением сопротивлений R2, R3 – напряжение в базе транзистора VT1 должно быть выше на 0,7 0,8 В напряжения в эмиттере.

Рис . 6.

Если рассмотреть схему на рис. 4 более детально, то можно заметить, что транзистор VT1 коммутирует напряжение питания на нагрузку R, а величина тока базы определяет проходное сопротивление транзистора. Таким образом, в качестве стабилизируемого элемента не обязательно использовать стабилитрон. Рассмотрим схему на рис. 7. В данной схеме в качестве стабилизирующего элемента используется дифференциальный усилитель. Напряжения в базе транзисторов сравниваются между собой и задают базовый ток проходного транзистора. Потери в данной схеме определяются в основном потерями на проходном транзисторе:

Pтр = (Uвх Uвых)*Uвых/R.

Если вместо дифференциального усилителя использовать операционный усилитель, то мы получим схему, представленную на рис. 8.

Рис. 8.

Данная схема реализована в виде готовой ИМС TL431 (отечественный аналог 142ЕН19). Условно графическое обозначение ИМС показано на рис. 9.

Рис. 9.

Рассмотрим несколько типовых применений данной микросхемы (рис.

10).

Рис. 10.

Как видно из схем на рис. 10, данная микросхема используется по большей части как источник опорного напряжения, т.к. имеет достаточно небольшие проходные токи. Альтернативным решением использования TL431 является использование готовых интегральных линейных стабилизаторов с нужным выходным током. Подобные микросхемы выпускаются либо со стабильным выходным напряжением, либо с регулируемым выходным напряжением LM317 (142ЕН12).

Типовые применения LM317 показаны на рис . 11.