ГлавнаяРазноеСтабилизация напряжения

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ. Стабилизация напряжения


СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ - это... Что такое СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ?

- поддержание заданного значениянапряжения (или тока) при изменении сопротивления нагрузки, напряженияпитания и т. п. Для С. т. и н. обычно применяются электронные устройства. ток) нагрузки слабо зависит от её импеданса, если внутр. повторитель напряжения, транзисторабиполярного или в цепь стока полевого транзистора. В более сложныхстабилизаторах используется отрицат. обратная связь. Напряжениена нагрузке (или напряжение, пропорциональное току в нагрузке) сравниваетсяс заведомо стабильным, т. н. опорным, напряжением, и усиленный сигнал рассогласованияподаётся на элемент, непрерывно регулирующий напряжение (ток) нагрузкитаким образом, чтобы уменьшить сигнал рассогласования до нуля (рис. 2).Точность, с к-рой поддерживается стабильность напряжения (тока), определяетсяглубиной обратной связи, стабильностью опорного напряжения и точностьюсравнивающего устройства. Регулирующий элемент (обычно биполярный транзистор)включается параллельно (СН и СТ параллельного типа) или последовательно(СН и СТ последоват. типа) с нагрузкой. В качестве сравнивающего устройстваи усилителя сигнала рассогласования обычно служат операционные усилители. В устройствах стабилизации пост. напряжений и токов опорное напряжениеобычно создаётся полупроводниковым или газоразрядным стабилитроном - прибором,

Рис. 1. RH - сопротивление нагрузки, Ri, Е- внутреннее сопротивление и напряжение источника питания; UH,IH - напряжение и ток нагрузки.

Рис. 2. Блок-схемы стабилизаторов напряжения и тока- a - последовательныйтип; б - параллельный; РЭ - регулирующий элемент, У - сравнивающее устройствои усилитель сигнала рассогласования, ИП - источник питания.

СН и СТ с непрерывным управлением регулирующим элементом обладают сравнительнонизким кпд из-за пост. рассеяния мощности на регулирующем элементе. Дляувеличения кпд применяются импульсные, или ключевые, СН и СТ (рис. 3).Регулирующий элемент, включённый последовательно с нагрузкой, работаеткак электронный ключ и быстро переключается между двумя состояниями: разомкнутым(сопротивление ключа очень большое, ток ключа равен нулю) и замкнутым (сопротивлениеключа близко к нулю, напряжение на ключе - малое). В таком режиме работырегулирующий элемент рассеивает энергию преим. в моменты переключения. Е. Это напряжение сглаживаетсяс помощью фильтра низких частот, состоящего из последовательно включённойкатушки индуктивности L и конденсатора ёмкости С, подключённогопараллельно нагрузке. пост. напряжение, к-рое получается на выходе фильтра, ток) нагрузки. С помощью диода D во время разомкнутогосостояния ключа в нагрузку передаётся энергия, запасённая в катушке индуктивности. преобразователем напряжения.

Рис. 3. Блок-схема импульсного стабилизатора напряжения. П - преобразовательсигнала рассогласования в импульсное напряжение управления РЭ.

Лит.:X о р о в и ц П., X и л л У., Искусство схемотехни-ки, А. В. Степанов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

dic.academic.ru

Стабилизаторы напряжения - Теоретические материалы - Теория

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей - стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рис. 1 - Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резик Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rбал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резике.

Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резика Rогр должно иметь определенное значение. Если напряжение Uвх гуляет от Umin до Umax, то для расчета Rогр можно воспользоваться формулой:

Rогр = (Uвх.ср - Uст)/(Iср + Iн),

где Uвх.ср = 0.5(Uвх.min + Uвх.max) - среднее значение напряжения источника, Iср. = 0.5(Imin + Imax) - средний ток стабилитрона, Iн = Uн/Rн - ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.

Коли все изменения напряжения источника гасятся в Rогр, то наибольшее изменение напряжения (Uвх. max - Uвх.min = ΔUвх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (Imax - Imin = ΔIст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

ΔUвх ≦ ΔIстRогр

Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от Rн.min до Rн.max. Для такого режима Rогр определяется по формуле:

Rогр = (Uвх - Uст)/(Iср + Iн.ср),

где Iн.ср = 0.5(Iн.min + Iн.max), причем Iн.min = Uст/Rн.max, а Iн.max = Uст/Rн.min.

Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).

К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.

Рис. 2 - Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.

Ахтунг: Как-то один препод втулял на полном серьезе, что схема на рисунке 2 - компенсационный стабилизатор напряжения. Тогда меня чуть не вывернуло. Не ведитесь на такую фигню. Про КСН чуть ниже. Там и будет понятно отличие ПСН от КСН.

Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки - как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону влепить кондер). Если параллельно стабилитрону влепить переменный (подстроечный) резик, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также влепить параллельно нагрузке кондер. Кондеров вообще можно повтыкать несколько штук, не повредит. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке втыкают кондер емкостью 0,01...1 мкФ. Это касается любых источников питания. В умных книжках пишут, что кондер должен быть керамический, хотя и бумажные, слюдяные, пленочные и прочие работают ничтяково.

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилка (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, втыкают составной транзистор. Составной транзистор - это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. На рисунке ниже это намного понятнее:

Это составной транзистор

И это составной транзистор

Теперь ясно? Вся фишка в том, что у составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. То есть берем два говяненьких транзистора с коэффициентом усиления, скажем, 100, делаем составной и получаем транзистор с коэффициентом передачи 10 000. Суть ясна?

Итак, для больших токов используют составные транзисторы, ну а для питания парочки микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Даже 315-е работают вполне удовлетворительно.

Бывает ешчё куча всяких схем ПСН, но наиболее употребительные две вышерассмотренные. Ну понятно, наверное, чтобы получить напряжение обратной полярности, просто переворачиваем стабилитрон вверх ногами (на рис.1), а транзистор втыкаем другого типа проводимости (рис.2; был n-p-n, ставим p-n-p). Полярность кондеров тоже необходимо поменять, не забывая при этом поменять полярность входного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки - КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.

Рис. 3 - КСН последовательного типа

РЭ - это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор ( биполярный или полевой), СУ - схема управления - собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д - делитель напряжения, ИОН - источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется - последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Короче, если, к примеру, напряжение на входе скакнуло, эта фигня, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. При рассмотрении принципиальной схемы все станет ясней.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 4.

Рис.4 - КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резике. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство - при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 5.

Рис.5 - Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все деталюшки. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резиков R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная. Но работает!

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резиком между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резик, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:

Рис. 6 - КСН

Эта схема содрана с блока питания магнитофона приставки "Карат МП-201С" и, как видно, отличие состоит лишь в кондерах и резике R1. Резиком R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение ( при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резика R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резик R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см2, т. к. и он может "пыхнуть".

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с "холодным" коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не "горячего". А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 5 и 6. В этих схемах транзисторы вылетают, как с добрым утром, если забыли изолировать коллектор (для тех, кто в танке, коллектор мощных транзисторов электрически соединен с корпусом транзистора или его частью для лучшего теплового контакта). На рисунке 7 эта схема и показана. Схема слизана с журнала Радио аж за 1984 год (Радио №12/1984).

Рис. 7 - КСН с "холодным" коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя - КТ815 и КТ819. Недостаток схемы - меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 6. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель . Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

cxema.my1.ru

Стабилизатор напряжения — WiKi

  Микросхема линейного стабилизатора КР1170ЕН8

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть входной мощности рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе, мощность потерь в последовательном стабилизаторе PL{\displaystyle P_{L}} :

PL=(Uin−Uout)⋅Iout,{\displaystyle P_{L}=(U_{in}-U_{out})\cdot I_{out},} где Uin{\displaystyle U_{in}}  — входное напряжение стабилизатора, Uout{\displaystyle U_{out}}  — выходное напряжение стабилизатора, Iout{\displaystyle I_{out}}  — выходной ток стабилизатора.

Поэтому регулирующий элемент в стабилизаторах такого типа и повышенной мощности должен рассеивать значительную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади.

Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых электронных компонентов.

В зависимости от включения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы классифицируются на два типа:

  • Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
  • Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

  • Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, где дифференциальное сопротивление прибора мало в широко диапазоне изменения токов, протекающих через прибор.
  • Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.
Параллельный параметрический стабилизатор на полупроводниковом стабилитроне

В этой схеме может быть применён как полупроводниковый стабилитрон, так и газоразрядный стабилитрон тлеющего разряда.

  Простейшая схема параметрического стабилизатора

Такие стабилизаторы применяется для стабилизации напряжения схем с малым потребляемым током, так как для стабилизации напряжения ток через стабилитрон D1{\displaystyle D1}  должен в несколько раз (3 — 10) превышать ток потребления от стабилизатора в присоединённой нагрузке RL{\displaystyle R_{L}} . Обычно такая схема линейного стабилизатора применяется в качестве источника опорного напряжения в более сложных схемах регулирующих стабилизаторов.

Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV{\displaystyle R_{V}}  включают двухполюсник с высоком дифференциальным сопротивлением на участке ВАХ в диапазоне рабочих токов, работающий как источника тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

В этой схеме напряжение на базе регулирующего транзистора равно напряжению на стабилитроне Uz{\displaystyle U_{z}}  и выходное напряжение будет: Uout=Uz−Ube, {\displaystyle U_{out}=U_{z}-U_{be},\ }  Ube{\displaystyle U_{be}}  — напряжение между базой и эмиттером транзистора. Так как Ube{\displaystyle U_{be}}  мало зависит от тока эмиттера, — выходного тока стабилизатора, и невелико (0,4 В для германиевых транзисторов и 0,6—0,65 В для кремниевых транзисторов) приведённая схема осуществляет стабилизацию напряжения.

Фактически схема представляет собой рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет контура авторегулирования, обеспечивающего практически полную компенсацию изменений выходного напряжения и изменений выходного тока.

Выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube{\displaystyle U_{be}} , которая мало зависит от величины тока, протекающего через транзистор. Некоторая зависимость Ube{\displaystyle U_{be}}  от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель здесь является усилителем тока и позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в Bst{\displaystyle B_{st}}  раз, Bst{\displaystyle B_{st}}  — статический коэффициент передачи тока транзистора в режиме с общим коллектором. Так как Bst{\displaystyle B_{st}}  в несколько десятков раз больше 1, малый ток, отбираемый от параметрического стабилизатора усиливается в Bst{\displaystyle B_{st}}  раз. Если такого усиления тока недостаточно для обеспечения заданного выходного тока, то применяют составной транзистор, например, пару Дарлингтона.

При очень малом токе нагрузки, порядка единиц — десятков мкА, выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на примерно 0,6 В, так как Ube{\displaystyle U_{be}}  при таких токах становится близким к нулю. В некоторых применениях это нежелательно, тогда к выходу стабилизатора подключают дополнительный нагрузочный резистор, обеспечивающий в любом случае минимальный ток нагрузки стабилизатора в несколько миллиампер.

Последовательный компенсационный стабилизатор с контуром авторегулирования
  Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

В таких стабилизаторах выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, разность этих напряжения усиливается усилителем сигнала рассогласования, выход усилителя сигнала рассогласования управляет регулирующим элементом.

В качестве примера приведена схема на рисунке. Часть выходного напряжения Uout{\displaystyle U_{out}} , снимаемая с резистивного делителя напряжения, состоящего из потенциометра R2{\displaystyle R2}  и постоянных резисторов R1, R2{\displaystyle R1,\ R2}  сравнивается с опорным напряжением Uz{\displaystyle U_{z}}  от параметрического стабилизатора — стабилитрона D1{\displaystyle D1} . Разность этих напряжений усиливается дифференциальным усилителем на операционном усилителе (ОУ) U1{\displaystyle U1} , выход которого изменяет базовый ток транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[3].

В этой схеме имеется контур авторегулирования, — петля отрицательной обратной связи. Если выходное напряжение меньше заданного, то через обратную связь регулирующий транзистор открывается больше, если выходное напряжения больше заданного, — то наоборот.

Для устойчивости контура авторегулирования петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°. Так как часть выходного напряжения Uout{\displaystyle U_{out}}  подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1{\displaystyle U1} , сдвигающего фазу на 180°, а регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который при низких частотах фазу не сдвигает, это обеспечивает устойчивость контура авторегулирования, так как петлевой сдвиг фазы близок к 180°.

Опорное напряжение Uz{\displaystyle Uz}  зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон. Основной источник нестабильности опорного напряжения — изменения входного напряжения, так как при таких изменениях изменяется ток стабилитрона. Для стабилизации тока при изменениях Uin{\displaystyle U_{in}}  вместо резистора RV{\displaystyle R_{V}}  иногда включают источник тока.

В этом стабилизаторе ОУ включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение сопротивлений резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, определяющий во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения Uz{\displaystyle U_{z}}  (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше, чем Uout{\displaystyle U_{out}} , либо опорное напряжение снимают с резистивного делителя, подключённого к стабилитрону.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, так как за счёт большого коэффициента усиления современных ОУ, достигающих 105…106, остальные источники нестабильности выходного напряжения оказываются скомпенсированными.

Параметры такого стабилизатора оказались подходящими для многих практических нужд. Поэтому уже почти полвека выпускаются, и на сегодня имеют широчайшее применение, такие стабилизаторы в интегральном исполнении: КР142ЕН5А, 7805 и мн. др.

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель энергии (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами формируемыми посредством электронного ключа. Во время замкнутого состояния ключа в накопителе запасается энергия, которая затем передается в нагрузку. Применение в качестве накопительного элемента дросселя позволяет изменять выходное напряжение стабилизатора относительно входного без использования трансформаторов: увеличивать, снижать или инвертировать. Стабилизация осуществляется должным управлением длительностью импульсов и пауз между ними с помощью широтно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции или их комбинации.

Импульсный стабилизатор по сравнению с линейным обладает значительно более высоким КПД, так как регулирующий элемент работает в ключевом режиме. Недостатки импульсного стабилизатора - импульсные помехи в выходном напряжении и относительная сложность.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом, зависящим от схемы стабилизатора и режима управления его ключами:

  • Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение в зависимости от режима управления ключами может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение может отличаться от выходного напряжения в любую сторону.
  • Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение входного напряжения может быть любым.
  • Универсальный - выполняющий все функции перечисленных.

Подразделяются на два основных вида

1) Однофазные стабилизаторы напряжения на 220-230 вольт- предназначение, бытовые, офисные и промышленные нагрузки небольших мощностей.

2) Трехфазные стабилизаторы напряжения на 380-400 вольт- предназначение, промышленные нагрузки средних и больших мощностей.

Феррорезонансные стабилизаторы

  Феррорезонансный стабилизатор для питания цветных ламповых телевизоров, СССР, 1970-е — 1980-е гг.

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно их использовали для питания телевизоров. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а некоторые цепи телевизора, например, цепи анодного напряжения и накала электровакуумных приборов) питались нестабилизированным напряжением, что при суточных колебаниях и резких скачках сетевого напряжения, особенно в сельской местности, приводило к ухудшению качества изображения и требовало предварительной стабилизации переменного сетевого напряжения.

С появлением телевизоров более поздних поколений, например, 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, исчезла необходимость во внешней дополнительной стабилизации напряжения сети.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него, так как его ферромагнитный сердечник периодически насыщается. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах. Недостатком таких стабилизаторов является чувствительность к частоте напряжения в питающей сети. Незначительное отклонение частоты питающей сети существенно влияет на выходное напряжение феррорезонансного стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

  • электродинамические
  • с электромеханическим сервоприводом регулирующего элемента, например, автотрансформатора
  • феррорезонансные
  • электронные разных типов
    • ступенчатые (силовые электронные ключи, симисторные, тиристорные)
    • ступенчатые релейные (силовые релейные ключи)
    • компенсационные (электронные плавные)
    • комбинированные (гибридные)

Промышленностью производятся разнообразные модели с входным напряжением однофазной сети, (220/230 В), так и трёхфазной (380/400 В) исполнении, с выходной мощностью их от нескольких единиц ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, ±50 %,−25 %/+15 %, −35 %/+15 % или −45 %/+15 %. Чем шире диапазон (особенно в сторону снижения входного напряжения), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности. В настоящее время существуют модели стабилизаторов напряжения с нижним допустимым входным напряжением 90 вольт.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, - скорость отклика на возмущение. Чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие определяется как промежуток времени, за которое стабилизатор способен изменить выходное напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия. -->

Важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения стабилизатора переменного сетевого напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимо отклонение выходного напряжения на ±10 % от номинального. Точность стабилизации современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 0,5 % до 8 %.

Точности в 8 % вполне хватает для обеспечения исправной работы подавляющего большинства современной бытовых и промышленных электротехнических устройств со встроенными инверторными и импульсными блоками питания. Так как мощность оборудования напрямую зависит от напряжения, то для обеспечения корректной (заявленной производителем) работы с прогнозируемым результатом и расходом электроэнергии необходимо точное напряжения (0,5-1 %).[источник не указан 910 дней] Более жесткие требования (точность стабилизации лучше 1 %) предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора отдавать номинальную мощность во всем диапазоне входного напряжения, но не все стабилизаторы обладают таким свойством.

КПД сервоприводных стабилизаторов большой мощности более 98 %, а электронных большой мощности - 96 %.

ru-wiki.org

Стабилизация выпрямленного напряжения | Техника и Программы

Чтобы выпрямленное напряжение сетевого блока питания было возможно стабильнее, не изменялось из-за колебаний напряжения электросети, непостоянства тока, потребляемого нагрузкой, к выходу выпрямителя подключают стабилизатор напряжения, через который и питают нагрузку.

Основой его служит стабилитрон — кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало и очень незначительно меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и на нагрузке, подключенной к нему, поддерживается практически постоянным.

Вольтамперные характеристики нескольких наиболее часто используемых в самодельных конструкциях стабилитронов показаны на рис. 82. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого сплавного диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного направления. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растет очень медленно (на характеристике — горизонтальный участок ветвей), а затем при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-п перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике — спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС133А, например, при 3…3,7 В, у стабилитрона Д808 — при 7…8,5 В. В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах, соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведет к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации, т. е.

(см. характеристику стабилитрона КС133А на рис. 82). Чём меньше численное значение этого параметра стабилитрона, тем стабильнее напряжение на нем при изменении тока.

Рис. 82. Вольтамперные характеристики некоторых стабилитронов

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации I ст. min, т.е. наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме «пробоя» устойчива, и не больше максимального тока стабилизации Iст. max — наибольшего тока, при котором температура нагрева р-п перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируются по его напряжению стабилизации Uст — напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Важнейшие параметры стабилитронов широкого применения приведены в табл. 6 приложения.

Простейший стабилизатор — параметрический, работающий как делитель нестабилизированного напряжения (рис. 83), образуют резистор Rгас, называемый гасящим или балластным, и стабилитрон V.

Нестабилизированное напряжение, подаваемое от выпрямителя на вход стабилизатора, должно быть на 40…50% больше напряжения стабилизации используемого стабилитрона.Рабочий режим его устанавливают подбором резистора Rгас. Нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону, и напряжение на ней соответствует напряжению стабилизации использованного полупроводникового прибора. Благодаря стабилизирующим свойствам ток через стабилитрон изменяется пропорционально току нагрузки, но только в обратном порядке, поэтому общий ток, потребляемый от выпрямителя самим параметрическим стабилизатором и подключенной к нему нагрузкой, остается практически неизменным. А все изменения напряжения на входе стабилизатора, возникающие, например, из-за колебаний сетевого напряжения, гасит резистор Rгас.

Эффективность работы стабилизатора оценивают коэффициентом стабилизации напряжения Кст — числом, показывающим, во сколько раз уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения на выходе устройства по сравнению с такими же характеристиками входного напряжения.

Определить коэффициент стабилизации напряжения простейшего параметрического стабилизатора можно по упрощенной формуле: Выходное сопротивление параметрического стабилизатора примерно равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона, т. е-

Принцип действия такого стабилизатора заключается в следующем. При повышении напряжения на входе стабилитрона Uвх, например из-за колебаний напряжения сети, напряжение на выходе стабилизатора Uвых также стремится возрасти. Это приводит к тому, что напряжение на эмиттерном переходе регулирующего транзистора V2 начинает уменьшаться и тем самым закрывать транзистор. При этом падение напряжения на участке эмиттер — коллектор транзистора возрастает настолько, что напряжение на выходе стабилитрона уменьшается до исходного уровня. Аналогично стабилизатор реагирует и иа понижение входного напряжения, но только в обратном порядке. Таким образом, регулирующий транзистор стабилизатора выполняет функцию прибора, сопротивление которого при изменении входного напряжения и тока нагрузки управляется напряжением на эмиттерном переходе, в результате чего выходное напряжение стабилизатора остается практически постоянным.

Резистор R2 не влияет на входные и выходные параметры стабилизатора, он нужен лишь для того, чтобы и при отключенной нагрузке регулирующий транзистор работал как усилитель тока. Сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы ток, текущий через него, был несколько больше начального неуправляемого тока транзистора — примерно 5… 10 мА.

Надежность работы стабилизатора и величина потребляемого тока зависят от параметров регулирующего транзистора. В частности, предельно допустимое напряжение между его эмиттером и коллектором должно быть больше максимального выходного напряжения стабилизатора, а предельно допустимый ток коллектора — больше максимального тока нагрузки. Потребляемый нагрузкой ток может быть тем больше, чем больше h31э регулирующего транзистора, но при атом его предельно допустимая мощность рассеивания должна быть на 20…30% больше максимальной мощности, потребляемой стабилизатором от выпрямителя. Этим требованиям наиболее полно отвечают транзисторы большой мощности.

Чтобы регулирующий транзистор не перегревался во время работы, его устанавливают на радиатор.

В.Г. Борисов. Кружок радиотехнического конструирования

nauchebe.net