Стабилизаторы напряжения
Стабилизаторы предназначены для стабилизации какого-нибудь параметра в электронной схеме, например, напряжения, тока, температуры и т.д.
В источниках питания электронных устройств часто используется стабилизатор напряжения. В блоках питания аккумуляторов используются стабилизаторы тока.
Все стабилизаторы и регулирующие устройства могут быть параметрическими, компенсационными.
Стабилизаторы бывают также линейными и импульсными. В линейных стабилизаторах регулирующий элемент работает постоянно и рассеивает мощность также всё время работы. В импульсных (ключевых) стабилизаторах регулирующий элемент открывается на короткое время, поэтому рассеиваемая мощность у них мала и КПД высокий.
В параметрических стабилизаторах используются свойства нелинейных элементов, например стабилитронов, терморезисторов, транзисторов и т.д.
а) б)
Рис.1. Схема параметрического стабилизатора напряжения.
Работа и параметры схемы.
При включении источника питания создаётся следующая цепь: «+» Eпит – R1 – VD1 – «-» Eпит. R1 называется балансным резистором, он ограничивает ток через стабилитрон, чтобы рабочая точка «О» не вышла в зону теплового пробоя. При так как стабилитрон подключен к нагрузке параллельно, то в этом участке схемы работает первый закон Кирхгофа общий ток IR1=Iст мин+Iн<Iст макс. Поэтому R1=[ Uвх(1 – aмин – a~) – Uвых]/(Iн макс +Iст мин), где: aмин – относительное отклонение входного напряжения в сторону понижения, a~ – коэффициент пульсаций на входе стабилизатора.
Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/ (ΔUвых /Uвых)= R1·Uвых/(rст·Uвх), где rст=- Δ Uвых/ΔIн.
Достоинства параметрических стабилизаторов:
- простота схемы;
- малые габариты и вес.
Недостатки параметрических стабилизаторов:
- малый коэффициент стабилизации;
- малый КПД стабилизатора
Все стабилизаторы, регулирующие устройства компенсационного типа строятся по следующей функциональной схеме см. рис.3.
Работа схемы.
Схема компенсационного стабилизатора состоит из следующих функциональных блоков: эталонного источника напряжения, датчика регулируемой величины, устройства сравнения, усилителя и регулирующего элемента (транзистор, тиристор). Эталонный источник генерирует, как правило, постоянное напряжение строго постоянной величины, например, 1,2 В. Устройство сравнения (компаратор) сравнивает величину эталонного напряжения с напряжением на с выхода датчика регулируемой величины, в данном случае анпряжения на нагрузке. В случае неравенства этих напряжений, выдаёт напряжение рассогласования с учётом величины и направления рассогласования. Это напряжение усиливается усилителем и подаётся на вход регулирующего элемента. Если напряжение на нагрузке увеличилось (стало выше эталонного), то компаратор выдаст напряжение выше номинального, усилитель его усилит и сменит фазу, регулирующий элемент увеличит своё сопротивление. В результате выходное напряжение стает равным эталонному. Если выходное напряжение уменьшилось, то уменьшится и выходное напряжение компаратора, на выходе усилителя напряжение увеличится (смена фазы) и регулирующий элемент уменьшит своё сопротивление. Напряжение на нагрузке увеличится.
Рис. 1. Функциональная схема регулирующего устройства.
Практическая схема простого линейного компенсационного стабилизатора представлена на рис.3.
Рис. 3 Транзисторный стабилизатор компенсационного типа.
Работа схемы
Определим на схеме, показанной на рис. 3, все блоки функциональной схемы регулирующего устройства: регулирующим элементом и одновременно усилителем является транзистор VT1, источником эталонного напряжения – стабилитрон VD1, датчиком регулируемой величины (напряжения на нагрузке) является сам резистор нагрузки. Роль устройства сравнения (компаратора) играет электрическая цепь:база VT1 - стабилитрон VD1 – резистор Rн – эмиттер VT1.
Как мы знаем биполярный транзистор управляется током базы Iб, но Iб = Uбэ/h11к. Тогда согласно второму закону Кирхгофа можно составить выражение Uст = Uбэ+ Uн, отсюда Uбэ = Uст - Uн. Мы помним, что для усилительного режима работы кремниевого транзистора на базе необходимо создать Uбэ0 =0,66 В, тогда полученное выражение можно немного преобразовать Δ Uбэ +Uбэ0 = Uст - Uн, то есть Δ Uбэ = Uст-Uбэ0 - Uн. Это означает, что для работы данной схемы стабилизатора необходимо. Чтобы эталонное напряжение Uст было больше напряжения на нагрузке Uн на 0,66 В.
Проанализируем работу стабилизатора.
Предположим, что напряжение на нагрузке уменьшилось, тогда Δ Uбэ будет иметь некоторую величину и со знаком «+». Следовательно, Iб увеличится, Iэ = (h21э+1)·Iб - увеличится и падение напряжения на нагрузке увеличится.
Если напряжение на нагрузке увеличится, то Δ Uбэ будет иметь некоторую величину и со знаком «-». Следовательно, Iб уменьшится, Iэ = (h21э+1)·Iб увеличится и падение напряжения на нагрузке уменьшится.
Достоинства:
- большой коэффициент стабилизации:
- большой коэффициент сглаживания пульсаций;
- возможность плавного регулирования выходного напряжения.
Недостатки:
- большая сложность схемы;
- большая рассеиваемая мощность на регулирующем транзисторе;
- недостаточный КПД.