Параметры стабилизаторов постоянного тока

Способы повышения качества стабилизации в параметрических стабилизаторах напряжения в цепи постоянного тока

Коэффициент стабилизации может быть увеличен:

— каскадным (последовательным включением параметрических стабилизаторов;

— использованием мостовой схемы;

— включением вместо резистора R 0 токостабилизирующего двухполюсника.

Для повышения стабильности выходного напряжения применяют каскадные схемы стабилизаторов.

При каскадном соединении , но при этом происходит снижение КПД. Так, если каждый из стабилизаторов имеет КПД 0.33, то результирующий равен . Поэтому такое включение используется в эталонных источниках.

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах достигается за счёт компенсации.

Очевидно, что напряжения на стабилитронах должны быть различными (иначе напряжение на нагрузке будет равно нулю). Теоретически может быть равен бесконечности, если обеспечить равенство .

В этой схеме возможно получение очень низких выходных напряжений и малых температурных коэффициентов за счет использования стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами. Но и здесь повышение коэффициента стабилизации по напряжению связано со снижением КПД. Выходное сопротивление равно сумме дифференциальных сопротивлений стабилитронов.

Повысить стабильность без ухудшения КПД позволяет использование простейшего стабилизатора тока (токостабилизирующего двухполюсника).

Стабилизатор тока (эмиттерный повторитель ):

Независимо от , при и ток Iд =const. Получили двухполюсник, в котором Ек изменяется, а ток Iд не меняется.

Пример использования стабилизатора тока в параметрическом стабилизаторе.

Здесь основной стабилитрон VD2. При стабильном токе через выходное напряжение стабильно в широких пределах изменения .Температурные уходы здесь такие же как и в простейшей схеме.

Для повышения мощности в нагрузке можно использовать эмиттерный повторитель на выходе:

Здесь параметрический стабилизатор (резистор R B и стабилитрон VD) нагружается входным сопротивлением усилительного каскада, включенного по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) .

.

При этом любое изменение U 2 (например, вызванное изменением R H ) вызывает соответствующее изменение U БЭ и последующее “приоткрывание” или “призакрывание” транзистора VT. Таким образом, УПТ выполняет усиление сигнала по мощности. При этом коэффициент стабилизации стремится

к предельной величине:

, где — статическое сопротивление

Основные параметры и принцип действия стабилизаторов напряжения

Предназначение вторичных источников питания. Характеристика принципов работы компенсационного, параметрического, транзисторного, интегрального, импульсного стабилизаторов напряжения. Преимущества и недостатки использования разных видов стабилизаторов.

• посмотреть текст работы

• скачать работу можно здесь

• полная информация о работе

• весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Вторичные источники питания

2. Классификация стабилизаторов напряжения

2.1 Компенсационные стабилизаторы напряжения

2.2 Параметрический стабилизатор напряжения

2.3 Транзисторные стабилизаторы напряжения

2.4 Интегральные стабилизаторы напряжения

2.5 Транзисторный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывным регулированием

2.6 Импульсные стабилизаторы

2.7 Стабилизаторы с двойным управлением

3. Преимущество и область применения

Список используемой литературы

Введение

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.

1. Вторичные источники питания

Приборы этой группы не являются непосредственно измерительными, поскольку они используются в качестве промежуточного звена между объектом измерения и собственно измерительным прибором. К ним относятся измерительные преобразователи, усилители, трансформаторы и стабилизаторы.

Измерительные преобразователи осуществляют получение и первичную обработку информации от контролируемого объекта. Измерительные преобразователи представляют собой четырех- или шестиполюсник, обладающий зависимостью между входной и выходной величинами, заданной с определенной точностью.

Усилители предназначены для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов в сторону малых сигналов. Усилители выпускаются в виде отдельных устройств или блоков

Трансформаторы предназначены для измерения больших переменных и постоянных токов и напряжении путем преобразования их в меньшие токи и напряжения. Особенностью измерительных трансформаторов является нормирование их коэффициента трансформации, погрешность которого в процентах соответствует классу точности трансформатора.

Стабилизаторы предназначены для питания электроизмерительных приборов при их поверке, а также для питания других электрических цепей, требующих высокой стабильности питающего напряжения и токов.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее неизменным напряжение на нагрузке при изменении питающего напряжения сопротивления нагрузки, температуры, окружающей среды и воздействии других дестабилизирующих факторов, способных привести к изменению напряжения на нагрузке.

2. Классификация стабилизаторов напряжения

2.1 Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационным стабилизатором называется стабилизатор, в котором стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения или тока на его регулирующее устройство через цепь обратной связи.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Основными параметрами, с помощью которых оцениваются стабилизаторы, является нестабильность выходного напряжения, выходное сопротивление, уровни пульсации на выходе и входе, температурный коэффициент и КПД.

Нестабильность выходного напряжения характеризуется изменением установившегося выходного напряжения Входное сопротивление стабилизатора, характеризуется отношением изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении. Уровень пульсации напряжения на входе стабилизатора, возникающий при работе самого стабилизатора, характеризует совместимость последнего с другой аппаратурой, питающейся от общего первичного источника. Температурный коэффициент напряжения стабилизатора показывает степень стабильности его выходного напряжения от изменения его окружающей температуры. Коэффициент полезного действия стабилизатора равен отношению мощности, потребляемой нагрузкой, к мощности на выходе стабилизаторам.

Компенсационные стабилизаторы могут работать на переменном или постоянном напряжении и используют принцип непрерывного или импульсного автоматического регулирования стабилизируемого параметра (напряжения или тока).

Существуют 2 основные схемы:

— с последовательным включением регулируемого элемента по отношении к нагрузке.

— с параллельным включением регулируемого элемента.

Рисунок 1. — Структурная схема компенсационного стабилизатора с

последовательным включением регулируемого элемента

Рисунок 2. — Структурная схема компенсационного стабилизатора с

параллельным включением регулируемого элемента

В компенсационном стабилизаторе с последовательным включением регулируемого элемента напряжение на нагрузке Uн сравнивается с опорным напряжением

где — коэффициент усиления. В реальных стабилизаторах источник опорного напряжения (ИОН) питается от выходного стабильного напряжения .

где — внутреннее потребление.

— последовательное включение по отношению к нагрузке РЭ, требует большой пропускной способности по току в стабилизаторах с непрерывным регулированием;

— на РЭ постоянно рассеивается энергия и КПД трудно обеспечить выше 60%.

На практике используют импульсный режим автоматического регулирования. Разгрузить РЭ по току позволяет схема с параллельным включением РЭ по отношению к нагрузке (рисунок 2).

Схема позволяет применить РЭ малой мощности, но ставит добавочное сопротивление (ДС). Схема целесообразна в устройствах малой мощности с импульсным питанием. Приведенные функциональные схемы отражают принципы работы в импульсных стабилизирующих устройствах, обеспечивающие импульсный режим работы.

2.2 Параметрический стабилизатор напряжения

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне, схема которого приведена на рис. 3.

Схема на стабисторе выглядит аналогично с той лишь разницей, что полярность включения стабистора прямая.

Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I_СТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I_СТ.МИН, и больше, чем I_{СТ.МАКС}. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке R_H напряжение, называемое напряжением стабилизации U_СТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации U_CT и его допустимый разброс ?U_CT.

Если напряжение U_ВХ, поступающее на вход стабилизатора (рис. 3), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения U_BX.МИН до наибольшего U_BX.МАКС, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями I_СТ.МИН и I_{СТ.МАКС}, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (U_ВХ/U_ВХ) к относительному изменению напряжения на его выходе (U_ВыХ/U_ВыХ) называют коэффициентом стабилизации (К_СТ).

Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением — r_д.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов r_д.ст=5. 15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель (рис. 4), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации.

Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через U_П.ВХ, а на выходе — через U_П.ВХ, то в соответствии с рис. 4 получим

Общие сведения о стабилизаторах.

1 Классификация стабилизаторов.

2 Параметрические стабилизаторы.

3 Компенсационные стабилизаторы.

4 Гидравлические и пневматические стабилизаторы.

1 Стабилизатор – элемент автоматики, который обеспечивает поддержание какого-либо параметра энергетической цепи на постоянном уровне. В гидравлических и пневматических цепях наиболее часто приходится поддерживать давление. В электрических цепях стабилизируют напряжение, ток, частоту, причем на практике чаще всего стабилизируют напряжение.

Электрические стабилизаторы применяют в системах автоматического регулирования в двух случаях:

1) когда колебание напряжения питания оказывает нежелательное воздействие на изменение параметров элементов автоматики;

2) когда значение регулируемого параметра задается в виде некоторого напряжения.

Качество стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации, показывающим отношение относительного изменения воздействующего фактора к относительному изменению выходного напряжения.

Стабилизаторы принято классифицировать по следующим признакам.

1. По способу осуществления стабилизации

2. По принципу действия:

— параметрические стабилизаторы, работающие не по замкнутому циклу;

— компенсационные стабилизаторы, работающие по замкнутому циклу.

3. По виду исполнительного элемента:

4. По способу включения исполнительного элемента:

5. По мощности:

— маломощные (до 50 Вт);

— средней мощности (до 2 кВт);

— большой мощности (свыше 2 кВт).

2. Параметрический метод основан на применении различных элементов с нелинейными статическими характеристиками, к числу которых относятся активные нелинейные сопротивления (термисторы, бареттеры, стабилитроны) и реактивные нелинейные сопротивления (дроссели с насыщенными ферромагнитными магнитопроводами и конденсаторы с нелинейными диэлектриками).

Параметрические стабилизаторы с активными нелинейными сопротивлениями могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Нелинейные сопротивления по характеру нелинейности разделяют на два типа:

— сопротивления, у которых вольтамперная характеристика имеет участок, где сила тока приблизительно постоянная для некоторых пределов изменения подводимого напряжения,

— сопротивления, с вольтамперной характеристикой, имеющей участок с постоянным падением напряжения для некоторых пределов изменения тока.

К устройствам, имеющим сопротивление первого типа, относятся обычно лампы накаливания и бареттеры. Последние представляют собой стеклянный заполненный водородом баллон, внутри которого размещена проволока из чистого железа. Если бареттер R включить последовательно с нагрузкой R_н (рис.2.4.7, а), то в определенных пределах входного напряжения ток в цепи изменяться будет очень мало.

К устройствам, имеющим нелинейные сопротивления второго типа, относятся полупроводниковые термисторы, позитроны и стабилитроны. Термисторы – полупроводниковые терморезисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом. Позитроны обладают большим положительным температурным коэффициентом. Стабилитрон (полупроводниковый диод-стабилизатор) – это германиевый или кремниевый диод.

Схема включения стабилитрона V показана на рис. 2.4.7,б. Стабилизация выходного напряжения U_вых обеспечивается при изменении выходного напряжения U_вх и при изменении сопротивления нагрузки R_н. Уровень стабилизации не превышает 0,1%.

Параметрические стабилизаторы с нелинейными реактивными сопротивлениями могут применяться в цепях переменного тока. Они обеспечивают более высокий КПД по сравнению со стабилизаторами на активных сопротивлениях. В параметрических стабилизаторах чаще всего применяют дроссели в комбинации с линейными конденсаторами. Они носят название феррорезонансные. Варианты этих стабилизаторов весьма разнообразны. Одна из простейших схем приведена на рисунке 2.4.8.

Дроссель L₁ имеет постоянную индуктивность и работает в насыщенном режиме. Дроссель L₂ работает в нелинейном режиме, поэтому насыщение напряжения на нем приводит к резкому росту тока и, как следствие этого, к увеличению падения напряжения на дросселе L₁. Конденсатор С включается в схему для того, чтобы за счет феррорезонанса достичь насыщения при относительно малых токах.

3 Компенсационный метод основан на применении замкнутых систем регулирования. Компенсационные стабилизаторы могут быть выполнены на лампах и полупроводниках. Однако в последнее время в основном находят применение полупроводники.

Схема простейшего транзисторного стабилизатора (рис. 2.4.9) включает усилительный элемент (транзистор VТ₁) и измерительный элемент (диод VD₂). Через резистор R₁ осуществляется отрицательная обратная связь. При изменении входного напряжения U_вх транзистор VТ₁ препятствует отклонению напряжения U_вых. При увеличении U_вх возрастает ток через диод VD₂, что приводит к росту напряжения на резисторе R₁ и к частичному закрытию транзистораVТ₁, т.е. увеличению падения напряжения.

Значение выходного напряжения практически равно обратному напряжению на стабилизаторе VD₂.

4. Гидравлические и пневматические стабилизаторы применяют для уменьшения отклонения параметров питаемых через них элементов, т.е. для стабилизации давления. Одна из простейших схем стабилизатора давления показана на рис. 2.4.10.

Жидкость (или сжатый воздух) из магистрали поступает на входную полость 1. Оттуда через зазор между корпусом 2 и золотником 3 попадает во входную полость 4, из которой осуществляется непосредственная подача к гидравлическому или пневматическому усилителю (исполнительному механизму). Если выходное давление Р_вых уменьшается, то пружина 5 переместит поршень 7 вниз и увеличит зазор клапана; при повышении давления Р_вых – зазор будет уменьшаться.

С помощью винта 6 можно изменить сжатие пружины 5 и тем самым задавать значение давления Р_вых. Кроме стабилизаторов давления, в гидравлических и пневматических системах, могут применяться стабилизаторы расхода. Однако, как и стабилизаторы тока, их используют значительно реже.

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 455 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

Простейшим стабилизатором является параметрический стабилизатор напряжения на основе стабилитрона, схема которого приведена на рис. 4.8, а.

Рис. 4.8. Параметрический стабилизатор на основе стабилитрона

а — электрическая схема; б— ВАХ стабилитрона; в— диаграммы напряжения

Характеристики стабилизатора зависят от параметров нелинейного элемента — стабилитрона VD. Особенностью ВАХ стабилитрона (рис. 4.8, б) является наличие участка пробоя стабилитрона Uств области отрицательных напряжений, где напряжение не зависит от тока. Каждый стабилитрон имеет свое определенное напряжение пробоя Uпр, которое определяет напряжение стабилизации Uстстабилизатора: Uст» Uпр. Стабилитрон включается по­следовательно с гасящим сопротивлением R и параллельно по отношению к нагрузке (см. рис. 4.8, а). Обычно напряжение на входе стабилизатора превышает напряжение пробоя стабилитрона Uпр(напряжение Uст), поэтому в стабилитроне протекает слабый ток, параллельный току в нагрузке. Эти токи создают падение напряжения DURна сопротивлении R. При этом напряжение на нагрузке Uстбудет меньше входного напряжения Uвхстабилизатора. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, то ток через стабилитрон соответственно также увеличится, что приведет к увеличению падения напряжения на сопротивлении R и гашению избыточного напряжения (рис. 4.8, в). Если напряжение на входе стабилизатора уменьшится, то ток в стабилитроне тоже уменьшится, и соответственно уменьшится падение напряжения на сопротивлении R. В результате напряжение на нагрузке стабилизируется.

При изменении тока в нагрузке часть тока стабилизатора переходит в нагрузку, при этом напряжение на нагрузке (и стабили­троне) остается постоянным благодаря тому, что напряжение на участке пробоя стабилитрона не зависит от тока.

Значение гасящего сопротивления R выбирается в зависимости от значения напряжения стабилизации, требуемого коэффициента стабилизации и мощности нагрузки (обычно в пределах от 6 до 120 Ом). Чем больше сопротивление R, тем выше Кст, но при этом падает выходное напряжение стабилизатора.Особенно сильно Uвыхпадает при повышении тока нагрузки.

Параметры стабилитрона также должны подбираться с учетом требуемого напряжения на выходе стабилизатора и допустимых токов нагрузки. При больших компенсационных токах падает КПД стабилизатора вследствие его нагрева, поэтому необходим радиатор для теплоотвода; при малых токах ограничивается диапазон стабилизации колебаний напряжения.

Из всего сказанного следует, что схемы параметрических стабилизаторов могут применяться только для слаботочных цепей (приборов малой мощности).

Коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов на стабилитронах не превышает 50. Недостатком параметрических стабилизаторов является также невозможность плавного регулирования выходного напряжения и жесткая привязка к входному напряжению.

Вместе с тем параметрические стабилизаторы просты в исполнении и надежны. Они часто используются в любительской и бытовой аппаратуре.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.Для обеспечения высокого коэффициента стабилизации напряжения (Кст> 1000) используют компенсационные стабилизаторы. Такой стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматиче­ского регулирования с обратной связью, в которой выходное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа.

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Данная схема работает следующим образом. Значение выходного напряжения Uвыхздесь сравнивается с эталонным опорным напряжением Uописточника опорного напряжения (ИОН). Сигнал рассогласования DU = Uвых- Uопусиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и воздействует на регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого, как правило, используется транзистор. Внутреннее сопротивление РЭ изменяется под действием сигнала рассогласования и регулирует выходное напряжение, приближая его значение к значению опорного напряжения. Опорное напряжение может иметь более низкое значение по сравнению с выходным. В этом случае устанавливается потенциометр R, с помощью которого выходное напряжение понижается для выполнения сравнения. Этот потенциометр может использоваться и для плавного регулирования стабильного напряжения, подаваемого на нагруз­ку (Н).

Электрическая схема компенсационного стабилизатора последовательного типа на двух транзисторах приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Здесь транзистор VТ1 играет роль регулирующего элемента. Тран­зистор VТ2 является усилителем сигнала рассогласования. Делитель напряжения, служащий для сравнения Uвыхс опорным на­пряжени­ем, строится на резисторах R3, R4. Он обеспечивает плавную регули­ровку напряжения на выходе стабилизатора. Обычно в компенсационных стабилизаторах источником опорного напряжения является дополнительный источник, являющийся также источником питания для транзистора VТ2. Однако в данной схеме напряжение для сравнения фор­мируется за счет падения напря­жения между базой и эмиттером, которое сравнивается с опорным напряжением Uоп, зада­ваемым стабилитроном VD.

Схема работает следующим образом. Пусть напряжение на входе увеличится и составит Uвх+ DUвх. При этом начнет увеличиваться ток через транзистор VТ1,а следовательно, начнет возрастать напряжение на базе транзистора VТ2,что повлечет за собой увеличение запирающего положительного потенциала на базе транзистора VТ1. Ток в нем начнет уменьшаться, приводя к компенсации увеличения входного напряжения. В результате внутреннее сопротивление транзистора VТ1 повысится, компенсируя увеличение напряжения на входе и приводя к стабилизации напряжения на выходе.

При снижении входного напряжения работа схемы происходит в обратном направлении. В этом случае транзистор VТ1 в конечном счете переходит в более открытое состояние, компенсируя падение напряжения на входе и обеспечивая заданное стабильное напряжение на нагрузке.

Аналогично работает схема компенсации напряжения на выхо­де при снижении или увеличении тока нагрузки. Так как снижение тока нагрузки приводит к снижению тока транзистора VТ1 за счет увеличения его внутреннего сопротивления под воздействием кол­лекторного потенциала транзистора VТ2, напряжение на нагрузке остается стабильным. Увеличение же тока нагрузки приводит к увеличению тока транзистора VТ1 за счет обратной связи через транзистор VТ2 и компенсирует падение напряжения на нагрузке. Следовательно, напряжение на нагрузке снова остается стабильным.

Увеличение коэффициента усиления транзистора VТ1 обеспечивает увеличение коэффициента стабилизации напряжения. Однако при больших коэффициентах усиления схема может самовозбуждаться.

Для увеличения коэффициента усиления по току можно заменить транзистор VТ1 составным, т.е. состоящим из двух транзисторов с коэффициентами усиления b1и b2. Коэффициент усиления составного транзистора bс = b1b2. Использование составного транзистора позволяет создавать стабилизаторы напряжения с коэффициентами стабилизации в несколько тысяч.

Рис. 4.11. Структурная (а) и электрическая (б) схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа: R_бал — балластное сопротивление

Структурная схема компенсационного стабилизатора параллельного типа приведена на рис. 4.11, а. В этой схеме также имеются источник опорного напряжения и устройство сравнения с усилителем сигнала рассогласования, но в отличие от схемы последовательного типа регулирующий элемент здесь включен параллельно нагрузке. Схема работает примерно так же, как работает схема на основе стабилитрона: сигнал рассогласования поступает на вход усилителя, а затем на регулирующий элемент, увеличивая или уменьшая ток до тех пор, пока выходное напряжение стабилизатора не сравняется с опорным напряжением.

Электрическая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа на двух транзисторах приведена на рис. 4.11, б. Схема работает следующим образом. Пусть, например, напряжение на входе увеличилось. Следовательно, начнет увеличиваться напряжение на потенциометре, что приведет к увеличению напряжения на базе транзистора VТ2, а значит, и его коллекторного тока, и соответственно коллекторного тока транзистора VТ1, что, в свою очередь, обеспечит стабилизацию напряжения на выходе стабилизатора и нагрузке. Снижение напряжения на входе приведет к уменьшению коллекторного тока в цепи транзистора VТ2 и соответственно уменьшению коллекторного тока транзистора VТ1. Следовательно, напряжение на выходе стабилизируется.

Аналогично реагирует стабилизатор на падение напряжения при уменьшении или увеличении тока нагрузки, стабилизируя выходное напряжение.

Сравнивая стабилизаторы последовательного и параллельного типов, можно отметить, что последние менее экономичны, так как у них есть параллельная цепь с компенсирующим током, не используемым нагрузкой, и они имеют меньший КПД. Однако стабилизаторы параллельного типа устойчивы к влиянию короткого замыкания нагрузки.

В стабилизаторе с регулятором, расположенным последовательно с нагрузкой, при коротком замыкании в нагрузке возникают большие токи в регулирующем элементе, и он разрушается. Однако эта схема все-таки предпочтительнее при больших токах нагрузки, так как в схеме параллельного типа необходимо наличие примерно таких же компенсационных токов. Вместе с тем в по­следовательной схеме необходимо принимать дополнительные меры по защите от коротких замыканий в нагрузке.

Стабилизаторы напряжений с использованием операционных усилителей и микросхем.В схемах компенсационного типа в качестве устройства сравнения и усиления сигнала рассогласования можно использовать ОУ, так как он является усилителем постоянного тока и хорошо подходит для выполнения этих функций. Две электрические схемы стабилизаторов напряжения с использованием ОУ приведены на рис. 4.12.

Питание электронных устройств средней мощности можно осу­ществлять по схеме с транзистором, приведенной на рис. 4.12, а. В этой схеме использованы эмиттерный повторитель на основе транзистора VТ1 и потенциометр R2 отрицательной обратной связи с усилением через операционный усилитель VA. Потенциометр также можно применять для регулировки уровня выходного стабилизированного напряжения. Опорное напряжение в схеме задается стабилитроном VD, включенным последовательно с высокоомным сопротивлением R1.

На рис. 4.12, б приведена схема стабилизации напряжения на выходе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Такая схема может быть использована только для питания слаботочных цепей или в качестве источника опорного напря­жения.

Рис. 4.12. Электрические схемы стабилизаторов напряжения с использованием ОУ и транзистора (а) и с прямым включением ОУ (б)

MOSFET + TL431 = Последовательный компенсационный стабилизатор напряжения с минимальным падением

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.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

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 h21e, 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.

Устройство и принцип действия релейного стабилизатора

Релейный стабилизатор напряжения состоит из следующих основных узлов:

• силовой автотрансформатор – основа стабилизатора, выполняет коррекцию напряжения;
• электронная схема управления – осуществляет измерение параметров питающей сети и самого устройства, управляет работой силовых реле;
• блок силовых реле – выполняет переключение трансформаторных витков таким образом, чтобы обеспечить номинальные выходные параметры напряжения;
• средства мониторинга – светодиодные индикаторы, ЖК-дисплей, популярные интерфейсы для организации удаленного управления и мониторинга.

Автотрансформатор

– это разновидность трансформатора напряжения с электрически связанными первичной и вторичной обмотками. Вторичная обмотка имеет несколько отводов от катушки – выводов, напряжение на которых будет разным при одинаковом значении первичного напряжения. Разность напряжений на выводах секций катушек обусловлена соответствующим коэффициентом трансформации устройства, напрямую зависящим от количества задействованных в преобразовании витков обмотки.

Работа релейного стабилизатора в общих чертах может быть описана следующим образом:

1. Напряжение на входе проходит через фильтр подавления помех и измеряется электронной схемой. Затем показатели сетевого напряжения сравниваются с номинальным значением, которое должно быть на выходе.
2. При недопустимом отклонении значения напряжения в сети от номинального электронная схема формирует сигнал на включение определенных силовых реле, коммутацией которых будет обеспечен необходимый коэффициент трансформации. За счет этого на выходе сформируется значение напряжения, максимально приближенное к номинальному.
3. Электронная схема может остановить работу стабилизатора при возникновении коротких замыканий, токовых перегрузок, длительных импульсов или несоответствии фактического напряжения в сети значениям рабочего диапазона входного напряжения стабилизатора.

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.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Стабилизатор тока на транзисторе

Простейшая конструкция содержит всего два элемента:

• Стабилизирующий диод – стабилитрон;
• Токоограничительный резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема

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, h21e = 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

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 без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Тиристорные стабилизаторы

Данные устройства можно рассматривать как результат развития и усовершенствования дискретного принципа стабилизации. Их конструкция и принцип работы схожи с аппаратами релейной топологии.

Главное различие состоит в том, что переключение обмоток автотрансформатора выполняют не реле, а полупроводниковые силовые ключи – тиристоры, увеличивающие точность стабилизации и делающие работу устройства практически бесшумной.

Преимущества

Исполнительные блоки на базе полупроводниковых элементов не имеют механических деталей и обеспечивают минимальное время реакции на изменение входного напряжения (однако некоторая задержка всё-таки сохраняется).

Кроме бесшумной работы, быстродействия и увеличенной (относительно релейных моделей) точности стабилизации тиристорные стабилизаторы обладают следующими преимуществами:

• долговечность и надежность – полупроводниковые компоненты не подвержены механическому износу и имеют большой рабочий ресурс;
• широкий диапазон сетевого напряжения – возможна работа с большинством предельных отклонений;
• отсутствие генерации электромагнитных помех при работе;
• устойчивость к низким и высоким температурам окружающей среды;
• скромные габариты и небольшой вес;
• высокий КПД — отсутствие обмоток, реле и движимых элементов снижает уровень собственного энергопотребления.

Недостатки

Применение тиристорных ключей не способно полностью исключить основной недостаток дискретного принципа работы – ступенчатые скачки напряжения. Они неминуемо возникают при переключении трансформаторных обмоток и снижают точность стабилизации, повышение которой, как и в релейных моделях, негативно влияет на быстродействие устройства.

Даже самые современные стабилизаторы на полупроводниковых элементах не гарантируют безразрывное электропитание и сигнал идеальной синусоидальной формы. Определённые проблемы могут возникнуть, например, при работе с профессиональным аудио-видео оборудованием – помехи создаваемые при ступенчатом переключении отрицательно скажутся на качестве картинки и звука.

Ещё один минус тиристорных стабилизаторов – чувствительность к перегрузкам, которые могут привести к выходу из строя электронных ключей и дорогостоящему ремонту.