Стабілізатори напруги

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

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 <<I 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 <<I 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 <<U 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 ) І U БЕ = f 2 ) 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.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
59.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Параметричні ферорезонансні стабілізатори змінної напруги Компенсаційні стабілізатори
Стабілізатори напруги і струму
Стабілізатор напруги Опис і
Низькочастотний підсилювач напруги
Схема напруги на діодах
Генератор синусоїдальної напруги
Доопрацювання джерела напруги НД 4-12
Підсилювач напруги на біполярному транзисторі
Система управління стабілізатором напруги
© Усі права захищені
написати до нас