Стабилизаторы напряжения (стр. 1 из 3)

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра систем телекоммуникаций

РЕФЕРАТ

На тему:

«Стабилизаторы напряжения»

МИНСК, 2008

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

бРис. 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_iэлемента 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_Нmax– 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_iусиления.

На практике часто применяют простейший параллельный СТ напряжения, называемый параметрическим (рис. 2, а). Стабилитрон VDсовмещает 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).

а б

вРис. 2. Параметрические стабилизаторы напряжения: а, б – схемы; в – характеристики

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}.