Компенсационные стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы напряжения линейные
Линейные стабилизаторы напряжения
Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.
Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.
Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.
Рисунок 8.
Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.
Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). В сравнивающем элементе (СЭ) происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ), который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.
Рисунок 9
В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение UCT стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.
Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:
Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение UЭБ при этом для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.
Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке UВЫХ уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения
UЭБ = UСТ - UВЫХ , что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе UКЭ уменьшится, а, значит, увеличится напряжение на нагрузке UВЫХ = UВХ – UКЭ , и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения UКЭ .
Транзистор включен по схеме с общим коллектором и его выходным напряжение является UСТ . Так как IБ << IH , схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет КСТ = 150…300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Более высокую степень стабилизации обеспечивают схемы, в которых на базу регулирующего транзистора поступает предварительно усиленный сигнал рассогласования. В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.
Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 10.
Рисунок 10
Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:
1) Коэффициент стабилизации КСТ, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:
,
где UВХ и UВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔUВХ и ΔUВЫХ – изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.
Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.
2) Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении:
, при UВХ = const.
3) Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности:
Линейные стабилизаторы
84
Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
План
1.Введение
2.Параметрические стабилизаторы
3.Компенсационные стабилизаторы
4.Интегральные стабилизаторы напряжения
5.Выводы
1. Введение
Для работы электронных схем необходимы источники постоянного напряжения. Однако напряжение на выходе простейшего источника, выполненного по схеме «трансформатор – выпрямитель – сглаживающий фильтр» может изменяться из-заколебаний сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника и других факторов. Если отклонения напряжения превышают допустимую величину, в схемы источников вводятстабилизаторы – устройства, обеспечивающее малые изменения выходного напряжения.
Существуют два типа стабилизаторов: параметрические икомпенсационные. В параметрических стабилизаторах напряжения в качестве регулирующих используют нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ, на котором напряжение остается неизменным при изменении тока. Такой участок имеет обратная ветвь ВАХ стабилитрона.
Компенсационный стабилизатор представляет систему автоматического регулирования, в которой сопротивление регулирующего элемента изменяется под действием управляющего напряжения U упр , полученного в результате сравнения выходного и эталонного (опорного) напряжений. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. Регулирующими элементами линейных стабилизаторов являются биполярные илиМОП-транзисторы.Для получения эталонного напряжения используют источники опорного напряжения (ИОН) Простейшим ИОН является параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне.
85
2. Параметрические стабилизаторы
Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне показана на рис. 9.1.
R 0 |
|
|
|
I |
|
|
|
R | н | U | н |
V D |
|
|
|
Рис. 9.1 |
|
|
|
Схема представляет делитель напряжения, состоящий из резистора | |||
R0 и стабилитронаVD. Нагрузочный резистор | Rн | включен параллельно | |
стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона почти постоянно, постоянным будет и напряжение на нагрузке.
Найдем напряжение и ток стабилитрона графическим способом. ВАХ стабилитрона и линейной части цепи показаны на рис. 9.2. Поскольку Uн = −Uст , обратная ветвь ВАХ стабилитрона расположена в первом квадранте. Нагрузочная характеристика линейной подсхемы представляет прямую, проходящую через точки, соответствующие режимам холостого
хода U xx = βUвx и короткого замыканияIкз = Uвх / R0 . Здесьβ = Rн /(R0 + Rн ) . Точка пересечения нагрузочной прямой и ВАХ стабилитрона (точкаА на
рис. 9.2) является рабочей точкой и определяет ток и напряжение стабилитрона. Если входное напряжение изменится, нагрузочная прямая переместится параллельно самой себе. Изменятся и координаты рабочей точки (точка В на рис. 9.22). При этом изменения выходного напряжения будут невелики до тех пор, пока рабочая точка находится на крутом участке ВАХ стабилитрона.
Для поддержания режима стабилизации сопротивление R0 рассчитывают так, чтобы рабочая точка располагалась посередине рабочего участка ВАХ. Если входное напряжение изменяется отUmax доU min , тоR0 можно найти по приближенной формуле
R0 | = | Uср−Uст | . |
| |||
|
| Iср+ Iн | |
86
Здесь | Uср | = | Umax+ Umin | – среднее значение | напряжения на входе | |||||
|
| 2 | ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
стабилитрона; |
|
|
|
| ||||||
Iср= | I | max | + I | min |
| – средний ток стабилитрона; Iн = | Uст | – ток нагрузки. | ||
|
| 2 |
|
| R | |||||
|
|
|
|
|
|
|
| н |
| |
I
A
B
U
U'вхUвх
Рис. 9.2
Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться и ток стабилитрона, однако напряжение стабилитрона и напряжение нагрузки будут почти постоянными.
Коэффициент стабилизации определяется по формуле
K = Uвых | Uвх | . |
Uвх | Uвых |
|
Достоинства рассмотренной схемы – простота конструкции и надежность. Параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Они не боятся коротких замыканий нагрузки. Недостатки – невысокий КПД (не более 50 %), узкий диапазон регулируемого напряжения.
Если необходима повышенная стабильность выходного напряжения, параметрические стабилизаторы включают каскадно или используют мостовые схемы. Двухкаскадный параметрический стабилизатор показан на
87
рис. 9.3. Один из вариантов мостового стабилизатора изображен на рис. 9.4. Подробно работа таких схем рассмотрена в [11]. Отметим, что увеличение стабильности выходного напряжения достигается за счет уменьшения КПД по сравнению с простейшей схемой на рис. 9.1.
Рис. 9.3
Рис. 9.4
Мощность рассмотренных стабилизаторов ограничена предельными значениями тока стабилизации и мощности, рассеиваемой стабилитроном. Для увеличения тока нагрузки в схему последовательного стабилизатора включают эмиттерный повторитель, на вход которого подается опорное напряжение U оп (рис. 9.5). Сопротивление нагрузки включается в цепь эмиттера.
88
Выходное напряжение стабилизатора отличается от опорного на величину U бэ :
Uвых=Uоп−Uбэ.
Стабилизатор с эмиттерным повторителем на выходе способен отдавать в нагрузку значительно больший ток, чем схема на рис. 9.1.
3. Компенсационные стабилизаторы
Структурная схема компенсационного стабилизатора показана на рис. 9.6. Регулирующий элемент включен последовательно с сопротивлением нагрузки. Дифференциальный усилитель является усилителем сигнала ошибки. Этот сигнал равен разности между опорным напряжением U оп , формируемым на выходе источника опорного напряжения (ИОН), и напряжением делителяR1 –R2 .
Принцип действия компенсационного стабилизатора состоит в том, что на входе формируется постоянное напряжение, минимальное значение которого должно превышать требуемый уровень стабилизированного напряжения на выходе. При изменении входного напряжения или тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе.
Рис. 9.6
Схема компенсационного стабилизатора на ОУ показана на рис. 9.7. Резистор R0 и стабилитрон образуют источник опорного напряжения. Сигнал ошибки формируется на входе ОУ.
Схема работает следующим образом. Предположим, что по какимлибо причинам выходного напряжение стабилизатора U 2 уменьшилось.
89
При этом сигнал ошибки, равный разности напряжения на стабилитроне VD1 и на выходе делителя напряженияR1 –R2 увеличится. Это приведет к увеличению тока базы. Увеличится и ток эмиттера регулирующего транзистора до величины, при которой выходное напряжение примет первоначальное значение.
Рис. 9.7
Если от стабилизатора требуются большие значения выходного тока, в регулирующем элементе используются несколько транзисторов, соединенных параллельно. Схема такого регулирующего элемента показана на рис. 9.8. Для компенсации разброса напряжений база-эмиттеротдельных транзисторов последовательно с эмиттерами включены резисторы небольшого номинала.
Рис. 9.8
Рассмотрим примерный порядок расчета компенсационного стабилизатора. Исходными данными для расчета являются номинальное
выходное напряжение | U вых , пределы | регулирования | выходного |
напряжения U выхma−U выхmin | , максимальный | ток нагрузки Iнma | , пределы |
изменения входного напряжения U вхma −Uвхmin . |
| ||
90
Расчет стабилизатора выполняется в следующем порядке.
1.Определяем минимальное входное напряжение с помощью соотношения
| Uвхmin | =Uвыхma +(4 ÷ 5) В. |
| |
2. | По заданным значениям | U выхma, | U выхmin, Iнma | выбираем тип |
| транзистора, реализующего регулирующий элемент (РЭ). | |||
3. | Выбираем стабилитрон из условия Uст | =Uвыхmin −(2 ÷ 3) | В. | |
4.Рассчитываем сопротивление резистора R0 по формуле
Здесь Iстmin – минимальный ток стабилитрона, мА.
5. Рассчитываем суммарное сопротивление делителя напряжения из условия, что ток делителя должен составлять в номинальном режиме 5 – 10 мА. Сопротивления резисторов делителя определяются выражениями
RΣ= R1 | + R2 ; | |||
| æU |
| ö | |
R = R | ç |
| вых | -1÷ |
|
| |||
2 1 | ç | Uст | ÷ . | |
| è | ø | ||
Потери и КПД линейных стабилизаторов. Напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора в схеме на рис. 9.7 равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора и может достигать нескольких вольт. Вследствие этого на регулирующем транзисторе рассеивается значительная мощность. Это определяет невысокий коэффициент полезного действия линейных стабилизаторов. В случае низких значений напряжения стабилизации КПД может оказаться меньше 50%. Такой стабилизатор теряет много энергии в виде тепла.
4. Интегральные стабилизаторы напряжения
Линейные стабилизаторы напряжения, подобные схеме на рис. 9.7, выпускаются в виде интегральных микросхем. Такая микросхема содержит регулирующий элемент (РЭ), включенный между источником и нагрузкой,
91
источник опорного напряжения (ИОН) и усилитель ошибки. В качестве РЭ используется биполярный или полевой транзистор. Простейшим источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. Все перечисленные элементы легко объединить в одной интегральной схеме.
Микросхемы стабилизаторов напряжения являются функционально законченными устройствами и могут иметь только три внешних вывода: вход, выход и земля. ИМС стабилизаторов выпускаются на фиксированные напряжения 5 – 24 В и токи нагрузки до 1 А. Интегральные стабилизаторы имеют встроенные схемы ограничения выходного тока, а также специальную защиту от тепловых перегрузок.
Упрощенная схема интегрального стабилизатора напряжения показана на рис. 9.9.
Рис. 9.9
В качестве ИОН используется стабилитрон VD1. Усилителем ошибки является дифференциальный усилитель на транзисторах VT1, VT2. Регулирующий элемент стабилизатора выполнен на составном транзисторе VT4, VT5, включенном по схеме эмиттерного повторителя. Резисторы R1 иR2 образуют цепь отрицательной обратной связи. Выходное напряжение стабилизатора
U = R1 + R2 .
вых R1
Стабилизатор напряжения на рис. 9.9 имеет встроенную схему ограничения тока, реализованную на транзисторе VT3 и резисторе R5 .
Другая схема интегрального стабилизатора напряжения показана на рис. 9.10.
Источник опорного напряжения выполнен на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом VT3 и стабилитроне VD1. Как и в предыдущей схеме, усилитель ошибки реализован по дифференциальной
92
схеме на транзисторах VT1, VT2. Регулирующий элемент выполнен на p-n- p транзисторах VT4, VT5, включенных по схеме с общим эмиттером. Это позволяет снизить падение напряжения на регулирующем элементе с 3 – 4 до 1.5 – 2 В. Подробно работа схемы, изображенной на рис. 9.10, рассмотрена в [11].
Рис. 9.10
В настоящее время линейные стабилизаторы находят применение в тех случаях, когда их невысокий КПД не играет особой роли. Как правило, это источники питания, выходная мощность которых не превышает 10 Вт.
Источники опорного напряжения. Главное назначение источника опорного напряжения – поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению при изменяющемся входном напряжении. В качестве простейшего источника опорного напряжения используют параметрический стабилизатор на стабилитроне.
Стабилитроны используют для получения опорных напряжений не ниже 2.5 В. Для получения меньших опорных напряжений можно использовать последовательно включенные кремниевые диоды. В интегральных стабилизаторах напряжения в качестве ИОН используют напряжение база – эмиттер биполярных транзисторов. Главная проблема заключается в том, что напряжение эмиттерного перехода сильно зависит от температуры. Его температурный коэффициент напряжения (ТКН) составляет около −2 мВ К .
Температурную зависимость напряжения база-эмиттерможно уменьшить, если суммировать это напряжение с другим, имеющим положительный температурный коэффициент. Такое опорное напряжение получают как разность напряжений эмиттерных переходов двух
93
транзисторов. Схема такого ИОН показана на рис. 9.11. Транзисторы VT1,VT2, резисторыRn1 иRn2 образуют отражатель тока. Его называют токовым зеркалом Видлара.
Рис. 9.11
Напряжение база-эмиттерпервого транзистора
Uбэ1 =Vtln IIэ1 .
0
Напряжение база-эмиттервторого транзистора
Uбэ2 =Vtln IIэ2 .
0
Здесь I0 – обратный ток насыщения эмиттерного перехода;I э1 иI э 2 –эмиттерныетокиVT1 иVT2.
Полагая, что транзисторы согласованы, получим, что напряжение U1 равно разности напряжений эмиттерных переходов первого и второго транзисторов:
U1=Uбэ1−Uбэ 2=Vt ln IIэ1 . э2
Напряжение U1 имеет положительный температурный коэффициент,
если ln(Iэ1 Iэ2 ) > 0 , т.е.Iэ1 > Iэ2 .
Опорное напряжение на выходе схемы
Uоп=Uбэ3− RI к 2.
studfiles.net
Линейные стабилизаторы напряжения | joyta.ru
Стабилизация напряжения в современных электронных устройствах очень важный элемент. Цифровые схемы требуют стабильного и надежного питания.
Самая простая схема стабилизации напряжения, которую мы можем встретить на практике – это система на основе стабилитрона. Базовый режим работы стабилитрона показан на следующем рисунке:
Эта система использует эффект стабилитрона, который происходит во время пробоя p-n перехода при обратном смещении. Это приводит к протеканию тока, и весь избыток напряжения гасится на балластном резисторе. Величина падения напряжения определяется силой тока, протекающего через него.
Поэтому фиксированный тока через стабилитрон фиксирует падение напряжения на резисторе и тем самым стабилизируется выходное напряжение. Стабилитроны изготавливаются на различные напряжения в диапазоне от 1,5В до 200В.
Но, часто для стабилизации напряжения на практике применяются специализированные микросхемы, которые можно разделить на две группы:
- с возможностью регулировки напряжения- положительная полярность- отрицательная полярность
- без возможности регулировки напряжения- положительная полярность- отрицательная полярность
Интегральные стабилизаторы напряжения имеют три основные характеристики:
- выходное напряжение
- максимальный ток
- минимальное входное напряжение
На вход стабилизатора напряжения, необходимо подавать большее напряжение, чем то, которые должно быть на выходе.
В самых распространенных стабилизаторах разница между входным и выходным напряжением составляет около 2В. Но также существуют стабилизаторы LDO стабилизаторы, в которых эта разница намного ниже. Это напряжение часто обозначается как VDO
Среди популярных не регулируемых стабилизаторов можно отметить:78xx – самый известный из всех стабилизаторов положительного напряжения. Выпускается в различных версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.79xx – самый популярный из всех стабилизаторов отрицательного напряжения. Производятся в версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.
LM2940x – LDO стабилизатор положительного напряжения. На напряжение: 5, 8, 9, 10, 12, 15 вольт, VDO = 0,5В.
Среди регулируемых стабилизаторов напряжения наиболее известны:LM317 – диапазон выходных напряжений от 1,25 до 37 вольт, VDO = 3В.LM337 – диапазон выходных напряжений от -1,25 – 37 вольт, VDO = 5В.
Современные стабилизаторы напряжения имеют различного рода тепловую защиту и защиту по току, что обеспечивает безопасность работы и снижает шансы на «сгорание» схем.
Кроме линейных стабилизаторов существует также группа импульсных стабилизаторов. Отличаются они, безусловно, больший КПД (меньше энергии уходит на тепловые потери). Интересной особенностью является то, что они позволяют поднимать и снижать напряжения, что очень полезно во время питания микросхем от батареи.
www.joyta.ru
Стабилизатор напряжения на ОУ | HomeElectronics
Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.
Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения
Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.
Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.
Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже
Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.
В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.
Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.
Схема стабилизатора напряжения на ОУ
Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже
Схема стабилизатора напряжения на ОУ.
Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения UОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя
Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.
Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.
Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения
Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже
Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.
На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений
где UCT – напряжение стабилизации стабилитрона,
IСТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.
Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.
Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения
Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже
Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.
В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.
Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.
Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.
Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.
Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.
Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения
Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже
Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.
Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.
При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель
Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.
Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.
Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.
Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения
Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора или нескольких параллельно-последовательных транзисторов, который иногда называют бустером выходного тока. Простейшая схема стабилизатора напряжения на ОУ с бустерным каскадом показана ниже
Стабилизатор напряжения на ОУ с выходным бустерным каскадом.
В схеме стабилизатора напряжения для увеличения выходной мощности включён бустерный каскад на транзисторе VT1. Для ограничения максимального выходного тока ОУ введён резистор R2, который может быть определён по следующему выражению
где UКЭнас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер бустерного транзистора,
IВЫХ.МАХ – предельный выходной ток ОУ.
Иногда возникает ситуация когда усиления одного транзистора не хватает для требуемой выходной мощности, поэтому применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона или Шиклаи для увеличения коэффициента усиления по току.
Схемы с одним бустерным транзистором или транзистором Дарлингтона обычно используют для получения выходных токов стабилизатора до нескольких ампер. При необходимости выходного тока большего значения выходной транзистор составляют из нескольких параллельных для увеличения отдаваемой мощности.
Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками
Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети
www.electronicsblog.ru
Компенсационные стабилизаторы напряжения. | HomeElectronics
Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).
Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.
Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.
Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа 
Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.
Компенсационный стабилизатор последовательного типа
В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.
Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h31e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.
Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.
Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.
Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.
Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора
где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.
Улучшение параметров стабилизатора
Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.
В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.
Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT. 
Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения. Расчёт последовательного стабилизатора
Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа
Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 103. Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.
1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:
2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:
3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:
Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h31e = 30.
4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.
5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:
6. Исходя из условия UCE2max < UCE max выбираем в качестве усилительного элемента транзистор типа П416 с h31e = 90 … 250.
7. Полагая, что IK2 ≈ IЕ2 = 10 мА < IC max, найдём сопротивление резистора R2:
8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h31e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:
9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения
Полагая
получим
Компенсационный стабилизатор параллельного типа
В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента IP изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – IBXR1 = const остаётся стабильным.
Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.
Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.
Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.
Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками
Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети
www.electronicsblog.ru
Cхема линейного стабилизатора напряжения - ОС повышает КПД
Cхема линейного стабилизатора напряжения — с высоким КПД
Cхема линейного стабилизатора напряжения — линейные регуляторы отличаются простой схемотехникой и имеют лучшие характеристики шумов и дрейфа, чем импульсные преобразователи. Самым большим их недостатком является КПД: избыточная энергия рассеивается в виде тепла. Для минимизации разности напряжений между входом и выходом линейного регулятора применяется несколько общеизвестных технологий. Я искал недорогую, простую в использовании и эффективную схему предварительного стабилизатора, которая позволила бы снизить падение напряжения на линейном регуляторе.
Рисунок 1. Для повышения КПД в этом недорогом источнике питания используется предварительный стабилизатор
Автоколебательные предварительные стабилизаторы с обратной связью, сделанные на основе переключающего транзистора, компаратора и фильтра, запускаются на труднопредсказуемой частоте. Это, в свою очередь, затрудняет создание входного фильтра. Лучшим вариантом является сочетание импульсного предварительного стабилизатора с постоянной частотой переключения и линейного регулятора с низким падением напряжения. Всем этим требованиям удовлетворяет схема, показанная на Рисунке 1.
Микросхема LM2576T-ADJ
Микросхема LM2576T-ADJ (IC1) работает на фиксированной частоте 52 кГц. Для линейного стабилизатора IC2 хорошо подходит микросхема LT1085. В цепи обратной связи предварительного стабилизатора используется операционный усилитель IC3.При замкнутом контуре регулирования напряжение обратной связи на входе микросхемы IС1 равно
Cхема линейного стабилизатора напряжения, устанавливая падение напряжения VDROPOUT на микросхеме линейного стабилизатора, следует руководствоваться требованиями технического описания. При выборе LT1085 максимальное напряжение VDROPOUT равно 1.5 В. Для LM2576T VFB = 1.23 В и, если k=1.5, VDROPOUT = 1.89 В — немного больше, чем значение, указанное в справочной документации. Падение напряжения не зависит от выходного напряжения, чем обеспечивается приемлемый уровень КПД. При выходном напряжении 5 В и токе 3 А КПД превышает 56%, а при напряжении 30 В и токе 3 А составляет не менее 72%.
Выходное напряжение VOUT можно менять в диапазоне от 0 до 30 В, а входное напряжение VIN должно превышать максимальное выходное напряжение хотя бы на 5 В. К микросхеме IC3 никаких специальных требований не предъявляется, а в качестве IC2 можно использовать любой линейный стабилизатор. Конденсатор С6 снижает пульсации выходного напряжения, а С2 частично фильтрует помеху 52 кГц на управляющем входе IC3. B результате получился простой и надежный лабораторный источник питания с хорошими характеристиками, способный отдавать ток 3 А в диапазоне выходных напряжений от 0 В до 30 В при использовании лишь небольшого теплоотвода.
usilitelstabo.ru
3. Линейные источники питания.
ЛИНЕЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.
Типичный линейный ИП содержит в своем составе: сетевой понижающий трансформатор, диодный мост с фильтром и стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора. Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых) .Из формулы следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы. Рассмотрим несколько подробнее применяемые в линейных ИП стабилизаторы.
Простейшие (т.н. параметрические) стабилизаторы основаны на использовании особенностей вольт-амперных характеристик некоторых полупроводниковых приборов — в основном, стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление. невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы применяются только при малых нагрузках, обычно — как элементы схем (например, в качестве источников опорного напряжения). Примеры параметрических стабилизаторов и формулы для расчета приведены на рис. 3.3-1.
Последовательные проходные линейные стабилизаторы отличаются следующими характеристиками: напряжение на нагрузке не зависит от входного напряжения и тока нагрузки, допускаются высокие значения тока нагрузки, обеспечивается высокий коэффициент стабилизации и малое выходное сопротивление. Структурная схема типового линейного стабилизатора представлена на рис. 3.3-2. Основной принцип на котором основана его работа — сравнение выходного напряжения с некоторым стабилизированным
опорным напряжением и управление на основе результатов этого сравнения главным силовым элементом стабилизатора (на структурной схеме—т.н. проходной транзистор VT1, работающий в линейном режиме, но это может быть и группа компонентов), на котором и рассеивается избыточная мощность (см. приведенную выше формулу).
В большинстве случаев радиолюбительского конструирования в качестве источников питания устройств могут применяться линейные ИП на основе микросхем линейных стабилизаторов серии К(КР)142. Они обладают очень хорошими параметрами, имеют встроенные цепи защиты от перегрузок, цепи термоком-пенсации и т.п., легко доступны и просты в применении (большинство стабилизаторов этой серии полностью реализованы внутри ИС, которые(имеют всего три вывода). Однако при конструировании линейных ИП большой мощности (25-100 Вт) требуется более тонкий подход, а именно: применение специальных трансформаторов с броневыми сердечниками (имеющих больший КДП), прямое использование только интегральных стабилизаторов невозможно ввиду недостаточности их мощности, т.е. нужны дополнительные силовые компоненты и, как следствие, дополнительные цепочки защиты от перегрузки, перегрева и перенапряжения. Такие ИП выделяют много тепла, предполагают установку многих компонентов на больших радиаторах и, соответственно, достаточно габаритны; для достижения высокого коэффициента стабилизации выходного напряжения требуются специальные схемные решения.
lib.qrz.ru
