[
Стабілізатори напруги
]!
Установа освіти
Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра систем телекомунікацій
РЕФЕРАТ
На тему:
«Стабілізатори
напруги»
МІНСЬК, 2008
СТ характеризуються наступними параметрами (рис. 1, а): максимальна (воно ж номінальне) вихідна напруга U
2 m ах,
діапазон його регулювання і допустима відносна нестабільність
; Максимальний (він же номінальний) струм I
Н
навантаження і діапазон його змін DI
Н
(зазвичай приймають I
Н min
= 0 і DI
Н
= I
Н max
, Інакше СТ може вийти з ладу при холостому ході або в моменти включення при індуктивному
характері
навантаження); вихідний опір
; Коефіцієнт стабілізації
коефіцієнт корисної дії
(U
1 ном,
I
1 ном
- номінальні вхідні напруга і струм). Тимчасової (температурний) дрейф характеризують абсолютним або відносним зміною вихідної напруги за певний час (у певному діапазоні температур).
а
б
Рис. 1.
Функціональні
схеми
cтабілізатров напруги:
а - загальна; б - паралельного типу
СТ бувають паралельного та послідовного типів. Паралельний СТ (рис.1, б) містить регулюючий 1 і опорний 3
матеріалів
, що порівнює і підсилювальний елемент 2. У ньому при нехтуванні струмом через внутрішній опір R
i
елемента 1 виконується умова
, Звідки [4]
, (1)
де DI
У,
DI
Р,
DI
Н,
DU
1,
DU
2
- збільшення (зміни)
відповідно
струмів порівнює, що регулює елементів і навантаження, вхідної та вихідної напруги.
У реальних СТ I
У
<
Р. З урахуванням цього при DU
1
= DU
2
= 0 (незмінне вхідний і ідеальна стабілізація вихідної напруги) слід DI
Р
= - DI
Н,
тобто струми навантаження та регулюючого елементів змінюються протилежно. Якщо ж I
Н
= const, то
- Зміна струму прямо пропорційно збільшенню напруги U
1.
З цього випливає, що мінімальний струм I
Р min
регулюючого елементу
відповідає
максимальному току I
Н max
навантаження та мінімального вхідній напрузі U
1 min
. Тоді при
.
Очевидно, I
Р ном>>
I
Р min,
якщо опір R
0
СТ мало. Максимальний струм I
Р max,
за яким підбирають елемент 1, відповідає режиму холостого ходу і напрузі U
1 max:
де I
1 min
= I
Р min
+ I
Н max
- Мінімальний вхідний струм паралельного СТ.
Вважаючи DU
1
= 0, підставляючи
і
, Приходимо до виразу для вихідного опору СТ
, (2)
де
- Так зване характеристичне опір, рівний вихідному опору активної частини СТ (при
);
R
У
- сумарне вхідний опір елемента 2 з урахуванням елемента 3;
K
i
- сумарний коефіцієнт посилення струму елементів 2 і 1.
Часто
. Тоді
.
Підставляючи
,
і
, Можна отримати
. (3)
У більшості випадків
, Тому
, Тобто для збільшення коефіцієнта стабілізації треба зменшувати характеристичний опір. Це ж необхідно для зниження вихідного опору. Необхідну досягають підвищенням коефіцієнта K
i
посилення.
На практиці часто застосовують
найпростіший
паралельний СТ напруги, званий параметричним (рис. 2, а). Стабілітрон VD поєднує
функції
опорного та регулюючого елементів.
Коливання
напруги U
1
або струму I
Н
призводять до зміни струму I
д
= I
ст,
але напруга U
2
=
U
ст
змінюється незначно: U
ст
»const. Тому DU
1
= DU
R 0
і
, Де DU
1,
DU
R 0,
DI
ст
- зміни
відповідно
напруг U
1,
U
R 0
і струму I
ст
стабілітрона; R
0
- баластна опір (рис. 2, в).
а б
в
Рис. 2. Параметричні
стабілізатори напруги:
а, б - схеми; в - характеристики
Для розглянутого діодного СТ справедливі співвідношення (1 - 2) при K
i
= 0 і
,
де r
д
-
диференціальний
опір стабілітрона, який підбирають виходячи з значень напруги U
2
і струму I
Н.
Очевидно, при K
i
= 0
= R
д,
тобто в діодних СТ характеристичний опір є величиною заданої.
Відповідно
і
. Струм I
ст min
вибирають в межах 2 ... 3 мА для малопотужних і 3 ... 5 мА для потужних
стабілітронів
. Опір r
д,
залежне від струму I
ст,
приймають рівним номінальному (середньому) значенню. Виходячи з допустимого струму I
ст доп
оцінюють максимальний струм навантаження.
Діодні СТ прості і надійні, але їх недоліками є неможливість регулювання вихідної напруги і невисокий коефіцієнт стабілізації (близько 15 ... 50), особливо при великих струмах навантаження I
Н>
I
ст ном.
Можливий спосіб збільшення параметра K - застосування каскадних схем (рис. 2, б).
Розрахунок
такого СТ виконується "справа наліво". Вихідний опір визначається
стабілітроном
VD2. Діодні СТ застосовуються в основному в якості джерел опорної напруги в більш потужних СТ і для живлення слабкострумових схем, наприклад, ланцюгів зсуву. У цьому випадку вдається забезпечити умову I
Н max
£ I
ст min
, При якому стабільність може бути прийнятною. Температурний і часовий дрейф параметричного СТ
такий
же, як в окремого стабілітрона. У широкому інтервалі температур дрейф напруги U
2
доходить до 10% і більше, тобто набагато перевищує нестабільність напруги U
1
і струму I
Н.
Аналіз показує, що однокаскадний паралельний СТ (містить однокаскадний регулюючий елемент) не має переваг перед діодним, а двохкаскадний (з двокаскадного регулюючим елементом) поступається двокаскадного послідовному СТ.
Послідовний СТ (рис.3) напруги містить регулюючий 1 і опорний 3 матеріалів, що порівнює і підсилювальний елемент 2. У ньому виконується умова
(R
i
- внутрішній опір елемента 1), звідки для збільшень
. (4)
Рис. 3.
Функціональна
схема стабілізатора напруги послідовного типу
У реальних СТ I
У
<
Н. З урахуванням цього при DU
1
= DU
2
= 0 слід DI
Р
= DI
Н,
тобто струм регулюючого елемента повторює зміну струму навантаження. Якщо ж I
Н
= const, то
- Зміна струму елемента 1 протилежно зміни струму через опір R
i,
яким
принципово
не можна нехтувати. З цього випливає, що в послідовному СТ максимальний струм I
Р max
регулюючого елементу відповідає максимальному току I
Н max
навантаження та мінімального вхідній напрузі U
1 min.:
(Часто з запасом беруть
). Послідовний СТ не може працювати в режимі холостого ходу (в цьому випадку I
Р
<0). Для нормального функціонування через елемент 1 повинен протікати мінімальний (залишковий) струм
. Струм I
Н min
забезпечують підключенням на виході постійного опору (шунта). Тоді по відношенню до зовнішньої навантаженні холостий хід допустимо, але під струмом I
Н max
треба розуміти суму струмів власне навантаження і шунта I
Ш
= I
Н min
. У робочому режимі напруга на регулюючому елементі U
Р
= U
1
- U
2.
Але в момент включення (з урахуванням ємності на виході) і при короткому замиканні U
Р
= U
1,
через що регулюючий елемент вибирають з умови U
Р max
= U
1 max
.
Вважаючи в (3) DU
1
= 0,
і
, Маємо
, (4)
де параметри
, R
У,
K
i
аналогічні параметрам паралельного СТ, а підставляючи сюди ж
і ті ж DI
Р
і DI
У,
знаходимо коефіцієнт стабілізації
. (5)
У послідовних СТ, як і в паралельних,
. Тому
. Через неідеальних властивостей регулюючого елемента
, І коефіцієнт стабілізації має кінцеве значення.
Однокаскадний послідовний СТ і його Малосігнальная еквівалентна схема наведено на рис. 4, а, б. Підсилювальна частина представлена транзистором VT, опорна - стабілітроном VD, стабілізованою напругою Е
0
і баластовим опором R
0.
По-суті, СТ являє собою емітерний повторювач, потенціал бази якого стабілізовано, а напруга колекторного
харчування
змінюється в широких межах.
Порівнюючи схеми рис. 3 та рис. 4, а, б, встановлюємо:
,
,
,
=
, Де r
Е,
r
Б,
, B - параметри
транзистора
VT у схемі з ОЕ; r
д
- диференціальний опір стабілітрона VD. Кількісні
розрахунки
показують, що при середніх значеннях параметрів
транзисторів
середньої потужності
= 5 кОм, r
Б
= 20 Ом, b = 30, I
К
= 0,25 А і r
д
= 10 Ом вихідний опір та коефіцієнт стабілізації приблизно рівні 1 Ом і 125 разів. Величина K прийнятна, але R
вих
порівняно велика і обмежує максимальний струм навантаження в однокаскадного СТ.
У розглянутому СТ напруга Е
0
передбачалося абсолютно постійним. На практиці діодний СТ харчується від
того
ж джерела. Позначивши DЕ
0
= h × DU
1
(h <1) і включивши це джерело змінної напруги послідовно з опором R
0,
можна показати, що коефіцієнт стабілізації зменшується в (1 +
) Разів. Найбільш часто баластна опір R
0
підключають до входу СТ напряму, що різко знижує значення K. Дійсно, в цьому випадку зміни вихідного і опорного напруг приблизно однакові (зміною напруги база - емітер транзистора VT нехтуємо). Тому коефіцієнт стабілізації СТ близький до аналогічного опорної частини, який через невеликого значення R
0
(100 ... 300 Ом) не перевищує 10 ... 20.
Основний недолік однокаскадного послідовного СТ - порівняно великий вихідний опір. Кращі властивості має двохкаскадний СТ (рис. 4, в), у якому
транзистор
VT1 є регулюючим елементом, а транзистор VT2 - порівнює і підсилювальним. У цьому випадку
,
,
і
=
, Де I
К1,
b
1
- струм колектора транзистора VT1 і коефіцієнт передачі його струму в схемі з ОЕ; R
вх2,
r
Б2,
r
Е2,
b
2
- вхідний опір і параметри транзистора VT2; r
д
- диференціальний опір стабілітрона VD. Наприклад, при I
К2
= 10 мА, r
Б2
= 50 Ом, b
1
= b
2
= 30 і r
д
= 10 Ом маємо R
вих
»0,15 Ом. Виграш в порівнянні з однокаскадний схемою значний. Відповідно зростає і коефіцієнт стабілізації: K »1000.
а б
в м
д і
Рис. 4. Схеми послідовних стабілізаторів на дискретних елементах
Зазвичай мінімальний струм стабілітрона VD перевищує струм I
Б2
транзистора VT2. Тому вводять додаткове зміщення з допомогою опору R
д
від ІП напругою-Е
д
(показано пунктиром):
(I
д
(I
R д)
- струм
стабілітрона
(через опір R
д)).
Для виключення струмопровідної ланцюга стабілітрон VD включають в ланцюг емітера транзистора VT2, а базу останнього з'єднують з виходом СТ (див. рис. 4, в). У такій схемі транзистор VT2
працює
при низькій напрузі колектор - база U
КБ2
= U
БЕ1
<
2, що є додатковою перевагою. Недолік - підвищений вхідний опір
. Через це зростає вихідний опір
, Що знижує коефіцієнт стабілізації, в порівнянні з базовим включенням, в три з гаком рази.
Типові значення параметрів двокаскадного послідовних СТ складають R
вих
= 0,1 ... 0,5 Ом, K = 200 ... 800 і I
Н
= 0,2 ... 0,5 А. У разі бульшим струмів (потужностей) і підвищених вимог до коефіцієнта стабілізації необхідно подальше зменшення характеристичного опору за допомогою збільшення коефіцієнта K
i
. Це досягається або використанням багатокаскадних підсилювачів в порівнюються і усилительном елементі СТ, або застосуванням в якості VT1 складеного Т, що найбільш часто використовують на практиці. Випускаються складові (з двох елементів) Т, спеціально призначені для СТ. У такій схемі опір R
вих
може становити соті (тисячні) частки ома.
Розглянуті СТ забезпечують вихідну напругу U
2
»U
ст
(U
ст
- напруга стабілізації діода VD). На практиці часто необхідно
мати
відмінну від U
д
= U
ст
величину, регульовану ступенями. Найбільш поширений спосіб підвищення U
2
представлений на рис. 4, м.
Він
придатний також у паралельних СТ. Вважаючи U
БЕ
»0, маємо
. Для зменшення параметра R
У
опір R
2
вибирають малим, так що
і
. При такому низькоомний дільнику, зробивши опору змінними, можна плавно регулювати вихідну напругу.
По теоремі про еквівалентному генераторі розглянута схема переходить в схему рис. 4, д, в якій
і
. У відсутність дільника прирощення вхідного струму становить
, З них -
, Тобто дільник зменшує приріст DI
У
при однаковому зміні DU
2.
Це рівносильно підвищенню R
У
і відповідно
. Тому коефіцієнт стабілізації погіршується:
,
де K
0
- коефіцієнт стабілізації без дільника.
Очевидно, навіть в граничному випадку R
справ
= 0 СТ з дільником у
разів гірше (
). Тому при регулюванні вихідної напруги параметри СТ змінюються і оптимальні при U
2
= U
2 min
.
Для отримання малих регульованих напружень застосовують схему рис. 4, е, в якій при
через опір R
1
протікає заданий струм
. Тому, змінюючи R
1,
можна отримати як великі, так і
малі
напруги U
2
(близькі до 0 В). Практично U
2 min
»U
БЕ
= 0,7 В.
У СТ вихідна напруга дорівнює U
2
= U
д
+ U
БЕ
(U
д
(U
БЕ)
- напруга опорного елемента (база - емітер Т)) або пропорційно цій сумі. Тому тимчасовою і температурний дрейф напруги U
2
визначається змінами DU
д
і DU
БЕ
при незмінних значеннях U
1
і R
Н.
Часовий дрейф параметра U
д
практично відсутня, аналогічний параметра U
БЕ
є хаотичним і багато в чому залежить від якості Т. Температурні залежності U
д
= = f
1
(Т
) І U
БЕ
=
f
2
(Т
) Визначаються температурним коефіцієнтом e напруги. Стосовно до стабілітрона e> 0 і зростає з підвищенням номіналу U
д
і зростанням струму I
д.
Коефіцієнт e транзисторів є негативним при малих струмах і зменшується за модулем при збільшенні струму I
Е.
Практично позитивна складова температурного коефіцієнта превалює і напруга U
2
зростає при збільшенні температури, так що його сумарний коефіцієнт становить e
ст
= 2 ... 5 мВ / град. Якщо це неприйнятно, то застосовують складовою опорний елемент, що поєднує пряме і зворотне включення стабілітронів. Він дозволяє знизити значення e
ст
до 0,1 мВ / град, але взаємна компенсація присутній лише у вузькому діапазоні струму I
д,
що необхідно враховувати.
Вихідний опір
транзисторних
СТ, особливо багатокаскадних, дуже мало, але це справедливо для статичної величини R
вих.
При стрибкоподібних змінах струму I
Н
коефіцієнт b транзисторів в перший момент дорівнює нулю, відповідно K
i
(0) = 0, і початкова вихідний опір R
вих
(0) »
(0) »r
д
+
r
Б
+
r
Е
може на порядок перевищувати значення R
вих.
Відновлення відбувається через час, визначений постійної t
b
часу Т. Для виключення цього
вихід
СТ шунтируют досить великий ємністю С, вибраною за умовою СR
вих ср>>
t
о,
де t
о
- еквівалентна стала часу, що дорівнює в першому наближенні сумі постійних t
b
всіх транзисторів СТ;
- Усереднене по інтервалу перехідного
процесу
вихідний опір. При R
вих ср
= 0,1 Ом і t
о
= 10 мкс необхідне значення С становить сотні мікрофарад.
Коефіцієнт стабілізації K як
функція
характеристичного опору
- Теж комплексна величина. Її модуль зменшується з підвищенням частоти пульсацій і швидкості зміни напруги U
1.
Але стрибкоподібні зміни DU
1
малоймовірні, тому що СТ харчується від випрямляча з фільтром.
СТ з активним регулюючим елементом часто називають компенсаційним. Великого поширення набули СТ на операційних підсилювачах.
Найпростіша
схема такого СТ, використовувана при малих струмах навантаження, наведена на рис. 5, а. Напруга
(K
оу
- коефіцієнт підсилення з ОС) залишається постійним при зміні навантаження. Змінюючи опір R
ос,
можна регулювати величину U
2.
При великому струмі I
Н
застосовують компенсаційний СТ послідовного типу на операційному підсилювачі (рис. 5, б). У ньому необхідний діапазон регулювання вихідної напруги вибирається за допомогою опорів R
1,
R
2
і R
3.
Останнім часом випускаються СТ повністю в інтегральному виконанні. Вони являють собою трехполюснікі (рис. 5, в, г), конструюються на позитивний-ні і негативні вихідні напруги величиною 5, 6, 8, 12, 15, 18 і 24 В при струмах навантаження до 3 А. Для збільшення значення I
Н
разом з ним можна застосовувати прохідні Т. Такі СТ називаються ще перетворювачами постійного струму в постійний з високою фільтруючою здатністю (стабілізують напругу U
2
в межах 5 мВ).
в
г
Рис. 5. Побудова СТ на
інтегральних схемах
а б
У них в якості джерела опорної напруги крім стабілітрона застосовують Т за схемою з ПРО. Регулюючий елемент представляє складовою Т з двох (декількох) Т. підсилювальних елементів є
операційний підсилювач
або (у деяких випадках) просто диференціальний каскад. Використовується та або інша форма внутрішнього обмеження струму і захист від температурних перевантажень. Вітчизняною промисловістю випускаються СТ послідовного типу на гібридних і монолітних інтегральних схемах.
Паралельні СТ нечутливі до струмовим перевантаженням, тому що зі збільшенням струму I
Н
зменшується струм I
Р.
При значеннях I
Н>>
I
Н max
регульований Т замикається. У разі короткого замикання на виході напруга U
1
повністю падає на баластному опорі R
0.
Послідовні СТ чутливі до перевантажень, оскільки струми I
Н
і I
Р
змінюються однаково. При значеннях I
Н>
I
Н max
підсилювальний і опорний елементи замкнені, а регульований Т працює з максимальним базовим струмом I
Б,
визначеним струмовідвозним опором і різницею напруг U
1
- U
2.
Коротке замикання збільшує струм I
Б,
напруга на Т зростає в
разів. Це різко підвищує рассеиваемую потужність, і Т виходить з ладу. Тому послідовні СТ доповнюють захисним реле. При однаковому значенні I
Н
в паралельних СТ необхідні більш Потужнострумові (приблизно вдвічі) Т, ніж в послідовних. Останні володіють більш високим коефіцієнтом корисної дії. Але при вирішенні конкретних завдань паралельні СТ можуть бути практично рівноцінними, а з урахуванням їх здатності навантаження - навіть оптимальним варіантом.
ЛІТЕРАТУРА
1. Ільїнков В.А., Капуро П.А., Румянцев А.В. Схемотехніка пристроїв і систем телебачення. Ч. 1: схемної реалізації основних перетворень в телебаченні: Навчальний посібник з курсу "Схемотехніка пристроїв і систем телебачення" для
студентів
спеціальності "Телекомунікаційні системи": У 2-х ч. - Мн.: БДУІР, 2007 .- 126 с.
2. Степаненко І. П. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем. - 4-е вид., Перераб. і доп. - М.:
Енергія
, 2003. - 608 с.
3. Побутова радіоелектронна
техніка
: Енциклопедичний
довідник
/ За ред. А.П. Ткаченко. - Мн.: Бел. Енциклопедія, 2005. - 832 с.
4. Хохлов Б. Н. декодуючі пристрої кольорових телевізорів. - 3-е изд., Перераб і доп. - М.: Радіо і зв'язок, 2008. - 512 с.
Будь ласка, не зберігайте тестовий текст.
Ваш ip: 18.220.13.70 буде збережений.
категорії
за типом
за алфавітом
завантажені
© Усі права захищені
написати до нас