- •Предисловие
- •1. Стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием
- •1.1. Параметрические стабилизаторы
- •1.1.1. Общие положения
- •1.1.2. Показатели схемы стабилизации на стабилитроне
- •1.1.3. Графический расчет режима работы стабилитрона
- •1.2. Компенсационные стабилизаторы
- •1.2.1. Общие положения
- •1.2.2. Силовые элементы линейных стабилизаторов
- •1.2.3. Графический расчет режима работы силового элемента
- •1.2.4. Схемы цепей сравнения линейных стабилизаторов
- •1.2.5. Типовые схемы стабилизаторов напряжения с последовательным включением регулирующего элемента
- •1.2.6. Методика расчета стабилизатора последовательного типа
- •1.2.7. Типовые схемы стабилизаторов напряжения с параллельным включением регулирующего элемента
- •1.2.8. Интегральные стабилизаторы напряжения
- •1.2.9. Расчет дифференциальных показателей линейных стабилизаторов на интегральных микросхемах
- •1.2.10. Пример расчета интегрального стабилизатора напряжения последовательного типа
- •2. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения
- •2.1. Схемы силовых цепей импульсных стабилизаторов
- •2.1.1. Регулирующие элементы
- •Частота коммутации (преобразования) равна
- •2.1.2. Входной фильтр
- •2.1.3. Методика и пример расчета фильтра
- •2.2. Способы стабилизации напряжения и схемы управления
- •2.2.1. Расчет схемы управления
- •2.2.1.1. Формирователь синхронизирующего напряжения
- •2.2.1.2. Пороговое устройство
- •2.3. Стабилизаторы понижающего типа
- •2.3.1. Режим непрерывных токов дросселя
- •2.3.2. Режим прерывистых токов дросселя
- •2.3.3. Методика расчета
- •2.4. Стабилизаторы повышающего типа
- •2.4.1. Режим непрерывных токов дросселя
- •2.4.2. Режим прерывистых токов дросселя
- •2.4.3. Методика расчета
- •2.5. Стабилизаторы инвертирующего типа
- •2.5.1. Режим непрерывных токов дросселя
- •2.5.2. Режим прерывистых токов дросселя
- •2.5.3. Методика расчета
- •2.6. Примеры использования специальных микросхем в импульсных стабилизаторах
- •2.7. Сравнительный анализ и рекомендации по применению импульсных стабилизаторов
- •Список литературы
- •Содержание
Предисловие
Настоящее пособие составлено в соответствии с программами курсов "Электропреобразовательные устройства" и "Электропитание устройств и систем связи" для студентов заочной формы обучения направлений 654200 ("Радиотехника") и 654400 ("Телекоммуникации"), специальностей 200700 "Радиотехника" и 201000 "Многоканальные телекоммуникационные системы" и предназначено для использования в качестве учебно-методического материала при выполнении контрольной работы и при самостоятельном изучении части теоретического курса.
Предполагается, что настоящее пособие – это первая часть серии учебно-методического материала, посвященного вопросам разработки функциональных узлов источников вторичного электропитания и электропреобразовательных устройств. Необходимость подобного издания продиктована недостаточной обеспеченностью литературой по теме в библиотечных фондах университета.
В пособии основное внимание уделено вопросам расчета линейных и импульсных стабилизаторов, приведены методики и примеры расчета параметрических, компенсационных и импульсных стабилизаторов. Несмотря на то, что наибольшее распространение в практическом применении имеют интегральные стабилизаторы, необходимо, чтобы будущие специалисты умели проводить расчет узлов электропитания, построенных на дискретной элементной базе. Это даст возможность лучшего понимания вопросов построения разрабатываемых узлов электронной техники. Базовые методики расчета позволят достаточно просто проводить расчеты устройств и на основе интегральной техники, грамотно учитывать влияние различного рода дестабилизирующих факторов на работу устройств.
При подготовке учебного пособия были использованы материалы монографий известных специалистов в области построения источников вторичного электропитания, таких как А.И. Иванов-Цыганов, Ю.И. Коняев, В.Г. Костиков, Г.С. Найвельт, Г.Н. Сизых и др.
1. Стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием
1.1. Параметрические стабилизаторы
1.1.1. Общие положения
Электропитание маломощной аппаратуры с небольшим пределом изменения тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опорного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах напряжения и тока.
Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон, ВАХ которого показана на рис. 1.1.
Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 1.2. В этой схеме при изменении входного напряжения Uвх на ±Uвх ток через стабилитрон VD изменяется на Iст, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне (на ±Uн), следовательно, и на нагрузке. Значение Uн зависит от Uвх, сопротивления ограничивающего резистора R0 и дифференциального сопротивления стабилитрона rст. Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН на рис. 1.2 [5]:
Kст1 = (Uвх / Uн)(Uн / Uвх) (Uн / Uвх)(R0 / Rн). (1.1.1)
-
Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Рис. 1.2. Схема однокаскадного параметрического стабилизатора
Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. На рис. 1.3 приведены зависимости Uст маломощных стабилитронов от напряжения стабилизации для различных токов стабилизации Iст. Из графиков видно, что при увеличении Iст дифференциальное сопротивление уменьшается и достигает минимального значения для стабилитронов с напряжением стабилизации (68) В.
Температурный коэффициент напряжения н стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температуры. На рис. 1.4 приведена зависимость Uн от напряжения стабилизации. Для приборов с Uст>5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (VD2, VD3 на рис. 1.5), у которых температурный коэффициент напряжения отрицательный. Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопротивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направлении rдиф, которое зависит от выбранного типа диода и режима его работы. Необходимо отметить, что термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение rст и пониженный коэффициент стабилизации.
Рис. 1.3. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от тока стабилизации |
Рис. 1.4. Зависимость температурного коэффициента стабилитронов от напряжения стабилизации |
Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения ПСН, то может быть применена двухкаскадная схема стабилизатора (на рис. 1.6). Предварительная стабилизация напряжения в нем, осуществляемая с помощью элементов R01, VD1 и VD2, позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения:
Kст2к = Kст1Kст2 (Uн / Uвх)R0Rн / [(rVD1 + + rVD2)(rVD3 + rVD4 + rVD5)], |
(1.1.2) |
где Kст1, Kст2 коэффициенты стабилизации первого и второго каскадов; rVD, rVD2, rVD3, rVD4, rVD5 дифференциальные сопротивления диодов и стабилитронов VD1VD5.
Рис. 1.5. Схема параметрического стабилизатора напряжения с термокомпенсирующими диодами |
Рис. 1.6. Схема параметрического двухкаскадного стабилизатора |
Температурный уход напряжения на нагрузке и внутреннее сопротивление двухкаскадного ПСН такие же, как в схеме на рис. 1.5.
Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения достигается за счет значительного ухудшения КПД. Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 1.7 за счет применения в ней источника тока, выполненного на транзисторе VT, стабилитроне VD1 (вместо которого могут быть включены два диода, последовательно соединенных в прямом направлении) и резисторах RЭ и RБ. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон VD2 и тем самым резко уменьшить отклонения напряжения на нагрузке при больших изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 1.2.
Рис. 1.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения с токостабилизирующим двухполюсником |
Рис. 1.8. Схема параметрического стабилизатора с эмиттерным повторителем |
Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в базовой цепи, то мощность нагрузки может быть увеличена (рис. 1.8). При этом коэффициент стабилизации ПСН равен
Kст = / (1 + rст / R0) (Uн / Uвх), (1.1.3)
а внутреннее сопротивление
rн = (Ri + rст / h21Э) / (1 + ), (1.1.4)
где = 1/[rстUн/(R0Uст)+(rст+rБ+rЭ h21Э)/rК rст/R0]; Ri (rЭ+rБ/h21Э); rБ, rЭ, rК, h21Э соответственно сопротивления базы, эмиттера, коллектора и коэффициент передачи тока в схеме ОЭ транзистора.
Такой ПСН при Uст > 5,5 В по температурному уходу уступает стабилизаторам, приведенным на рис. 1.5 и 1.6.
В интегральных микросхемах широкое применение находит схема стабилизатора, в которую вместо гасящего резистора R0 включен полевой транзистор (рис. 1.9, а). Такой стабилизатор имеет меньшую нестабильность по входному напряжению. Транзистор используется для имитации большего сопротивления изменениям тока.
Рис. 1.9. Схема параметрического стабилизатора с полевым транзистором
Так, сопротивление промежутка сток-исток транзистора эквивалентно сопротивлению для переменного тока:
R0эк = 1/gси,
где gси — проводимость сток-исток транзистора.
Из-за малого наклона выходных характеристик полевого транзистора проводимость gси мала и эквивалентное сопротивление переменному току оказывается очень большим, а коэффициент нестабильности по входному напряжению — малым:
kE ri gси
Сопротивление промежутка сток-исток постоянному току много меньше соответствующего дифференциального сопротивления, и поэтому в такой схеме при меньших потерях мощности получают лучший коэффициент нестабильности.