Электроника / стабилизаторы напряжения и тока. / стабилизаторы напряжения и тока.doc — studfiles
Лекция 8 2.4 Стабилизаторы напряжения и тока. 2.4.1 Принцип стабилизации. Виды стабилизаторов.
Величина напряжения на выходе выпрямителей, созданных для питания разных РТУ, может колебаться в значимых границах, что усугубляет работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются конфигурации напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются конфигурации напряжения 2-ух видов: неспешные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и резвые, продолжительностью толики секунды. Как те, так и другие конфигурации негативно сказываются на работе аппаратуры. К примеру, ЛБВ вообщем не могут работать без стабилизации напряжения. Для обеспечения данной точности измерительных устройств (электрических вольтметров, осциллографов и др.) также нужна стабилизация напряжения.
Стабилизатором напряжения именуется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в узнаваемых границах.
Стабилизатором тока именуется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в узнаваемых границах.
Стабилизатор сразу со своими основными функциями производит и угнетение пульсаций.
Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного конфигурации напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:
(1)
Качество стабилизации оценивается также относительной непостоянностью выходного напряжения
(2)
Внутреннее сопротивление
(3)
Коэффициент сглаживания пульсаций
(4)
где Uвх~, Uвых~ - амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Для стабилизаторов тока важны последующие характеристики:
Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению
(5)
Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки
(6)
Коэффициент полезного деяния определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активных мощностей
(7)
Есть два главных способа стабилизации: параметрический и компенсационный.
Параметрический способ основан на использовании нелинейных частей, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений меж отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации.
Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из 2-ух частей - линейного и нелинейного.
При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких границах () напряжение на выходе меняется в существенно наименьших границах ()
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на базе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. набросок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. набросок (б)). Рабочий участок ограничен максимально допустимым по термическому режиму Imax.
а) б)
В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным - дроссель насыщения.
Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной оборотной связи, средством которой сигнал рассогласования усиливается и повлияет на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в каких регулируемый транзистор повсевременно (безпрерывно) находится в открытом состоянии, именуются линейными либо с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в главном режиме.
2.4.2 Параметрический стабилизатор неизменного напряжения
Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора Rг (см. набросок).
По I и II законам Кирхгофа
(8)
Согласно 001:
Подставим в эту формулу уравнения (8):
Так как rст<>1, то
(9)
Кст возрастает при уменьшении rст и увеличении Rг. Но при увеличении Rг необходимо наращивать Uвх. Потому нельзя получить очень высочайший Кст. Обычно Кст не превосходит нескольких 10-ов. Существует максимально достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации
,
где
Но при увеличении Rг увеличивается Rг и утраты мощности, понижается КПД:
(10)
= 20-30%, что разъясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Потому ординарную схему со стабилитроном используют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность.
Значимым недочетом кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Это изменение можно выразить линейной зависимостью:
(11)
где - абсолютный температурный коэффициент. Стабилитроны с Uст5В - положительный .
Относительный температурный коэффициент:
Для уменьшения температурной непостоянности употребляют схемы с температурной компенсацией.
Более обычная схема подразумевает внедрение 1-го либо нескольких полупроводниковых диодов, смещённых в прямом направлении.
У открытых p-n переходов отрицателен, потому таковой метод подходящ для стабилитронов с Uст>5В.
Включение термокомпенсирующих диодов приводит к росту внутренннего сопротивления ветки со стабилитроном:
, где - внутреннее сопротивление термокомпенсирующего диодика.
Кст мало миниатюризируется.
Другой метод заключается в использовании стабилитронов с внутренней термокомпенсацией, представляющих из себя два p-n перехода, включенных навстречу друг дружке и выполненных на одном кристалле. Это прецизионные стабилитроны 2С108В, 2С116В, 2С190Д с ТКН=±0,0005% / оC на градус, и другие.
Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон в базисную цепь эмиттерного повторителя (см. набросок).
Таким макаром, мощность нагрузки увеличена, а непостоянность снижена, потому что базисный ток меняется очень слабо в процессе стабилизации.
В качестве параметрических стабилизаторов неизменного тока употребляют нелинейные элементы, ток которых не много находится в зависимости от напряжения, приложенного к ним. В качестве такового элемента можно использовать полевой транзистор. Если Uзи=const, то Iс~const (см. набросок). В нашем случае затвор и исток закорочены (см. набросок).
Стабилизатор тока используют в параметрических стабилизаторах напряжения для стабилизации входного тока. Включение стбилизатора тока заместо гасящего сопротивления даёт возможность повысить Кст:
,
где - дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора.
КПД также увеличивается.
Классические стабилитроны не обхватывают весь спектр напряжений. Для получения требуемого Uвых>Uст употребляются операционные усилители (см. набросок).
К примеру: Uст=9В, Uвых=10В. R1=1кОм, R2=9кОм. Для Iст=10мА Rо=1/(10*(1/1000))=100 Ом.
Всвязи с тем. что обычной стабилитрон не отвечает требованиям, предъявляемым к источникам опорного напряжения (ИОН), были разработаны СИМС (стабилитронные ИМС), которые имеют два (либо три) вывода и выполнены как обыденный стабилитрон, хотя в реальности они являются ИМС, содержащей пассивные и активные элементы. Все СИМС можно поделить на три группы:
температурно-компенсированные СИМС;
температурно-стабилизированные;
опорные источники с напряжением запрещённой зоны ( bandgap ИОН).
Температурно-компенсированные - 1009ЕН1. В неё входят 9 транзисторов и резисторы. Uст=31-35 В, Iст=5 мА, ТКН 0,006 % / о C. Созданы для питания варикапов.
Температурно-стабилизированные ИОН содержат интегральный стабилитрон, также прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры (ДТ - переход БЭ транзистора). Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона с помощью нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. ТКН до 0,00005 % / оC, что на порядок меньше, чем у хоть какого стабилитрона. 2С483 (аналог LM199 конторы National Semiconductor).
Опорные источники с напряжением запрещённой зоны состоят из биполярных транзисторов и резисторов. В их употребляется принцип термокомпенсации Uбэ падением напряжения на резисторе с положительным ТКН. Uвых=1,22 В, Еотс~0,7 В. Для конфигурации значения Uвых введена схема с ОУ. На этом принципе выполнен регулируемый интегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 конторы Texas Instruments). ТКН=0,0003 % / о C, Uвых=2,5-36 В, rдиф=0,2 Ом,Iнmax=100 мА. Эти характеристики намного лучше, чем у прецизионных стабилитронов.
