2. Стабилизаторы постоянного напряжения, их параметры

СН – электронное устройство, которое стабилизирует напряжение на его выходе U_вых при изменении в широких пределах входного напряжения U_вх и тока нагрузки I_н.

Схема СН:

Рис. 3

Нестабильность входного напряжения U_вх обусловлена нестабильностью напряжения в сети, нестабильность тока нагрузки I_н – изменением сопротивления нагрузки R_н в процессе эксплуатации.

Основные параметры СН:

1. U_вых – выходное номинальное напряжение (напряжение стабилизации);

2. I_н.макс – максимальный ток нагрузки (СН должен стабилизировать выходное напряжение с заданной точностью при изменении тока нагрузки от 0 до I_н.макс );

3. k_ст – коэффициент стабилизации СН:

k_ст =(∆U_вх/∆U_вых)*(U_вых / U_вх)=(1/k_u)* (U_вых / U_вх),

U_вх=0.5(U_вх.мин+ U_{вх.макс}),

k_u – коэффициент передачи СН как четырехполюсника по напряжению;

∆U_вх, ∆U_вых – приращения напряжений;

U_вх, U_вых – постоянные составляющие;

U_вх.мин, U_{вх.макс} – минимальное и максимальное входные напряжения;

4. R_вых – выходное сопротивление СН:

R_вых =∆U_вых/∆I_н;

5. γ_т - абсолютный температурный дрейф выходного напряжения:

γ_т= ∆U_вых/∆Т [мкВ/С];

6. α_т – относительный температурный дрейф выходного напряжения:

α_т=∆U_вых/(∆Т* U_вых)*100% [ %/С].

СН подразделяются на:

1. параметрические (η=0,2-0,4; I_н.макс=10-100 мА):

Их действие основано на нелинейности кремниевых стабилитронов или диодов.

2. компенсационные непрерывные (η=0,6-0,8; I_н.макс= сотни мА) :

Их действие основано на общей отрицательной обратной связи (ООС), стабилизирующей напряжение на выходе СН. Регулирующий элемент (РЭ) в этих СН работает в непрерывном (активном) режиме, поэтому на нем рассеивается достаточно большая мощность.

3. импульсные (η=0,9-0,97; I_н.макс= единицы-десятки мА)

В этих СН РЭ работает в ключевом режиме, поэтому на нем рассеивается небольшая мощность. Напряжение на выходе поддерживается постоянным за счет вариации относительной длительности включения и отключения состояния РЭ.

2.1 Импульсные стабилизаторы напряжения

В ИСН регулирующий элемент- транзистор работает в ключевом режиме, поэтому на нем рассеивается малая мощность, а, следовательно, стабилизатор имеет высокое КПД (0.9-0.97). Стабилизированное напряжение на выходе ИС поддерживается зачет вариации относительной длительности вкл\выкл состояния стабилизатора.

Рассмотрим схемную стабилизацию релейного ИС:

1.

2.

3.

4.

1.Принципиальная схема;

2. Функциональная схема;

3. Характеристика передачи компаратора;

4. Временные диаграммы;

Функциональный состав:

РЭ - регулирующий элемент VT3;

ИФ - импульсный фильтр L1,VD3,C2;

Ф - дополнительный фильтр R7,R8,C1;

ИОН- источник опорного напряжения стабилитрон VT2;

Компаратор (сх. сравнения ) с дистирезисной характеристикой передачи DA1,R2,R3;

У- ключевой усилитель VT1,VT2,R4,R5,R6;

3. Проектирование интегрального стабилизатора напряжения на уровне инженерного синтеза схемы

3.1. Выбор функциональной схемы исн

ИСН - как правило, компенсационные непрерывные СН. Напряжение на его выходе поддерживается постоянным за счет действия общей ООС.

Обычно, они строятся на основе последовательного включения РЭ по отношению к нагрузке, так как такое выполнение позволяет реализовать высокий КПД (η=0,6-0,8) и получить хорошие стабилизирующие свойства микроэлектронных устройств.

На начальном этапе проектирования ИСН выбираем следующую функциональную схему:

Фу нкциональный состав схемы:

РЭ – регулирующий элемент;

ДУ – дифференциальный усилитель сигнала рассогласования;

ИОН – источник опорного напряжения;

R₁, R₂ – делитель выходного напряжения;

R_н – эквивалентное сопротивление нагрузки;

Силовой ток нагрузки течет по цепи: + у входа, КЭ транз. VT1 РЭ, сопротивление нагрузки Rн, общая шина. Толька эта цепь в стабилизаторе сильноточная (А). Все остальные цепи слаботочные (единицы и доли A).

В данной функциональной схеме ИСН имеется общая ООС, стабилизирующая выходное напряжение. Предположим, под действием дестабилизирующих факторов на выходе появилось положительное приращение напряжения (большой плюс), это приращение через делитель напряжения поступает на инвертирующий вход ДУ, на выходе которого имеем больший минус. Затем на выходе РЭ будем иметь также больший минус (РЭ фазу не инвертирует, так как представляет собой последовательное соединение двух транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором). Это отрицательное приращение возвращается на выход ИСН, компенсируя, первоначальное положительное приращение.

Расчёт сопротивлений резисторов

Дано:

U_вых=5 В;

I_н.макс=3А;

R_н.мин = U_вых/I_н.макс= 5/3 Ом.

Расчёт делителя R1, R2

Дано:

U_вых=5 В;

U_оп= 1.2 В;

Предполагаем, что ДУ – идеальный, тогда:

I_вх= 0; U_см= 0, тогда U_R2= U_оп=1,2, при этом задаёмся током делителя напряжения: I_дел= I_R1= I_R2= 2 мА, т. к. I_вх в ДУ равняется 0.

R₁= (U_вых- U_оп)/ I_R1=1.9 кОм.

R₂ = U_оп / I_R2= 0.6 кОм;

Окончательно выбираем функциональную схему, представленную на рис.:

Эта схема в основном полностью совпадает с рассмотренной выше, только в ней введены дополнительные узлы:

УЗСР – узел задания статического режима;

ИТ – источник тока для питания входа РЭ;

Сн – конденсатор на выходе для дополнительной фильтрации выходного напряжения.