Тема 4. Стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы напряжения и тока
Стабилизаторы напряжения и тока
Лекция 8
2.4 Стабилизаторы напряжения и тока.
2.4.1 Принцип стабилизации. Виды стабилизаторов.
Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Например, ЛБВ вообще не могут работать без стабилизации напряжения. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора: (1) Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения(2) Внутреннее сопротивление(3) Коэффициент сглаживания пульсаций(4) где Uвх~, Uвых~ - амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Для стабилизаторов тока важны следующие параметры: Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению(5) Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки(6) Коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активных мощностей(7) Существуют два основных метода стабилизации:параметрический и компенсационный. Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации. Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из двух элементов - линейного и нелинейного.
При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких пределах () напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах () Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. рисунок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. рисунок (б)). Рабочий участок ограничен предельно допустимым по тепловому режиму Imax.
а) б)
В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным - дроссель насыщения. Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в которых регулируемый транзистор постоянно (непрерывно) находится в открытом состоянии, называются линейными или с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в ключевом режиме.
2.4.2 Параметрический стабилизатор постоянного напряжения
Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора Rг (см. рисунок).
По I и II законам Кирхгофа (8) Согласно 001:Подставим в эту формулу уравнения (8):
Поскольку rст<<R и Rг/Rст>>1, то (9)
Кст увеличивается при уменьшении rст и увеличении Rг. Но при увеличении Rг нужно увеличивать Uвх. Поэтому нельзя получить очень высокий Кст. Обычно Кст не превышает нескольких десятков. Существует предельно достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации , гдеНо при увеличении Rг возрастает Rг и потери мощности, снижается КПД:(10)= 20-30%, что объясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность. Существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Это изменение можно выразить линейной зависимостью:(11) где- абсолютный температурный коэффициент. Стабилитроны с Uст<5В имеют отрицательный, т.е. Uст уменьшатся с ростом температуры, а стабилитроны с Uст>5В - положительный. Относительный температурный коэффициент:Для уменьшения температурной нестабильности используют схемы с температурной компенсацией. Наиболее простая схема предполагает использование одного или нескольких полупроводниковых диодов, смещённых в прямом направлении.У открытых p-n переходовотрицателен, поэтому такой способ пригоден для стабилитронов с Uст>5В. Включение термокомпенсирующих диодов приводит к росту внутренннего сопротивления ветви со стабилитроном:, где- внутреннее сопротивление термокомпенсирующего диода. Кст немного уменьшается. Другой способ заключается в использовании стабилитронов с внутренней термокомпенсацией, представляющих собой два p-n перехода, включенных навстречу друг другу и выполненных на одном кристалле. Это прецизионные стабилитроны 2С108В, 2С116В, 2С190Д с ТКН=±0,0005% /оC на градус, и другие. Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон в базовую цепь эмиттерного повторителя (см. рисунок).
Таким образом, мощность нагрузки увеличена, а нестабильность снижена, так как базовый ток изменяется очень слабо в процессе стабилизации. В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используют нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор. Если Uзи=const, то Iс~const (см. рисунок). В нашем случае затвор и исток закорочены (см. рисунок).
Стабилизатор тока применяют в параметрических стабилизаторах напряжения для стабилизации входного тока. Включение стбилизатора тока вместо гасящего сопротивления даёт возможность повысить Кст:
, где- дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора.
КПД также повышается. Традиционные стабилитроны не охватывают весь диапазон напряжений. Для получения требуемого Uвых>Uст используются операционные усилители (см. рисунок).
Например: Uст=9В, Uвых=10В. R1=1кОм, R2=9кОм. Для Iст=10мА Rо=1/(10*(1/1000))=100 Ом. Всвязи с тем. что простой стабилитрон не отвечает требованиям, предъявляемым к источникам опорного напряжения (ИОН), были разработаны СИМС (стабилитронные ИМС), которые имеют два (или три) вывода и выполнены как обычный стабилитрон, хотя в действительности они являются ИМС, содержащей пассивные и активные элементы. Все СИМС можно разделить на три группы: температурно-компенсированные СИМС; температурно-стабилизированные; опорные источники с напряжением запрещённой зоны ( bandgap ИОН).Температурно-компенсированные- 1009ЕН1. В неё входят 9 транзисторов и резисторы. Uст=31-35 В, Iст=5 мА, ТКН 0,006 % /оC. Предназначены для питания варикапов.Температурно-стабилизированные ИОНсодержат интегральный стабилитрон, а также прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры (ДТ - переход БЭ транзистора). Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. ТКН до 0,00005 % /оC, что на порядок меньше, чем у любого стабилитрона. 2С483 (аналог LM199 фирмы National Semiconductor).Опорные источники с напряжением запрещённой зонысостоят из биполярных транзисторов и резисторов. В них используется принцип термокомпенсации Uбэ падением напряжения на резисторе с положительным ТКН. Uвых=1,22 В, Еотс~0,7 В. Для изменения значения Uвых введена схема с ОУ. На этом принципе выполнен регулируемый интегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 фирмы Texas Instruments). ТКН=0,0003 % /оC, Uвых=2,5-36 В, rдиф=0,2 Ом,Iнmax=100 мА. Эти параметры намного лучше, чем у прецизионных стабилитронов.
studfiles.net
Стабилизаторы тока. Виды и устройство. Работа и применение
Стабилизаторы тока предназначены для стабилизации тока на нагрузке. Напряжение на нагрузке зависит от его сопротивления. Стабилизаторы необходимы для функционирования различных электронных приборов, например газоразрядные лампы.
Для качественного заряда аккумуляторов также необходимы стабилизаторы тока. Они используются в микросхемах для настройки тока каскадов преобразования и усиления. В микросхемах они играют роль генератора тока. В электрических цепях всегда есть разного рода помехи. Они отрицательно влияют на действие приборов и электрических устройств. С такой проблемой легко справляются стабилизаторы тока.
Отличительной чертой стабилизаторов тока является их значительное выходное сопротивление. Это дает возможность исключить влияние напряжения на входе, и сопротивления нагрузки, на значение тока на выходе устройства. Стабилизаторы тока поддерживают выходной ток в определенных пределах, меняя при этом напряжение таким образом, что ток, протекающий по нагрузке, остается постоянным.
Устройство и принцип действия
На нестабильность нагрузочного тока влияет значение сопротивления и напряжения на входе. Рассмотрим пример, в котором сопротивление нагрузки постоянно, а напряжение на входе повышается. Ток нагрузки при этом также возрастает.
В результате этого повысится ток и напряжение на сопротивлениях R1 и R2. Напряжение стабилитрона станет равным сумме напряжений сопротивлений R1, R2 и на переходе VT1 база-эмиттер: Uvd1=UR1+UR2+UVT1(б/э)
Напряжение на VD1 не меняется при меняющемся входном напряжении. Вследствие этого ток на переходе база-эмиттер снизится, и повысится сопротивление между клеммами эмиттер-коллектор. Сила тока на переходе коллектор-эмиттере и нагрузочное сопротивление станет снижаться, то есть переходить к первоначальной величине. Так выполняется выравнивание тока и поддержание его на одном уровне.
Рассмотрим элементарную схему с применением полевого транзистора.
Нагрузочный ток проходит через R1. Ток в цепи: «+» источника напряжения, сток-затвор VТ1, нагрузочное сопротивление, отрицательный полюс источника – очень незначительный, так как сток-затвор имеет смещение в обратную сторону.
Напряжение на R1 положительное: слева «-», справа напряжение равно напряжению правого плеча сопротивления. Поэтому напряжение затвора относительно истока минусовое. При снижении нагрузочного сопротивления, ток повышается. Поэтому напряжение затвора по сравнению с истоком имеет еще большую разницу. Вследствие этого транзистор закрывается сильнее.
При большем закрытии транзистора нагрузочный ток снизится, и возвратится к начальной величине.
Виды стабилизаторов тока
Существует множество разных видов стабилизаторов в зависимости от их назначения и принципа работы. Рассмотрим подробнее основные из таких устройств.
Стабилизаторы на резисторе
В элементарном случае генератором тока может быть схема, состоящая из блока питания и сопротивления. Подобная схема часто используется для подключения светодиода, выполняющего функцию индикатора.
Из недостатков такой схемы можно отметить необходимость использования высоковольтного источника. Только при таком условии можно использовать резистор, имеющий высокое сопротивление, и получить хорошую стабильность тока. На сопротивлении рассеивается мощность P = I 2 х R.
Стабилизаторы на транзисторах
Значительно лучше функционируют стабилизаторы, собранные на транзисторах.
Можно выполнить настройку падения напряжения таким образом, что оно будет очень маленьким. Это дает возможность снижения потерь при хорошей стабильности тока на выходе. На выходе транзистора сопротивление очень большое. Такая схема применяется для подключения светодиодов или зарядки аккумуляторных батарей малой мощности.
Напряжение на транзисторе определяется стабилитроном VD1. R2 играет роль датчика тока и обуславливает ток на выходе стабилизатора. При увеличении тока падение напряжения на этом резисторе становится больше. Напряжение поступает на эмиттер транзистора. В итоге напряжение на переходе база-эмиттер, которое равно разности напряжения базы и эмиттерного напряжения, снижается, и ток возвращается к заданной величине.
Схема токового зеркала
Аналогично функционируют генераторы тока. Популярной схемой таких генераторов является «токовое зеркало», в которой вместо стабилитрона применяется биполярный транзистор, а точнее, эмиттерный переход. Вместо сопротивления R2 применяется сопротивление эмиттера.
Стабилизаторы на полевике
Схема с применением полевых транзисторов более простая. В ней в качестве стабилизатора напряжения можно применять потенциал земли.
Устройства на микросхеме
В прошлых схемах имеются элементы сравнения и регулировки. Аналогичная структура схемы применяется при проектировании устройств, выравнивающих напряжение. Отличие устройств, стабилизирующих ток и напряжение, заключается в том, что в цепь обратной связи сигнал приходит от датчика тока, который подключен к цепи нагрузочного тока. Поэтому для создания стабилизаторов тока используют популярные микросхемы 142 ЕН 5 или LМ 317.
Здесь роль датчика тока играет сопротивление R1, на котором стабилизатор поддерживает постоянное напряжение и нагрузочный ток. Величина сопротивления датчика значительно ниже, чем нагрузочное сопротивление. Снижение напряжения на датчике влияет на напряжение выхода стабилизатора. Подобная схема хорошо сочетается с зарядными устройствами, светодиодами.
Импульсный стабилизатор
Высокий КПД имеют импульсные стабилизаторы, выполненные на основе ключей. Они способны при незначительном напряжении входа создавать высокое напряжение на потребителе. Такая схема собрана на микросхеме МАХ 771.
Сопротивления R1 и R2 играют роль делителей напряжения на выходе микросхемы. Если напряжение на выходе микросхемы становится выше опорного значения, то микросхема снижает выходное напряжение, и наоборот.
Если схему изменить таким образом, чтобы микросхема реагировала и регулировала ток на выходе, то получится стабилизированный источник тока.
При падении напряжения на R3 ниже 1,5 В, схема работает в качестве стабилизатора напряжения. Как только нагрузочный ток повышается до определенного уровня, то на резисторе R3 падение напряжения становится больше, и схема действует как стабилизатор тока.
Сопротивление R8 подключается по схеме тогда, когда напряжение становится выше 16,5 В. Сопротивление R3 задает ток. Отрицательным моментом этой схемы можно отметить значительное падение напряжения на токоизмерительном сопротивлении R3. Эту проблему можно решить путем подключения операционного усилителя для усиления сигнала с сопротивления R3.
Стабилизаторы тока для светодиодов
Изготовить такое устройство самостоятельно можно с применением микросхемы LМ 317. Для этого останется только подобрать резистор. Питание для стабилизатора целесообразно применять следующее:
- Блок от принтера на 32 В.
- Блок от ноутбука на 19 В.
- Любой блок питания на 12 В.
Достоинством такого устройства является низкая стоимость, простота конструкции, повышенная надежность. Сложную схему нет смысла собирать самостоятельно, проще ее приобрести.
Похожие темы:
electrosam.ru
Регулируемый стабилизатор напряжения и тока
Многие электронные приборы для нормальной работы требуют наличия стабильного питающего электричества. Электрическая сеть, генераторы и химические элементы питания сами по себе не могут обеспечить это условие. Поэтому современная электроника снабжена блоками питания, в которых присутствуют стабилизаторы напряжения и тока.
Стабилизатор напряжения
Под ст. напряжения (U) понимают прибор, схемотехника которого собрана таким образом, что в автоматическом режиме позволяет удерживать уровень (U) на входе потребителя неизменным в заданных пределах. Применяют устройства в тех случаях, когда на источнике питания нет стабильного электричества.
В зависимости от рода электричества приборы бывают:
- переменного напряжения;
- постоянного напряжения.
По принципу действия:
- компенсационного типа;
- параметрические.
При помощи этих устройств невозможно достичь идеального выравнивания, но лишь частично сгладить дестабилизацию.
Стабилизатор тока
Стабилизаторы тока (I) иначе называют генераторами тока. Их основная задача – вне зависимости от того, какая нагрузка подключается на выходе устройства (имеется в виду сопротивление нагрузки), выдавать постоянно стабильный ток (I). Для обеспечения этого условия все без исключения приборы имеют входное сопротивление больших значений.
Сфера применения устройств обширна. Их используют в цепях питания светодиодных светильников, газоразрядных ламп и всегда в зарядных устройствах, где используется опция изменения величины зарядного тока.
В качестве простейшей схемы ст. выступает комбинация – источник напряжения плюс резистор. Это традиционная схема питания светодиодного индикатора. Недостатком такого технического решения является потребность в использовании источника питания высокого (U). Только это условие позволяет применить высокоомный резистор для достижения эффекта стабилизации.
Виды стабилизаторов
Рассматривая стабилизаторы напряжения и тока, нужно понимать, что они бывают разного типа для разного рода электричества. Так, классификация делит их на приборы для работы в цепях постоянного либо переменного электричества. По принципу получения стабилизации бывают компенсационные и параметрические схемы.
В устройствах параметрического типа применяют радиоэлементы, у которых вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет нелинейный вид. Так, этими элементами для работы с переменным напряжением выступают дроссели с насыщенным сердечником ферромагнитным. Вопрос стабилизации постоянного напряжения решается за счет стабисторов и стабилитронов. Ток стабилизируют при помощи транзисторов – полевиков и биполярников.
Стабилизаторы напряжения и тока компенсационного типа работают по принципу компенсации при сравнивании фактического параметра электричества с опорным, выдаваемым определенным узлом устройства. В таких системах имеется обратная связь, через которую приходит управляющий сигнал на регулирующий элемент. Под воздействием сигнала параметры прибора управляемого изменяются пропорционально изменению входного электричества, а на выходе оно остается стабильным. Компенсационные устройства бывают непрерывного регулирования, импульсные и непрерывно-импульсные.
И параметрические, и компенсационные стабилизаторы напряжения и тока можно охарактеризовать по массогабаритным, качественным и энергетическим показателям. К качественным для стабилизаторов (U) относятся:
- коэффициент стабилизации по напряжению на входе;
- внутреннее сопротивление схемы;
- коэффициент выравнивания пульсации.
Для стабилизаторов (I):
- коэффициент по входному (U) стабилизации тока;
- коэффициент стабилизации в процессе, когда нагрузка изменяется;
- коэффициент ст. температурный.
К параметрам энергетического характера причисляют:
- КПД;
- мощность, которую регулирующий элемент способен рассеивать.
Регулируемый стабилизатор напряжения и тока
Чтобы получить стабилизацию с возможностью регулирования электрических параметров и более высоким коэффициентом, применяют сложные транзисторные схемы.
Схема состоит из:
- Ст. тока на транзисторе VT1. Его задача – выдавать постоянный ток на коллекторе, который далее идет через усилитель и на базу регулирующего элемента.
- Усилителя (I) на биполярнике VTy. Этот транзистор реагирует на падение напряжения на резистивном делителе.
- Регулирующий элемент на транзисторе VT2. Благодаря ему выходное (U) либо уменьшается, либо увеличивается.
Для питания бытовых приборов применяют стабилизаторы напряжения переменного тока. Стандартные параметры таких приборов:
- Возможность регулировки (U) на выходе, не искажая сигнал.
- Стабилизация большого разброса напряжения на входе от 140 до 260 вольт.
- Высокий показатель точности поддержания (U) с расхождением не более 2%.
- Высокий КПД.
- Наличие схем защиты от перегрузок.
Схемы стабилизаторов тока и напряжения
Параметрический прибор (U), собранный по однокаскадной схеме.
Схема состоит из:
- Стабилитрона, на котором падает одно значение напряжения вне зависимости от (I), проходящего через него.
- Резистора гасящего, где выделяется излишек (U) при увеличении тока.
- Диода, выполняющего роль температурного компенсатора.
По двухкаскадной схеме.
Такие схемы имеют лучшие показатели стабилизации, так как состоят из:
- Предварительного каскада стабилизации, выполненного на двух последовательно соединенных стабилитронах, где присутствует также термокомпенсация за счет положительного и отрицательного температурного коэффициентов радиоэлементов.
- Оконечного каскада стабилизации на стабилитроне и гасящем резисторе, который питается от первого каскада.
Параметрический прибор тока на полевике по схеме – исток-затвор закорочены.
Так как между истоком и затвором транзистора полевого отсутствует (U), то он пропускает только определенное значение (I) в независимости от изменений напряжения на входе. Недостаток схемы связан с разбросом характеристик полевиков, отчего сложно установить точное значение стабилизируемого тока.
Стабилизатор параметрический напряжения со встроенным токовым стабилизатором.
Схема является комбинацией однокаскадного стабилизатора напряжения, где вместо гасящего сопротивления включен элемент стабилизации (I) на полевике. Такое исполнение имеет больший коэффициент стабилизации.
Стабилизатор компенсационный с (U) постоянного значения и регулированием в непрерывном режиме.
Устройство стабилизации электричества своими руками
Современные стабилизирующие устройства реализованы в микросхемах. Собрать стабилизатор напряжения и тока своими руками можно, используя LM317. Это самая простая схема, не требующая наладки.
Вместо печатной платы можно использовать пластину гетинакса или текстолита. Не обязательно вытравливать дорожки. Схема простая, поэтому контакты удобнее сделать отрезками проводов.
Заключение
Важно знать, что все регулирующие элементы в схемах могут сильно греться, особенно это касается микросхем. Поэтому их необходимо устанавливать на радиатор.
Для надежной защиты бытового оборудования среди устройств промышленного образца можно применить стабилизатор напряжения переменного тока "Ресанта".
fb.ru
Стабилизатор напряжения и стабилизатор тока
Рассмотрим стабилизатор напряжения на примере устройства LM7805.В его характеристиках указано: 5В 1,5А. Это значит стабилизирует он именно напряжение и именно до 5В. 1,5А — это максимальный ток, который может проводить стабилизатор. Пиковая сила тока. То есть от может отдать и 3 миллиампера, и 0,5 ампер, и 1 ампер. Столько, сколько тока требует нагрузка. Но не больше полутора. Это главное отличие стабилизатора напряжения от стабилизатора тока.
Виды стабилизаторов напряжения
Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:
- линейные
- импульсные
Линейные стабилизаторы напряжения
Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.
Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.
Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.
Стабилизатор LM7805
Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.
Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.
Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.
Импульсные стабилизаторы бывают трех видов: понижающие, повышающие и всеядные. Наиболее интересные — всеядные. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Всеядному импульснику все равно, что на входе напряжение ниже или выше нужного. Он сам автоматом переключается в режим повышения или понижения напряжения и держит заданное на выходе. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный. Я использую настраиваемые импульсные стабилизаторы напряжения за копейки, которые заказываю с Aliexpress. Купить можно здесь.
Хорошо. А что со стабилизатором тока?
Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.
Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.
Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.
Ну так и зачем всё это нужно то?
Теперь вы знаете, чем стабилизатор напряжения отличается от стабилизатора тока и можете ориентироваться в их многообразии. Возможно, вам так и не стало понятно, зачем эти штуки нужны.
Пример: вы хотите запитать 3 светодиода от бортовой сети автомобиля. Как вы можете узнать из статьи о светодиоде, для светодиода важно контролировать именно силу тока. Используем самый распространенный вариант соединения светодиодов: последовательно соединены 3 светодиода и резистор. Напряжение питания — 12 вольт.
Резистором мы ограничиваем ток на светодиоды, чтобы они не сгорели. Падение напряжения на светодиоде пусть будет у нас 3.4 вольта.После первого светодиода остается 12-3.4= 8.6 вольт.Нам пока хватает.На втором потеряется еще 3.4 вольта, то есть останется 8.6-3.4=5.2 вольта.И для третьего светодиода тоже хватит.А после третьего останется 5.2-3.4=1.8 вольта.При желании добавить четвёртый светодиод — уже не хватит.Если напряжение питания поднять до 15В, то тогда хватит. Но тогда и резистор тоже надо будет пересчитать. Резистор — простейший стабилизатор (ограничитель) тока. Их часто ставят на те же ленты и модули. У него есть минус — чем ниже напряжение, тем меньше будет и ток на светодиоде (закон Ома, с ним не поспоришь). Значит, если входное напряжение нестабильно (в автомобилях обычно так и есть), то предварительно нужно стабилизировать напряжение, а потом можно ограничить резистором ток до необходимых значений. Если используем резистор, как токовый ограничитель там, где напряжение не стабильно, нужно стабилизировать напряжение.
Стоит помнить, что резисторы имеет смысл ставить только до определенной силы тока. После некоторого порога резисторы начинают сильно греться и приходится ставить более мощные резисторы (зачем резистору мощность рассказано в статье о этом приборе) . Тепловыделение растёт, КПД падает.
Импульсный стабилизатор тока
Импульсный стабилизатор тока тоже называют светодиодным драйвером. Часто те, кто не сильно разбирается в этом, стабилизатор напряжения называют просто драйвером светодиодов, а импульсный стабилизатор тока — хорошим светодиодным драйвером. Он выдаёт сразу стабильное напряжение и ток. И почти не нагревается. Вот так он выглядит:
Импульсный стабилизатор тока
uscr.ru
Тема 4. Стабилизаторы напряжения и тока
Типы стабилизаторов, их основные параметры, параметрические стабилизаторы напряжения и параметрические стабилизаторы токаследует изучать по /1,2,3/. Изучите работу схем, основные характеристики, коэффициент стабилизации. Степень усвоения проверяется тестированием по этому разделу.
Линейные компенсационные стабилизаторы напряжения и тока.Принцип действия, функциональные и принципиальные схемы, коэффициент стабилизации, нагрузочные характеристики хорошо изложены в /1,2,3,5/. Построение и расчет стабилизаторов на интегральных микросхемах изложен ниже. Проверкой готовности к выполнению лабораторной работы №6 «Линейные стабилизаторы напряжения» являются выполненное домашнее задание и (или) результаты тестирования по этой теме.
Построение и расчет стабилизаторов на интегральных микросхемах
Рис. 6.1
Типовая схема включения интегральных микросхем стабилизаторов на фиксированное напряжение приведена на рис. 6.1. Выходной конденсатор С2 (не менее 1 мкФ для танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор С1 (не менее 2,2 мкФ для танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения. Эта генерация возникает в стабилизаторе из-за влияния паразитных индуктивности и емкости соединительных проводов, образующих контур ударного возбуждения. В отсутствии С1 амплитуда паразитных колебаний может превысить максимально допустимое входное напряжение, что приведет к пробою перехода коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. В тех случаях, когда емкость С2>20мкФ, случайные замыкания входной цепи могут представлять опасность для микросхемы, поскольку импульсы разрядного тока выходных конденсаторов будут создавать на ней импульсы обратного напряжения значительной амплитуды. Для защиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включить диод VD1 (КД510А), шунтирующий ее при замыкании входной цепи.
Регулируемые стабилизаторы напряжения имеют дополнительный вывод, предназначенный для подключения делителя выходного напряжения (четырехвыводные стабилизаторы). С его помощью можно изменять или подстраивать выходное напряжение (рис. 6.2).
Рис. 6.2
Структурная схема DA такая же, как у трехвыводного стабилизатора. На практике регулируемые стабилизаторы могут иметь дополнительные выводы: для подключения умощняющих транзисторов к силовой цепи; для подачи внешнего сигнала, отключающего ИМС; для подключения конденсаторов корректирующих переходные процессы. Регулируемое выходное напряжение можно получить и с помощью трехвыводного стабилизатора (рис. 6.3).
Рис. 6.3
Выходное напряжение:
Uвых=Uвыхном+(Iп+Iд)R2 ,(6.1)
где Uвыхном – выходное напряжение микросхемы; IП – ток, потребляемый стабилизатором, Iд – ток делителя R1,R2.
На рис. 6.4 приведена принципиальная схема стабилизатора с регулированием выходного напряжения на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2.
Рис. 6.4
Микросхема выполнена на кристалле 1,7Х1,7 мм. Регулируемый элемент – составной транзистор VT6, VT7. Применение составного транзистора позволяет существенно увеличить коэффициент передачи тока и уменьшить влияние неуправляемого коллекторного тока. Источник опорного напряжения служит для формирования опорного (эталонного) напряжения, с которым сравнивается часть выходного напряжения. Выделенный в результате сравнения сигнал рассогласования обеспечивает процесс автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора. Источник опорного напряжения в интегральном стабилизаторе представляет собой параметрический стабилизатор. В качестве стабилитрона VD1 используется эмиттер-базовый переход транзистора, смещенный в обратном направлении и имеющий характеристику лавинного пробоя. Для улучшения качества эталонного напряжения ток стабилитрона стабилизируется. В качестве стабилизатора тока используется МОП транзистор VT1, у которого закорочены выводы истока и затвора. Для уменьшения выходного сопротивления параметрического стабилизатора на его выход включают эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT3, резисторах R1, R2 и диоде VD2. Основным фактором, влияющим на качество опорного напряжения, является нестабильность, вызванная изменением температурных условий интегральной схемы. Для температурной компенсации опорного напряжения в схему параметрического стабилизатора вводят диод VD2.Делитель напряжения (резисторы R1, R2 ) позволяет получать опорное напряжение меньшее, чем напряжение стабилизатора VD1. Усилитель постоянного тока выполнен по дифференциальной схеме и состоит из транзисторов VT4, VT5. МОП транзистор VT2 включен как стабилизатор тока и является коллекторной нагрузкой транзистора VT5. Применение стабилизатора тока в качестве коллекторной нагрузки позволяет увеличить коэффициент усиления каскада.
Для нормальной работы интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданного значения выходного напряжения к микросхеме подключают дополнительные дискретные элементы: резисторы и конденсаторы. Делитель напряжения, выполненный на резисторах R8, R9, является делителем обратной связи. Необходимую величину выходного напряжения устанавливают при помощи переменного резистора R8. При помощи резисторов R5, R6, R7 обеспечивается работа схемы защиты при заданных перегрузках по току. В данной схеме источник опорного напряжения и усилитель постоянного тока питаются от входного напряжения. При изменении входного напряжения Uвх ( например, увеличении ) в первый момент возрастает выходное напряжение Uвых. Это вызывает повышение напряжений на резисторах делителя R8, R9. Напряжение на нижнем плече делителя UR8,9 сравнивается с напряжением на резисторе R3, которое равно опорному напряжению Uon. Увеличение напряжения UR8,9 приводит к возрастанию токов базы и коллектора транзистора VT5. Ток стока МОП транзистора VT2 IC2 величина постоянная, равная сумме токов IK5+Iб7. При повышении тока IK5 ток базы транзистора Iб7 уменьшается, так как IC2=const. Уменьшение тока Iб7 приводит к уменьшению тока базы транзистора VT6 Iб6 и к увеличению напряжения коллектор – эмиттер. В результате напряжение Uвых уменьшается до своего первоначального значения с определенной степенью точности. При изменении тока нагрузки Iн ( например, понижении ) в первый момент уменьшаются падение напряжения на регулирующем транзисторе VT6 и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, питающего стабилизатор. Увеличивается выходное напряжение Uвых , что приводит к возрастанию напряжения на нижнем плече делителя UR8,9. В дальнейшем схема работает так, как было показано выше. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току и от короткого замыкания. Эту функцию в интегральном стабилизаторе выполняет транзистор VT9, который работает совместно с дополнительными внешними резисторами R5, R6, R7.
Напряжение база-эмиттер транзистора VT9: Uбэ9=UR6-Uбэ6-UR5. При нормальной работе транзистора, когда ток нагрузки не превышает заданное максимальное значение, напряжение UR5 мало и напряжение UR6>(UR5+Uбэ6).
В этом случае на базу транзистора VT9 относительно его эмиттера подается отрицательное смещение и он заперт. При перегрузке по току или коротком замыкании на выходе схемы напряжение UR5 возрастает и становится больше напряжения (Uбэ6-UR6). Транзистор VT9 открывается, и на базу составного регулирующего транзистора (VT6, VT7 ) подается отрицательный потенциал с резистора R5. Регулирующий транзистор запирается и ограничивает величину тока нагрузки. При устранении перегрузки схема возвращается в исходное состояние. Изменяя величину сопротивления резистора R5, можно регулировать величину тока, при котором срабатывает защита.
В интегральном стабилизаторе предусмотрена возможность запирать составной регулирующий транзистор внешним сигналом. Если на базу транзистора VT8 интегральной схемы ( вывод 9) от внешнего источника подать положительный сигнал, то транзистор открывается. При этом на базу составного регулирующего транзистора VT6, VT7 подается отрицательный потенциал через открытый транзистор VT8. Составной транзистор запирается. Выходное напряжение стабилизатора падает до нуля.
Качество работы ИСН оценивается следующими параметрами. Нестабильность выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения:
, [%/B]. (6.2)
Коэффициент стабилизации – отношение относительных нестабильностей входного и выходного напряжений:
. (6.3)
Нестабильность по току при заданном сбросе тока нагрузки:
, [%/A], (6.4)
где Iвыхном – номинальный ток нагрузки.
Внутреннее сопротивление:
, [Ом].(6.5)
Коэффициент сглаживания пульсации – отношение переменой составляющей входного напряжения к переменной составляющей выходного напряжения.
, [дБ]. (6.6)
Если Ксг не приведено, можно считать Ксг=20lg Кст.
Относительный температурный коэффициент нестабильности напряжения:
[%/oC] , (6.7)
где Uвых0 – значение Uвых при нормальной температуре, а Uвых1 и Uвых2 – при температурах t1 и t2 соответственно;
t1 и t2 – крайние значения температурного интервала (для большинства ИСН t2=125оС, t1=-60оС ).
Падение напряжения на ИСН – Uпд, В.
Ток, потребляемый ИСН – IП, мА.
Температурный коэффициент напряжения:
,[B/oC]. (6.8 )
Допустимая мощность, рассеиваемая в ИСН, определяется в основном потерями на регулирующем элементе Ррасс.. Для увеличения рассеиваемой мощности микросхему устанавливают на теплоотвод. В таблице П2.3 Приложения 2 приведены параметры интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.
Построение и расчет стабилизатора напряжения следует начать с выбора микросхемы. Исходные данные, необходимые для расчета: номинальное значение выходного напряжения Uвых; пределы регулирования выходного напряжения Uвыхmin, Uвыхmax; максимальный и минимальный токи нагрузки Iнmax, Iнmin; нестабильность входного напряжения α; нестабильность выходного напряжения Ku=∆Uвых/Uвых или коэффициент пульсаций выходного напряжения Кп; коэффициент стабилизации напряжения KCT= α /Ku; внутреннее сопротивление стабилизатора Rвн; температурный коэффициент γ. Выбор ИМС производится по заданным Uвых, Iвыхmax, Кст (6.3), γ (6.8), Rвн (6.5). При этом следует отдавать предпочтение тем ИМС, которые работают с меньшим количеством внешних элементов. При этом должны быть выполнены условия : Uвых имс≥Uвых; Iвых max имс≥ Iн max; Кст имс>Кст. Независимо от типа выбранной микросхемы определяют минимальное, номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора:
Uвх min=Uвых max+Uпд; ;Uвх max=Uвх (1+α (+)),
где α (+) , α (-) – наибольшие положительные и отрицательные относительные изменения входного напряжения соответственно.
Возможные пределы изменения КПД:
(предполагается, что ток, потребляемый стабилизатором, мал, т.е. Iвых≈ Iвх)
Элементы принципиальной схемы стабилизатора на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2 (рис. 6.5) рассчитываются следующим образом: делитель выходного напряжения R4,R5 выбирается из условия, чтобы через него протекал ток Iд не менее 1,5 мА. Сопротивление резистора R5 определяется уровнем опорного напряжения и составляет обычно 1,2 кОм.
.
Емкость выходного конденсатора С2, повышающего устойчивость стабилизатора и снижающего уровень пульсации выходного напряжения, выбирается из условия С2≥2,2 мкФ. Для повышения устойчивости включается также конденсатор С1≈0,1 мкФ.
Ток через делитель R2,R3 выбирается равным Iд =0,3 мА, а R2=2 кОм. Напряжение Uбэ9 транзистора защиты составляет 0,7 В, поэтому сопротивление, кОм,
.
Рис. 6.5
Зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки при действии схемы защиты показана на рис. 6.6.
Рис. 6.6.
Напряжение на резисторе защиты R1 открывает транзистор защиты VT9 только при токе Iпор, при этом Iпор≤Iнmax, а сопротивление резистора R1=0,7/Iпор.
Включение последовательно в выходную цепь ИСН резистора R1 увеличивает его внутреннее сопротивление, поэтому R1 выбирают минимально возможным. Схема стабилизатора (рис. 6.7) может работать на повышенном токе нагрузки благодаря включению составного транзистора VT1,VT2.
Рис. 6.7
Расчет стабилизатора производится в следующем порядке. Ток через транзистор VT1
Ik1max=Iн max+Iп ,
где Iп ток, потребляемый стабилизатором.
Максимальное напряжение на входе стабилизатора с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя r0
Uвхmm=Uвхmax+(Iнmax-Iнmin)r0.
Величину r0 можно принять равной (0,050,1)Uвх/Iн.
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT1
Uкэ1max=Uвхmm-Uн.
Максимальная мощность, рассеиваемая на регулируемом транзисторе VT1
Pк1=(Uвхmax-Uн)Iк1max.
По данным Uкэ1max, Ik1max, Pk1 выбирают тип регулируемого транзистора.
При этом необходимо учесть, что расчетные величины должны быть меньше предельных величин, указанных в справочнике.
Максимальный ток базы транзистора VT1
Iб1max=Ik1max/h31max.
Если Iб1max меньше номинального тока нагрузки Iном ИМС, то транзистор VT2 вводить в схему не нужно. Вывод I3 ИМС следует соединить с базой VT1, а резистор R1 убрать. Транзистор VT1 является третьим в составном регулируемом транзисторе стабилизатора. Если Iб1max>Iном, включают еще один транзистор VT2, предварительно определив следующие параметры.
Ток через резисторы R2, R3
IR2,3=(1..1,5)Iko2max,
где Iko2max наибольший обратный ток коллектора транзистора VT2. Если VT2 отсутствует, IR2,3=1мА.
Сопротивление резисторов R2, R3
(R2+R3)=Uн/IR2,3.
Максимальное значение тока эмиттера транзистора VT2
Iэ2 max=(Iб1 max + IR2,3)≈ Ik2 max.
Максимальное напряжение Uкэ2max транзистора VT2
Uкэ2max≈Uкэ1max.
Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT2,
Рк2=Ik2max∙Uкэ2max.
По величинам Ik2max,Uкэmax, Рк2 выбирают транзистор VT2.
Сопротивление R1=Uн/1mA.
Наибольший ток базы транзистора VT2
Iб2=Ik2max/h31э2max.
Необходимо проверить соблюдение условия Iб2max≤Iвыхmaxимс.
Защита от перегрузки и короткого замыкания осуществляется напряжением, подаваемым с резистора R4 на базу транзистора защиты по току в ИМС.
Сопротивление резистора защиты:
R4=UR4/Iпор,
Отношение R2/R3 следует выбирать таким, чтобы при нормальном токе нагрузки напряжение между выводами 10 и11 ИМС, между базой и эмиттером транзистора защиты по току, было близким к нулю:
U10-11=UR4+Uбэ1-UR2≈0.
Из этого условия определяют сопротивление:
.
Мощность, рассеиваемая на резисторах:
PR=IR2R.
Интегральные стабилизаторы типов К142ЕН3, К142ЕН4 выполнены на кристалле размером 2,2Х2,2 мм. Принципиальная электрическая схема значительно усложнена по сравнению со схемой стабилизаторов К142ЕН1, К142ЕН2 за счет введения двухкаскадного дифференциального УПТ с токостабилизирующими двухполюсниками, что существенно повысило стабильность по напряжению, а наличие мощного регулирующего транзистора обеспечило ток нагрузки ИМС до 1А.
Рис. 6.8
Типовая схема включения стабилизаторов К142ЕН3, К142ЕН4 приведена на рис. 6.8. Назначение элементов: R1 ограничительный резистор выключения микросхем внешним сигналом; R2 ограничительный резистор для регулирования порога срабатывания тепловой защиты в диапазоне температур корпуса микросхемы Тк от +650 до +1450С; R3 резистор защиты от перегрузки по току или короткого замыкания; Ск корректирующий конденсатор; совместно с выходным конденсатором Сн он обеспечивает устойчивую работу стабилизатора (обычно Ск=0,01 мкФ, Сн≈2,2 мкФ).
Резистор R2, кОм, выбирают из условия:
.
Сопротивление ограничительного резистора, кОм,
,
где Uy амплитуда управляющего импульса включения.
При управлении от микросхемы с ТТЛ- выходом Uy составляет около 5 В.
Сопротивление резистора защиты:
.
Ток, протекающий через выходной делитель R4, R5 Iд>1,5 мА.
Общее сопротивление делителя
.
Напряжение на резисторе R5 должно быть равно образцовому:
Uобр=2,5 В+10%. Тогда ;R4=R4,5-R5.
Фиксированное выходное напряжение можно получить в стабилизаторах на ИМС К142ЕН5, К142ЕН8, КР142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН17, КР1157, КР1162 (рис. 6.1). Номер входного, выходного и общего выводов указан в таблице П2.3. В зависимости от того, включен ли регулирующий транзистор в плюсовой или минусовой провод, в таблице приводится соответствующее обозначение (+вход) или (- вход). Эти же ИМС, а также КР142ЕН12, КР142ЕН18 могут использоваться в схемах стабилизаторов с регулированием выходного напряжения (рис. 6.3).
Ток делителя R1, R2 Iд>3Iп.
R1=Uвых ном/Iд (6.9)
Используя формулу (6.1) и заменяя Iд из (6.9), получаем:
, (6.10)
Если в таблице П2.3 не указан Iп, Iд принимают равным 5 мА. Рассчитывая делитель в стабилизаторе на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18, Uвыхном нужно заменить на Uвыхmin. Кроме того, для снижения уровня фона при выходном напряжении, близком к минимальному, рекомендуется в измерительный элемент стабилизатора на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18 включать сглаживающий конденсатор С3=(2…10) мкФ. При Uвых >25 В, если возможно замыкание входной цепи стабилизатора, следует при наличии конденсатора С3 включить диод VD2 (КД521А), защищающий вход управления микросхемы.
Микросхемы 142ЕН10 и 142ЕН11 – четырехвыводные регулируемые стабилизаторы. ИМС 142ЕН10 включается по схеме рис. 6.2 , а для ИМС 142ЕН11 выводы 3 и 4 соединяются и схема включения преобразуется в рис. 6.3. Ток делителя R1, R2 Iд>3Iп.
, (6.11)
где Uос – напряжение обратной связи; в К142ЕН10 Uос≈2,3 В, а в К142ЕН11 Uос≈1,25 В. Сопротивления R1 и R2 находят из (6.11).
Микросхемы КР142ЕН14 – улучшенный аналог стабилизаторов К142ЕН1 и К142ЕН2. Типовая схема включения ИМС для выходного напряжения 2…7В показана на рис. 6.9, а для выходного напряжения 7…37 В – на рис. 6.10. Поскольку выводы 11 и 12 соединены, все узлы микросхемы питаются от общего источника нестабилизированного напряжения (совместное питание).
Рис. 6.9
Рис. 6.10
Выходное напряжение в схеме рис 6.9:
, (6.12)
а в схеме 6.10:
, (6.13)
В таблице 6.1 приведены расчетные значения сопротивления резисторов R1 и R2 для некоторых типовых значений выходного напряжения. Если необходимо плавно регулировать выходное напряжение, резистор R1 выбирают переменным.
Таблица 6.1.
| Uвых | 2,4 | 3 | 4 | 5 | 6 | 9 | 12 | 15 | 24 | 27 | 30 |
| R1,кОм | 4,75 | 4,12 | 3,12 | 2,15 | 1,15 | 1,87 | 4,87 | 7,87 | 16,19 | 19,8 | 22,9 |
| R2,кОм | 2,4 | 3,01 | 4,02 | 4,99 | 6,04 | 7,15 | 7,15 | 7,15 | 7,15 | 7,15 | 7,15 |
Если замыкание выходной цепи маловероятно, резистор системы защиты определяют по пороговому току нагрузки: R3=0,65/Iпор.
Резистор R4 служит для уменьшения температурного коэффициента выходного напряжения и подавления паразитной генерации.
.
Этот резистор может быть исключен из схемы (R4=0).
Если замыкания цепи нагрузки вероятны и их длительность может быть значительной, используют другую схему включения (рис.6.11).
Рис. 6.11
Резистор схемы защиты:
,
где Iз – остаточный выходной ток замыкания, Iпор– порог срабатывания системы защиты. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения измерительного элемента стабилизатора, а резисторы R4 и R 5 –базовый делитель напряжения транзистора системы защиты:
R4=(I3R3/0,65-1)R5 ;R5=(Uвых+0,65)/Iд,
где Iд – ток делителя R4, R5 (рекомендуется выбрать Iд ≈ 0,001А).
Стабилизатор может быть умощнен дополнительным транзистором (рис. 6.12). Сопротивление базового резистора:
R5=Uвых/0,001 (Ом).
Рис. 6.12
Если необходимо обеспечить минимальные потери напряжения на регулирующем транзисторе, можно применить схему, показанную на рис. 6.13.
Рис. 6.13
Сопротивление базового резистора R5 выбирают в пределах 100…200 Ом.
При работе стабилизаторов с умощняющими транзисторами (рис. 6.12, 6.13) необходимо выполнение условий:
IпорUвх≤Pрасс.max; (Iпор/h31э+Iп)Uвх≤ Pрасс.max ,
где h31Э – минимальное значение коэффициента передачи транзистора VT1.
Для стабилизаторов по рис. 6.12, 6.13 подойдут мощные транзисторы, рассчитанные на ток коллектора 5 А и более. При выборе транзисторов необходимо учитывать, что подойдут лишь те экземпляры, у которых h31>50…70.
Во всех схемах стабилизаторов на КР142ЕН14 С1>1 мкФ, С2≥100 пФ, С3>0,01 мкФ (конденсаторы С1и С3 устанавливают при необходимости).
studfiles.net
Стабилизаторы тока
- Общее устройство и принцип работы
- Диодный стабилизатор тока
- Схемы стабилизаторов тока на КРЕН
- Стабилизатор тока на двух транзисторах
- Регулируемый стабилизатор постоянного тока
- Мощный импульсный стабилизатор тока
- Видео: Сделай сам стабилизатор на LM2576
В каждой электрической сети периодически возникают помехи, отрицательно влияющие на стандартные параметры тока и напряжения. Данная проблема успешно решается с помощью различных устройств, среди которых очень популярны и эффективны стабилизаторы тока. Они имеют различные технические характеристики, что делает возможным их использование совместно с любыми бытовыми электроприборами и оборудованием. Особые требования предъявляются к измерительному оборудованию, требующему стабильного напряжения.
Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока
Знание основных принципов работы стабилизаторов тока способствует наиболее эффективному использованию этих устройств. Электрические сети буквально насыщены различными помехами, негативно влияющими на работу бытовых приборов и электрооборудования. Для преодоления отрицательных воздействий используется схема простого стабилизатора напряжения и тока.
В каждом стабилизаторе имеется основной элемент – трансформатор, обеспечивающий работу всей системы. Самая простая схема включает в свой состав выпрямительный мост, соединенный с различными типами конденсаторов и резисторов. Их основными параметрами считаются индивидуальная емкость и предельное сопротивление.
Сам стабилизатор тока работает по очень простой схеме. Когда ток поступает на трансформатор, его предельная частота изменяется. На входе она будет совпадать с частотой электрической сети и составит 50 Гц. После того как будут выполнены все преобразования тока, предельная частота на выходе снизится до 30 Гц. В схеме преобразования участвуют высоковольтные выпрямители, с помощью которых определяется полярность напряжения. Конденсаторы непосредственно участвуют в стабилизации тока, а резисторы снижают помехи.
Диодный стабилизатор тока
Во многих конструкциях светильников имеются диодные стабилизаторы, более известные как стабилизаторы тока для светодиодов. Как и все типы диодов, светодиоды обладают нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, при изменяющемся напряжении на светодиоде, происходит непропорциональное изменение тока.
С ростом напряжения вначале наблюдается очень медленное возрастание тока, в результате, свечение светодиода отсутствует. Затем, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света и очень быстрое возрастание тока. Дальнейший рост напряжения приводит к катастрофическому увеличению тока и перегоранию светодиода. Значение порогового напряжения отражается в технических характеристиках светодиодных источников света.
Светодиоды с высокой мощностью требуют установки теплоотвода, поскольку их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Кроме того, для них требуется и достаточно мощный стабилизатор тока. Правильная работа светодиодов также обеспечивается стабилизирующими устройствами. Это связано с сильным разбросом порогового напряжения даже у однотипных источников света. Если два таких светодиода подключить параллельно к одному источнику напряжения, по ним будет проходить ток разной величины. Разница может быть настолько существенной, что один из светодиодов сразу же сгорит.
Таким образом, не рекомендуется включение светодиодных источников света без стабилизаторов. Данные устройства устанавливают ток заданного значения без учета напряжения, приложенного к схеме. К наиболее современным приборам относится двухвыводной стабилизатор для светодиодов, применяющийся для создания недорогих решений по управлению светодиодами. В его состав входит полевой транзистор, обвязочные детали и другие радиоэлементы.
Схемы стабилизаторов тока на КРЕН
Данная схема стабильно работает с использованием таких элементов, как КР142ЕН12 или LM317. Они являются регулируемыми стабилизаторами напряжения, работающими с током до 1,5А и входным напряжением до 40В. В нормальном тепловом режиме эти устройства способны рассеивать мощность до 10Вт. Эти микросхемы обладают низким собственным потреблением, составляющим примерно 8мА. Данный показатель остается неизменным даже при изменяющемся токе, проходящем через КРЕН и измененном входном напряжении.
Элемент LM317 способен удерживать на основном резисторе постоянное напряжение, регулируемое в определенных пределах с помощью подстроечного резистора. Основной резистор с неизменным сопротивлением обеспечивает стабильность проходящего через него тока, поэтому он известен еще, как токозадающий резистор.
Стабилизатор на КРЕН отличается простотой и может использоваться в качестве электронной нагрузки, зарядки аккумуляторов и в других областях.
Стабилизатор тока на двух транзисторах
Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.
Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него.
В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит. Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока.
Регулируемый стабилизатор постоянного тока
Иногда возникает необходимость в стабилизаторах тока с возможностью регулировок в широком диапазоне. В некоторых схемах может использоваться токозадающий резистор с пониженными характеристиками. В этом случае необходимо применять усилитель ошибки, основой которого служит операционный усилитель.
С помощью одного токозадающего резистора происходит усиление напряжения в другом резисторе. Это состояние называется усиленным напряжением ошибки. С помощью опорного усилителя сравниваются параметры опорного напряжения и напряжения ошибки, после чего выполняется регулировка состояния полевого транзистора.
Для такой схемы требуется отдельное питание, которое подается к отдельному разъему. Питающее напряжение должно обеспечивать нормальную работу всех компонентов схемы и не превышать уровня, достаточного для пробоя полевого транзистора. Правильная настройка схемы требует установки ползунка переменного резистора в самое верхнее положение. С помощью подстроечного резистора выставляется максимальное значение тока. Таким образом, переменный резистор позволяет выполнять регулировку тока от нуля до максимального значения, установленного в процессе настройки.
Мощный импульсный стабилизатор тока
Широкий диапазон питающих токов и нагрузок не всегда является основным требованием к стабилизаторам. В некоторых случаях решающее значение отводится высокому коэффициенту полезного действия прибора. Эту задачу успешно решает микросхема импульсного стабилизатора тока, заменяющая компенсационные стабилизаторы. Приборы этого типа позволяют создавать высокое напряжение на нагрузке даже при наличии невысокого входного напряжения.
Кроме того, существует повышающий стабилизатор тока импульсного типа. Они используются вместе с нагрузками, питающее напряжение которых превышает входное напряжение стабилизирующего устройства. В качестве делителей выходного напряжения используются два резистора, задействованные в микросхеме, с помощью которой входное и выходное напряжение поочередно уменьшается или увеличивается.
Стабилизатор на LM2576
electric-220.ru
Стабилизаторы напряжения и тока: классификация и основные параметры
Зачастую сглаживающих фильтров недостаточно для надёжного энергоснабжения телекоммуникационных и мобильных систем. Чтобы минимизировать влияние отрицательных факторов таких как колебания напряжений или частоты сети, применяются устройства под названием стабилизатор.
Для начала рассмотрим что же такое стабилизатор – это прибор, который предназначен для автоматического поддержания напряжения или тока на нагрузке с определённой точностью и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.
Выделим следующие дестабилизирующие факторы, которые отрицательно влияют на изменение напряжения или тока на нагрузке:
- колебания напряжения питания;
- частота тока питающей сети;
- температура окружающей среды;
- изменение потребляемой мощности на нагрузке.
На рисунке 1 представлена структурная схема работы устройства. На вход поступает дестабилизированное напряжение, с выхода получаем стабилизированное.
Рисунок 1 — структурная схема работы стабилизатора
Главным предназначением стабилизатора является ослабление выше перечисленных факторов.
Классификация
Стабилизирующие устройства можно разделить в зависимости от вида напряжения или тока протекающего через него на стабилизаторы переменного и постоянного тока или напряжения. И также их можно подразделить по типу: параметрические и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы строятся на основе таких нелинейных элементов, как транзисторы, стабилитроны и стабисторы и т. п. Это обусловлено тем, что благодаря их характеристикам (вольт-амперных, ампер-вольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.) ток или напряжения могут быть стабилизированы на определённом уровне. Более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.
Компенсационные стабилизаторы – это устройство, которое выполнено в виде системы автоматического регулирования, или другим словом содержит цепь отрицательной обратной связи. За счёт изменения параметров регулирующего элемента посредством воздействия на него сигнала обратной связи и происходит стабилизация напряжения. Схема и принцип действия более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.
Стабилизация тока или напряжения происходит при помощи регулирующего элемента (РЭ), который, в свою очередь, может быть расположен относительно нагрузки последовательно или параллельно. Следовательно стабилизаторы можно подразделить на схемы с последовательным включением регулирующего элемента и на схемы с параллельным включением регулирующего элемента. Пример схем с вариантом включения РЭ представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 — Последовательное и параллельное включение регулирующего элемента
При последовательном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулирование напряжения на выходе происходит за счёт изменения сопротивления в регулирующем элементе. Выходное напряжение при таком соединении будет равно Uвых=Uвх+ΔUрэ.
При параллельном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулировка напряжения на выходе достигается за счёт изменения тока, протекающего через регулирующий элемент. В свою очередь, стабилизация напряжения на выходе осуществляется за счёт изменения напряжения на балластном резисторе Rб. Ток на балластном резисторе можно найти исходя из первого закона Кирхгофа: сумма сходящихся токов в одном узле равна нулю. Следовательно ток на Rб будет равен Iб=Iрэ+Iн. Главное преимущество параллельного соединения заключается в устойчивости к перегрузкам по току и выдерживание короткого замыкания в цепи нагрузки.
Для определения какой следует применить стабилизатор стоит исходить из требований, предъявляемых к качеству питающих напряжений.
Основные параметры
Основные параметры, по которым оцениваются рассматриваемые устройства следующие: качественные, массогабаритные и энергетические. По данным параметрам можно судить о массе и удельном объёме устройства.
Качественные параметры стабилизаторов постоянного напряжения:
Коэффициент стабилизации по входному напряжению – это отношение номинального и относительного изменения напряжения на входе и выходе устройства при неизменном токе нагрузки.
где Uвх, Uвых – номинальное значение напряжения на входе и на выходе;
ΔUвх, ΔUвых – относительно изменение напряжения на входе и на выходе.
Внутреннее сопротивление стабилизатора – это отношение изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки при неизменном входном напряжении.
Качество стабилизации – это отношение изменения напряжения на выходе к номинальному значению на выходе. Измеряется в процентах.
Коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение амплитуд пульсаций и номинальных напряжения на входе и выходе устройства.
Температурный коэффициент – это отношения изменения напряжения на выходе устройства от изменения температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и тока нагрузки.
Качественные параметры стабилизаторов постоянного тока:
Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению – это отношение номинальных и относительных изменений напряжения на входе и тока на выходе устройства при неизменном сопротивлении нагрузки.
Где Uвх, Iн – номинальное значение входного напряжения и тока нагрузки;
ΔUвх, Δ Iн – относительно изменение входного напряжения и тока нагрузки.
Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки – это отношение номинального значения сопротивления и тока нагрузки к их изменению, при постоянном входном напряжении.
Где Rн, ΔRн – номинальное сопротивление нагрузки и его изменение;
ri – внутреннее сопротивление
Коэффициент пульсаций по току – это отношение амплитуды пульсаций тока к номинальному значению тока на выходе устройства.
Где Iн~ — амплитуда пульсаций тока в нагрузке
Качество стабилизации – это отношение изменения тока на выходе к номинальному значению на выходе. Измеряется в процентах.
Температурный коэффициент – это отношения изменения тока на выходе устройства от изменения температуры окружающей среды.
Массогабаритные параметры характеризуются следующими параметрами: удельный объём Pвых/Vст, Вт/дм3, и удельная массам устройства Pвых/Gст, Вт/кг, где Vст это объём, а Gст это масса устройства.
К энергетическим параметрам можно отнести нижеперечисленное.
Коэффициент полезного действия – это отношение активной мощности, на выходе к потребляемой мощности от сети.
Не стоит забывать про мощность, которая рассеивается на регулирующем элементе, это тоже немаловажный параметр.
Резюмируя всё выше написанное, нами была рассмотрена основная информация о видах и характеристиках стабилизаторов. Для более глубокого изучения воспользуйтесь соответствующей литературой. Для более надёжного закрепления материала в будущем ниже будут размещены вопросы и задачи для самопроверки.
blogtimt.ru
