Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного

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

Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока Iн, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока.

Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и так далее. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше. Так, для УПТ и некоторых измерительных электронных приборов нестабильность питающего напряжения не должна превышать 10-4%.

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

1. по роду стабилизируемой величины - стабилизаторы напряжения и тока;
2. по способу стабилизации - параметрические и компенсационные стабилизаторы.

В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющей пологий участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (тока) обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения (тока) 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.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора Uвх и нагрузочный ток Iн.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению определяется:

КстU = (ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых),

где ΔUвх и ΔUвых – приращения входного и выходного напряжений, а Uвх и Uвых – номинальные значения входного и выходного напряжений.

Для стабилизатора тока коэффициент стабилизации тока:

КстI = (ΔUвх/Uвх)/(ΔIн/Iн),

где ΔIн и Iн – соответственно приращение и номинальное значение нагрузочного тока.

Помимо коэффициента стабилизации стабилизаторы характеризуются такими параметрами, как внутреннее сопротивление Ri ст и коэффициент полезного действия ŋст Значение внутреннего сопротивления стабилизатора Ri ст позволяет определить падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжение на нагрузочном устройстве Uн при изменениях нагрузочного тока.

Коэффициент полезного действия стабилизатора ŋст характеризует мощность потерь в нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:

ŋст = Рн/(Рн + Рп),

где Рн – полезная мощность в нагрузочном устройстве; Рп – мощность потерь.

В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых стабилизаторов.

По методу стабилизации стабилизаторы разделяются на параметрические и компенсационные.

###

### 5.4.1 Стабилизаторы напряжения

Параметрические стабилизаторы напряжения. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис.5.15,а. 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. Если необходимо стабилизировать напряжения менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы.

Рис.5.15 Схема параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом

стабилитроне (а) и пояснение принципа действия параметрического

стабилизатора (б)

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору Rн. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор Rб. Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснять с помощью рис.5.15,б, на котором изображены вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона и «опрокинутая» вольтамперная характеристика резистора Rб. Такое построение вольтамперных характеристик, как известно из курса электротехники, позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжения:

Uвх1 = Uст1 + RбIст2.

При увеличении напряжения Uвх1 (положение 1) на ΔUвх, например, из-за повышения напряжения сети, вольтамперная характеристика резистора Rб переместится параллельно самой себе и займет положение 2. Из рис.5.15, б видно, что напряжение Uст2 мало отличается от напряжения Uст1, т. е. практически напряжение на стабилитроне и на нагрузочном резисторе Rн останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока Iн.

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора Rб, должно быть таким, чтобы его вольтамперная характеристика пересекала вольтамперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона Iст. ном, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.

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

Для повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов. Параллельное же включение стабилитронов с целью повышения нагрузочного тока не допускается. Это объясняется тем, что из-за разброса параметров срабатывание стабилитронов не может произойти одновременно, так как один из них обязательно включится раньше другого.

Следовательно, напряжение на обоих стабилитронах снизится одновременно и второй стабилитрон при сниженном напряжении уже не сможет включиться.

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.

Компенсационные стабилизаторы напряжения. Эти стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности.

Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схем. В настоящее время компенсационные стабилизаторы создают на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении. Аналогично параметрическому стабилизатору, компенсационный стабилизатор включают между сглаживающим фильтром и нагрузкой.

Компенсационные стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные. Любой компенсационный стабилизатор (рис.5.16) состоит из блока сравнения БС, в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока У и регулирующего элемента (транзистора) РЭ.

Рис.5.16 Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

На рис.5.17, а изображена схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения на дискретных полупроводниковых приборах.

Рис.5.17 Схема компенсационного стабилизатора напряжения на биполярных

транзисторах (а) и операционном усилителе (б)

В этом стабилизаторе в блок сравнения БС входят параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резистора Rб и резистивный делитель R1R2R3. Усилителем постоянного тока является усилитель на маломощном транзисторе Т2 и резисторе Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор T1. В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузочном резисторе Uн (или части его) с опорным напряжением Uоп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока Iн напряжение Uн повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения Uн, равная ßUн (ß – коэффициент деления резистивного делителя R1R2R3) и являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп,, снимаемым с параметрического стабилизатора. Так как опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 из-за увеличения напряжения ßUн 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 напряжение Uн приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R2 осуществляется регулирование напряжения Uн.

В последнее время для повышения коэффициента стабилизации вместо усилителя на транзисторе Т2 в стабилизаторах применяют интегральный операционный усилитель (рис.5.17,б), коэффициент усиления которого значительно больше коэффициента усиления усилителя на транзисторе Т2. Это позволяет получить коэффициент стабилизации, равный нескольким тысячам. В рассматриваемом стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходного напряжения снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения.