Стабилизатор напряжения (стр. 1 из 3)
Содержание
| Введение | 4 |
| 1. Обзор литературы по теме | 5 |
| 2. Выбор описание электрической схемы устройства | 14 |
| 3. Расчёт элементов схемы | 16 |
| 4. Методика испытания устройства | 19 |
| Заключение | 20 |
| Список литературы | 21 |
| Приложения. Комплект документов на устройство (эскизный проект) |
ВВЕДЕНИЕ
В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.
1. Обзор литературы по теме
Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток IСТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем IСТ.МИН, и больше, чем IСТ.МАКС. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке RH напряжение, называемое напряжением стабилизации UСТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации UCT и его допустимый разброс ΔUCT.177
— о
R1
/Ь-СТ
Рис. 7.22.
Если напряжение UВХ, поступающее на вход стабилизатора (рис. 1.1, а), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения UBX.МИН до наибольшего UBX.МАКС, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями IСТ.МИН и IСТ.МАКС с, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.
Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора
(ΔUВХ/UВХ) к относительному изменению напряжения на его выходе (ΔUВыХ/UВыХ) называют коэффициентом стабилизации (КСТ).
Следовательно,
Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением — rд.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов
rд.ст=5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель (рис. 1.1,б), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации. Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через UП.ВХ, а на выходе — через UП.ВХ, то в соответствии с рис. 1.1, б получим
Так как rд.ст«R1, то rд.ст/(R1+ rд.ст)«1 и оказывается, что UП.ВЫХ«UП.ВХ.
Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельствует об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного напряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном напряжении.
Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (RВЫХ), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (ΔIH) при неизменном входном напряжении:
Для простейшего стабилизатора RВЫХ= rд.ст.
Рассмотренный стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между IСТ.МИН и IСТ.МАКС. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны. Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра — стабилизатора остается неизменным.
Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рис. 1.2, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ«Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).
Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 1.2, а видно, что напряжение на нагрузке (UH) отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе UЭБ транзистора VT2, т. е.
UH=UCT-UЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH, и напряжения UH. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения UЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор—эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор—эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение UЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор—эмиттер и напряжения на этом переходе.
Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода — регулирующим.
Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор — эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис. 1.2, б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.
При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.
Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является еще следующее. Напряжение на нагрузке UH отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на напряжение, падающее на переходе эмиттер—база UЭБ транзистора VT (рис. 1.2, а), т. е. UH=UCT-UЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 1.2, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер—база UЭБ транзистора VT равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е. UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ.