В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент включают последовательно с нагрузочным устройством (рис

В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент включают последовательно с нагрузочным устройством (рис.5.18,а).

Рис.5.18 Стабилизатор тока

В качестве нелинейного элемента применяют прибор, вольтамперная характеристика которого представлена на рис.5.18,6. Как видно, при изменении напряжения от Uвх до U/вх напряжение на нелинейном элементе изменяется от Uнэ до значения U/нэ, а нагрузочный ток Iн, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется.

В параметрических стабилизаторах тока в качестве нелинейного элемента используют биполярные и полевые транзисторы. На рис.5.19 изображена схема стабилизатора тока на полевом транзисторе. Значение стабилизируемого тока определяется резистором Rо. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков.

Рис.5.19. Схема параметрического стабилизатора тока

Компенсационный стабилизатор тока, схема которого приведена на рис.5.20, служит для увеличения коэффициента стабилизации нагрузочного тока Iн.

Рис.5.20. Схема компенсационного стабилизатора тока на биполярных транзисторах

Работа данного стабилизатора тока отличается от работы стабилизатора напряжения тем, что переменный резистор Rper входящий в блок сравнения, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн. Сигнал обратной связи, снимаемый с резистора Rper и пропорциональный изменениям нагрузочного тока Iн, сравнивается с опорным напряжением Uоп и подается на вход усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе T2. В остальном стабилизатор тока действует так же, как и компенсационный стабилизатор напряжения. Изменяя сопротивление Rper можно в некоторых пределах регулировать значение тока Iн.

К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянных напряжения и тока относятся: высокий коэффициент стабилизации (Kст >1000); низкое внутреннее сопротивление (Ri ст ≈ 10-3÷10-4 Ом); практическая безынерционность; отсутствие собственных помех.

Недостатками являются: невысокие значения коэффициента полезного действия, не превышающие 0,5 – 0,6; большая сложность, а следовательно, меньшая надежность по сравнению с параметрическими стабилизаторами; значительные масса, габариты и стоимость стабилизаторов, что объясняется не только наличием большого количества элементов в стабилизаторе, но и применением радиаторов для обеспечения нормального теплоотвода регулирующего мощность транзистора.

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия в интегральном исполнении в настоящее время получили широкое распространение. Такие устройства позволяют по-новому осуществлять питание сложных электронных устройств. Их применяют в качестве индивидуальных стабилизаторов для отдельных блоков и каскадов. В то же время общие источники вторичного электропитания можно выполнять нестабилизированными.

Отечественной промышленностью разработаны и выпускаются несколько специализированных микросхем: К142, К275, К181. ИМС серии К142 содержат компенсационный стабилизатор напряжения с защитой от токовых перегрузок и короткого замыкания в нагрузочных устройствах. ИМС серии К275 позволяют стабилизировать отрицательные напряжения от 1 до 24 В. ИМС серии К181 обеспечивают регулирование и стабилизацию выходного напряжения от 3 до 15 В. На рис.9.23, а изображена принципиальная схема наиболее распространенного стабилизатора напряжения серии К142ЕН.

Стабилизирующее напряжение подается между выводами (14, 16) и 8, а нагрузка подсоединяется к выводам (11, 13) и 8. Источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) состоит из стабилитрона Д1 и полевого транзистора Т1,, являющегося для этого стабилитрона балластным сопротивлением.

Рис.5.21. Принципиальная схема стабилизатора напряжения серии К142ЕН (а)

и его схема включения (б)

Усилитель постоянного тока, состоящий из транзисторов Т3, Т5, собран по дифференциальной схеме. В него входит также транзистор Т4, являющийся динамической нагрузкой транзистора T5. Для согласования параметрического стабилизатора с усилителем постоянного тока к его выходу подключен эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2. Диод Д2 предназначен для температурной стабилизации параметрического стабилизатора.

В качестве регулирующего элемента используется составной транзистор Т6 – Т8. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току. Для этого между выводами 10 и 11 включается резистор R1. Когда нагрузочный ток превысит допустимое значение, на резисторе R1 возникнет падение напряжения. Зарытый ранее транзистор Т9 откроется и своим малым сопротивлением зашунтирует регулирующий транзистор Т6, тем самым отключив его.

Если надо внешним сигналом выключить стабилизатор, то управляющее положительное напряжение подают на базу транзистора Т7, с вывода 9 через диод Д3. Закрытый до этого транзистор Т7, откроется и закроет регулирующий транзистор Т6.

На рис.5.21,б представлена схема включения стабилизатора напряжения серии К142ЕН. В этой схеме конденсаторы C1 и С2 включены для устранения самовозбуждения стабилизатора. Емкости конденсаторов обычно подбирают при настройке стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора регулируют резисторами R1, R2, R3.

Стабилизаторы серии К142ЕН подразделяют на три основных типа:

1) с регулируемым значением выходного напряжения – К142ЕН1 – К142ЕН4;

2) с фиксированным значением выходного напряжения – К142ЕН5;

3) с двуполярным входным и выходным напряжениями – К142ЕН6.

Коэффициент стабилизации этих стабилизаторов лежит в пределах от 40 до 200.

Стабилизаторы серии К142ЕН различают также:

1) по выходному стабилизированному напряжению: 3 ÷12 В – К142ЕН1А; 12 ÷ 30 В – К142ЕН1Б; 5 В ± 1% - К142ЕН5А; 6В ± 1% - К142ЕН5Б;

2) по максимальному значению нагрузочного тока: 0,15 А – К142ЕН1.2; 0,4 А – К142ЕН6; 1,0 А – К142ЕН3.4; З А – К142ЕН5.

Конструкция микросхемы серии К142 позволяет устанавливать их на теплоотводящий радиатор, благодаря чему увеличивается максимально допустимая мощность, рассеиваемая стабилизатором. Для увеличения выходной мощности и нагрузочных токов допускается включение внешнего мощного регулирующего транзистора.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН) в последнее время получают все большее распространение, так как они имеют высокий коэффициент полезного действия, достигающий значений 0,8 – 0,85, а также меньшие габариты и массу. На рис.5,22 а приведена структурная схема ИСПН. Как и компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, ИСПН является устройством, в котором применяется отрицательная обратная связь, ослабляющая изменения выходного напряжения или нагрузочного тока.

Рис.5.22 Структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (а), временные диаграммы выходного

напряжения (б)

Отличием ИСПН от компенсационного стабилизатора является работа регулирующего элемента РЭ – транзистора – в режиме ключа, когда транзистор либо открыт, либо закрыт.

Рис.5.23 Принципиальная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения

Именно режим ключа позволяет получить очень высокий коэффициент полезного действия. Действительно, мощности потерь Ркп в таком режиме приближаются к нулю: в открытом и закрытом состояниях транзистора падение напряжения на нем Uкэ и ток через него Iк близки к нулю. Следовательно, мощность Ркп = Uкэ Iк тоже близка к нулю. Малая рассеиваемая мощность Ркп позволяет отказаться от теплоотводящих радиаторов, что уменьшает массу и габариты стабилизаторов.

Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы uкл (рис.5.22, б). Для последующего преобразования таких импульсов в постоянное напряжение служит сглаживающий фильтр Ф (рис.5.22,а). Регулирующий элемент и сглаживающий фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которую осуществляют блок сравнения БС и импульсный блок ИБ. В блоке сравнения выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Получающееся при этом разностное напряжение воздействует на импульсный блок, который вырабатывает управляющие импульсы разной длительности или частоты следования, управляющие работой регулирующего элемента. Изменения длительности импульсов или частоты их следования позволяет поддерживать выходное напряжение неизменным при изменениях как входного напряжения стабилизатора, так и нагрузочного тока.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующего элемента подразделяют на релейные (или двухпозиционные) и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Подробно работа ИСПН рассматривается на примере релейного стабилизатора, схема которого изображена на рис.5.23. В этом стабилизаторе в блоке сравнения функции сравнения эталонного (опорного) напряжения с выходным напряжением стабилизатора совмещены с функциями релейного устройства. Те и другие функции выполняет стабилитрон Д1.

Релейное устройство через транзисторы Т2, Т2, принадлежащие импульсному блоку, управляет регулирующим элементом – транзистором T1. В качестве сглаживающего фильтра в ИСПН чаще всего используют Г-образные LC-фильтры, так как при этом достигается наибольший к.п.д. стабилизаторов. Такой фильтр, состоящий из дросселя Lф и конденсатора Сф, применяется и в рассматриваемом стабилизаторе.

Релейный стабилизатор со стабилитроном работает таким образом. При подаче постоянного входного напряжения Uвх регулирующий транзистор Т1 открывается. Благодаря наличию индуктивной катушки Lф, ток через которую не может изменяться скачком, напряжение на выходе стабилизатора будет постепенно увеличиваться. Соответственно в блоке сравнения начнет увеличиваться напряжение ßUвых, где ß – коэффициент деления резистивного делителя R8R9R10. При некотором значении этого напряжения стабилитрон Д1 открывается, что приводит к отпиранию транзистора Т3 и запиранию транзистора Т2, так как транзистор Т3 закорачивает его вход. В свою очередь, транзистор Т2 запирает регулирующий транзистор Т1. После этого напряжение на выходе стабилизатора и в блоке сравнения начинает уменьшаться. При определенном значении ßUвых стабилитрон Д1 закрывается, что приводит к запиранию транзистора Т3 и отпиранию транзисторов Т2, Т1. Далее все процессы повторяются.

Изменения выходного напряжения из-за воздействия дестабилизирующих факторов приводят к соответствующим изменениям длительности закрытого и открытого состояний регулирующего транзистора Т1, в результате среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться с определенной степенью точности.

При снижении тока в импульсах, вырабатываемых транзистором Т1, в дросселе возникает э.д.с. самоиндукции, которая может вызвать перенапряжение на транзисторах и вывести их из строя. Для предотвращения этого включают диод Д2, через который гасится возникающая э.д.с. самоиндукции.

Очень часто вместо стабилитрона в качестве релейного элемента используют триггер. ИСПН, в которых применяется триггер, имеют более низкую амплитуду пульсаций выходного напряжения, чем ИСПН со стабилитроном. Это объясняется тем, что пороговое напряжение срабатывания триггера меньше, чем у стабилитрона.

Основным преимуществом всех релейных ИСПН является их высокое быстродействие, а существенным недостатком - относительно большая амплитуда пульсаций выходного напряжения. Эти пульсации не могут быть сведены к нулю, так как переключения релейных элементов возможны только при изменениях выходного напряжения.

В стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией в импульсном блоке имеется генератор импульсов ГИ. Существует два типа стабилизаторов с ШИМ. В первом из них, структурная схема которого изображена на рис.5.24, а частота генерируемых импульсов определяется элементами генератора импульсов ГИ, а длительность импульсов и пауз изменяется в зависимости от постоянного напряжения, подаваемого на ГИ с выхода блока сравнения БС.

В стабилизаторах второго типа (рис5.24, б) генератором импульсов ГИ является генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, у которого пилообразные импульсы uг генерируются с постоянной частотой повторения. Напряжение ΔU = Uoп – ßUвых в блоке сравнения непрерывно сравнивается с линейно изменяющимся напряжением uг(t) (рис.5.24,б).

Рис.5.24 Структурные схемы импульсного стабилизатора постоянного напряжения с широтно-

импульсной модуляцией первого типа (а), второго типа (б) и временные диаграммы,

поясняющие работу ИСПН второго типа (в)

Таким образом, управляющие импульсы uу имеют разную длительность при неизменной частоте повторения импульсов. Под воздействием управляющих импульсов регулирующий элемент РЭ в стабилизаторах с ШИМ переключается и в зависимости от длительности импульсов и пауз изменяется среднее значение напряжения на выходе фильтра, в результате чего обеспечивается постоянство выходного напряжения стабилизатора в заданных пределах.

Преимуществом стабилизаторов с ШИМ являются значительно меньшие пульсации выходного напряжения, чем в релейных стабилизаторах, которые, могут быть принципиально сведены к нулю, так как импульсный блок управляется постоянным напряжением, снимаемым с выхода блока сравнения. Основным недостатком стабилизаторов с ШИМ по сравнению с релейным стабилизатором следует считать меньшее быстродействие.

Ранее отмечались преимущества ИСПН по сравнению с параметрическими и компенсационными стабилизаторами: высокий к.п.д., меньшие габариты и масса. Последние два преимущества достигаются за счет увеличения частоты переключений регулирующего транзистора. Эта частота обычно лежит в диапазоне 2 – 50 кГц. Однако необходимо отметить, что увеличение частоты обусловливает рост мощности потерь в регулирующем транзисторе, индуктивной катушке сглаживающего фильтра и некоторых других элементов, что приводит к снижению к. п. д.

Поэтому при выборе частоты переключений приходится решать задачу поиска оптимального решения: с одной стороны, к.п.д. должен быть наибольшим, а с другой – масса и габариты должны быть наименьшим.