Стабилизаторы напряжения и тока.

Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматический обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Дестабилизирующие факторы:

1) колебание напряжения сети (от +5% до -15%)

2) температура окружающей среды.

Классификация стабилизаторов по признакам:

1) по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока;

2) по способу стабилизации – параметрические и компенсационные;

При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной ВАХ, имеющей пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов (стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания, транзисторы). При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования входного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Параметры стабилизации:

1. Коэффициент стабилизации по напряжению
2. Коэффициент стабилизации тока
3. Внутреннее сопротивление стабилизатора. Определяет падение напряжения на стабилизаторе.
4. Напряжение на выходе U_н=U_ст

КПД

Параметрический стабилизатор напряжения

С помощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер.

Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения легко объяснить по ВАХ стабилитрона и «опрокинутой» ВАХ R_б.

При увели­чении напряжения U_вх1 (положение 1) на ΔU_вх1, например из-за повы­шения напряжения сети, вольт-ам­перная характеристика резистора R₆ переместится параллельно самой себе и займет положение 2. Из рисункавидно, что напряжение (U_ст2 мало отличается от напряжения U_ст1, т. е. практически напряжение на стабили­троне и на нагрузочном резисторе R_б останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока I_н.

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопро­тивление резистора R₆ должно быть таким, чтобы его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току ста­билитрона I_ст._ном, значение которого указано в паспортных дан­ных стабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора на­пряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30÷50.

I_ст.min – минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон, при котором обеспечивается режим стабилизации.

I_ст.max – максимально допустимый ток, протекающий через стабилитрон.

U_ст.ном – номинальное напряжение, на которое рассчитан данный стабилитрон.

Ток через стабилитрон задают, исходя из условия:

Основными достоинствами параметрических стабилизаторов на­пряжения являются простота конструкции и надежность работы.

К недостаткам следует от­нести небольшой коэффи­циент полезного действия, не превышающий 0,3, боль­шое внутреннее сопротив­ление стабилизатора (5—20 Ом), а также узкий и нерегулируемый диапа­зон стабилизируемого на­пряжения.

Параметрический стабилизатор тока.

В параметрических стабилизаторах токанелинейный элемент вклю­чают последовательно с нагрузочным устройством. Рассмотрим ВАХ применяемого в качестве нелинейного элемента прибора. Как видно, при изменении напряжения от U_BX до U'_BX напряжение на нелинейном элементе изменяется от U_нэ до значения U'_нэ, а нагрузочный ток I_н, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется.

В параметрических стабилизаторах тока в качестве нелинейно­го элемента используют биполярные и полевыё транзисторы. Значение стабилизируемого тока определяется резистором R₀. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков. (30÷50).

Компенсационные стабилизаторы.

Компенсационный стабилизатор состоит из блока сравненияБС, в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного токаУ и регулирующего элемента (транзистора)РЭ.

1) Стабилизатор непрерывного действия.

В этом стабилизаторе в блок сравненияБС входят параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитронаД и резис­тораR₆, и резистивный делительR₁R₂R₃. Усилителем постоянного тока является усилитель на маломощном транзисторе Т₂ и резисто­реR_K. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзисторТ₁. В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагру­зочном резисторе U_н (или части его) с опорным напряжением U_oп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока I_н напряжение U_н повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения U_н, равная βU_н (β— коэффициент деления резистивного делителя R₁R₂R_3, ), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжениемU_оп, снимаемым с параметрического стаби­лизатора. Так как опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂ из-за увели­чения напряжения βU_н уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т₂ снижается. Это приводит к уменьшению напря­жения между базой и коллектором транзистора Т₁, что равносильно увеличению его сопротивления. Вследствие этого падение напряже­ния на транзисторе Т₁ возрастает, благодаря чему напряжениеU_н приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R₂ осуществ­ляется регулирование напряженияU_н.

К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянных напряжения и тока относятся: высокий коэффициент стабилизации (К>1000); низкое внутреннее сопротивление; отсутствие собственных помех.

Недостатками являются: невысокие значения коэффициента по­лезного действия, не превышающие 0,5—0,6; большая сложность, следовательно, меньшая надежность по сравнению с параметриче­скими стабилизаторами; значительные масса, габариты и стоимость стабилизаторов.

2) Импульсный стабилизатор

По способу управления регулирующего элемента делится на:

а) Релейные (двухпозиционные):

РЭ – регулирующий элемент

Ф – фильтр

БС – блок сравнения

ИБ – импульсный блок

б) Широтно-импульсной модуляции

ГИ – генератор импульсов

ГЛИН – генератор линейно изменяемого напряжения