Стабилизаторы напряжения

     Министерство науки  и образования Республики Казахстан

     Костанайский  Государственный Университет 

     им. А. Байтурсынова   
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ

     На тему: 

     «Стабилизаторы напряжения» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Костанай 2011

 

      СТ характеризуются следующими параметрами (рис. 1, а): максимальное (оно же номинальное) выходное напряжение U_{2 mах} , диапазон его регулирования и допустимая относительная нестабильность ; максимальный (он же номинальный) ток I_Н нагрузки и диапазон его изменений DI_Н (обычно принимают I_{Н min} = 0 и DI_Н = I_{Н max} , иначе СТ может выйти из строя при холостом ходе или в моменты включения при индуктивном характере нагрузки); выходное сопротивление ; коэффициент стабилизации коэффициент полезного действия (U_{1 ном} , I_{1 ном} – номинальные входные напряжение и ток). Временной (температурный) дрейф характеризуют абсолютным либо относительным изменением выходного напряжения за определенное время (в определенном диапазоне температур).

       

     а

     

     б

     Рис. 1. Функциональные схемы

     cтабилизатров напряжения:

     а – общая; б – параллельного типа

     СТ бывают параллельного и последовательного типов. Параллельный СТ (рис.1, б) содержит регулирующий 1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и усилительный элемент 2. В нем при пренебрежении током через внутреннее сопротивление R_i элемента 1 выполняется условие , откуда [4] 

      ,(1) 

     где DI_У , DI_Р , DI_Н , DU₁ , DU₂ – приращения (изменения) соответственно токов сравнивающего, регулирующего элементов и нагрузки, входного и выходного напряжений.

     В реальных СТ I_У << I_Р. С учетом этого при DU₁ = DU₂ = 0 (неизменное входное и идеальная стабилизация выходного напряжений) следует DI_Р = – DI_Н , т.е. токи нагрузки и регулирующего элементов изменяются противоположно. Если же I_Н = const, то – изменение тока прямо пропорционально приращению напряжения U₁. Из этого вытекает, что минимальный ток I_{Р min} регулирующего элемента соответствует максимальному току I_{Н max} нагрузки и минимальному входному напряжению U_{1 min} . Тогда при

      .

     Очевидно, I_{Р ном} >> I_{Р min}, если сопротивление R₀ СТ мало. Максимальный ток I_{Р max} , по которому подбирают элемент 1, соответствует режиму холостого хода и напряжению U_{1 max} :

     

     где I_{1 min} = I_{Р min} + I_{Н max} – минимальный входной ток параллельного СТ.

     Полагая DU₁ = 0, подставляя и , приходим к выражению для выходного сопротивления СТ

      , (2)

     где – так называемое характеристическое сопротивление, равное выходному сопротивлению активной части СТ (при );

     R_У – суммарное входное сопротивление элемента 2 с учетом элемента 3;

     K_i – суммарный коэффициент усиления тока элементов 2 и 1.

     Часто . Тогда .

     Подставляя , и , можно получить

      . (3)

     В большинстве случаев , поэтому , т.е. для увеличения коэффициента стабилизации надо уменьшать характеристическое сопротивление. Это же необходимо для снижения выходного сопротивления. Требуемое достигают повышением коэффициента K_i усиления.

     На практике часто применяют простейший параллельный СТ напряжения, называемый параметрическим (рис. 2, а). Стабилитрон VD совмещает функции опорного и регулирующего элементов. Колебания напряжения U₁ или тока I_Н приводят к изменению тока I_д = I_ст , но напряжение U₂ = U_ст изменяется незначительно: U_ст » const. Поэтому DU₁ = DU_R0 и , где DU₁ , DU_R0 , DI_ст – изменения соответственно напряжений U₁, U_R0 и тока I_ст стабилитрона; R₀ – балластное сопротивление (рис. 2, в).

     

     в 

     Рис. 2. Параметрические

     стабилизаторы напряжения:

     а, б – схемы; в – характеристики

       

           а б 

     

     Для рассматриваемого диодного СТ справедливы соотношения (1 – 2) при K_i = 0 и

      ,

     где r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона, который подбирают исходя из значений напряжения U₂ и тока I_Н . Очевидно, при K_i = 0 = r_д, т.е. в диодных СТ характеристическое сопротивление является величиной заданной. Соответственно и . Ток I_{ст min} выбирают в пределах 2…3 мА для маломощных и 3…5 мА для мощных стабилитронов. Сопротивление r_д , зависящее от тока I_ст , принимают равным номинальному (среднему) значению. Исходя из допустимого тока I_{ст доп} оценивают максимальный ток нагрузки.

     Диодные СТ просты и надежны, но их недостатками являются невозможность регулировки выходного напряжения и невысокий коэффициент стабилизации (порядка 15…50), особенно при больших токах нагрузки I_Н > I_{ст ном} . Возможный способ увеличения параметра K – применение каскадных схем (рис. 2, б). Расчет такого СТ выполняется “справа налево”. Выходное сопротивление определяется стабилитроном VD2. Диодные СТ применяются в основном в качестве источников опорного напряжения в более мощных СТ и для питания слаботочных схем, например, цепей смещения. В этом случае удается обеспечить условие I_{Н max} £ I_{ст min} , при котором стабильность может быть приемлемой. Температурный и временной дрейф параметрического СТ такой же, как у отдельного стабилитрона. В широком интервале температур дрейф напряжения U₂ доходит до 10% и более, т.е. намного превышает нестабильность напряжения U₁ и тока I_Н . Анализ показывает, что однокаскадный параллельный СТ (содержит однокаскадный регулирующий элемент) не имеет преимуществ перед диодным, а двухкаскадный (с двухкаскадным регулирующим элементом) уступает двухкаскадному последовательному СТ.

     Последовательный СТ (рис.3) напряжения содержит регулирующий 1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и усилительный элемент 2. В нем выполняется условие (R_i – внутреннее сопротивление элемента 1), откуда для приращений

      . (4)

       

     Рис. 3. Функциональная схема стабилизатора напряжения последовательного типа

     В реальных СТ I_У << I_Н . С учетом этого при DU₁ = DU₂ = 0 следует DI_Р = DI_Н , т.е. ток регулирующего элемента повторяет изменение тока нагрузки. Если же I_Н = const, то – изменение тока элемента 1 противоположно изменению тока через сопротивление R_i, которым принципиально нельзя пренебрегать. Из этого следует, что в последовательном СТ максимальный ток I_{Р max} регулирующего элемента соответствует максимальному току I_{Н max} нагрузки и минимальному входному напряжению U_{1 min}.: (часто с запасом принимают ). Последовательный СТ не может работать в режиме холостого хода (в этом случае I_Р < 0). Для нормального функционирования через элемент 1 должен протекать минимальный (остаточный) ток . Ток I_{Н min} обеспечивают подключением на выходе постоянного сопротивления (шунта). Тогда по отношению к внешней нагрузке холостой ход допустим, но под током I_{Н max} надо понимать сумму токов собственно нагрузки и шунта I_Ш = I_{Н min} . В рабочем режиме напряжение на регулирующем элементе U_Р = U₁ – U₂ . Но в момент включения (с учетом емкости на выходе) и при коротком замыкании U_Р = U₁ , из-за чего регулирующий элемент выбирают из условия U_{Р max} = U_{1 max} .

     Полагая в (3) DU₁ = 0, и , имеем

      , (4)

     где параметры , R_У , K_i аналогичны параметрам параллельного СТ, а подставляя сюда же и те же DI_Р и DI_У , находим коэффициент стабилизации

      . (5)

     В последовательных СТ, как и в параллельных, . Поэтому . Из-за неидеальных свойств регулирующего элемента , и коэффициент стабилизации имеет конечное значение.

     Однокаскадный последовательный СТ и его малосигнальная эквивалентная схема приведены на рис. 4, а, б. Усилительная часть представлена транзистором VT, опорная – стабилитроном VD, стабилизированным напряжением Е₀ и балластным сопротивлением R₀ . По-существу, СТ представляет собой эмиттерный повторитель, потенциал базы которого стабилизирован, а напряжение коллекторного питания изменяется в широких пределах.

     Сравнивая схемы рис. 3 и рис. 4, а, б, устанавливаем: , , , = , где r_Э , r_Б , , b – параметры транзистора VT в схеме с ОЭ; r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона VD. Количественные расчеты показывают, что при средних значениях параметров транзисторов средней мощности = 5 кОм, r_Б = 20 Ом, b = 30, I_К = 0,25 А и r_д = 10 Ом выходное сопротивление и коэффициент стабилизации примерно равны 1 Ом и 125 раз. Величина K приемлема, но R_вых сравнительно велико и ограничивает максимальный ток нагрузки в однокаскадном СТ.

     В рассматриваемом СТ напряжение Е₀ предполагалось абсолютно постоянным. На практике диодный СТ питается от того же источника. Обозначив DЕ₀ = h×DU₁ (h < 1) и включив этот источник переменного напряжения последовательно с сопротивлением R₀ , можно показать, что коэффициент стабилизации уменьшается в (1+ ) раз. Наиболее часто балластное сопротивление R₀ подключают ко входу СТ напрямую, что резко снижает значение K. Действительно, в этом случае изменения выходного и опорного напряжений примерно одинаковы (изменением напряжения база – эмиттер транзистора VT пренебрегаем). Поэтому коэффициент стабилизации СТ близок к аналогичному опорной части, который по причине небольшого значения R₀ (100…300 Ом) не превышает 10…20.

     Основной недостаток однокаскадного последовательного СТ – сравнительно большое выходное сопротивление. Лучшие свойства имеет двухкаскадный СТ (рис. 4, в), в котором транзистор VT1 является регулирующим элементом, а транзистор VT2 – сравнивающим и усилительным. В этом случае , , и = , где I_К1, b₁ – ток коллектора транзистора VT1 и коэффициент передачи его тока в схеме с ОЭ; R_вх2 , r_Б2 , r_Э2 , b₂ – входное сопротивление и параметры транзистора VT2; r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона VD. Например, при I_К2 = 10 мА, r_Б2 = 50 Ом, b₁ = b₂ = 30 и r_д =10 Ом имеем R_вых » 0,15 Ом. Выигрыш по сравнению с однокаскадной схемой значительный. Соответственно возрастает и коэффициент стабилизации: K » 1000.