Стабилизаторы напряжения
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра систем телекоммуникаций
РЕФЕРАТ
На тему:
«Стабилизаторы напряжения»
МИНСК, 2008
СТ характеризуются
следующими параметрами (рис. 1, а):
максимальное (оно же номинальное)
выходное напряжение U>2
>>m>>ах>
, диапазон его регулирования и допустимая
относительная нестабильность
;
максимальный (он же номинальный) ток I>Н>
нагрузки и диапазон его изменений I>Н>
(обычно принимают I>Н
>>min>>
>= 0 и I>Н
>= I>Н
>>max>>
>, иначе СТ может выйти из
строя при холостом ходе или в моменты
включения при индуктивном характере
нагрузки); выходное сопротивление
;
коэффициент стабилизации
коэффициент полезного действия
(U>1
ном >, I>1
ном> – номинальные входные
напряжение и ток). Временной (температурный)
дрейф характеризуют абсолютным либо
относительным изменением выходного
напряжения за определенное время (в
определенном диапазоне температур).
а
б
Рис. 1. Функциональные схемы
cтабилизатров напряжения:
а – общая; б – параллельного типа
СТ бывают параллельного и последовательного типов. Параллельный СТ (рис.1, б) содержит регулирующий 1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и усилительный элемент 2. В нем при пренебрежении током через внутреннее сопротивление R>i> элемента 1 выполняется условие
,
откуда [4]
,(1)
где I>У >, I>Р >, I>Н >, U>1 >, U>2> – приращения (изменения) соответственно токов сравнивающего, регулирующего элементов и нагрузки, входного и выходного напряжений.
В реальных СТ I>У
><< I>Р>.
С учетом этого при U>1
>= U>2>
= 0 (неизменное входное и идеальная
стабилизация выходного напряжений)
следует I>Р
>= – I>Н
>, т.е. токи нагрузки и
регулирующего элементов изменяются
противоположно. Если же I>Н
>= const,
то
– изменение тока прямо пропорционально
приращению напряжения U>1>.
Из этого вытекает, что минимальный ток
I>Р
>>min>
регулирующего элемента соответствует
максимальному току I>Н
>>max>
нагрузки и минимальному входному
напряжению U>1
>>min>>
>. Тогда при
.
Очевидно, I>Р ном >>> I>Р >>min>, если сопротивление R>0> СТ мало. Максимальный ток I>Р >>max> , по которому подбирают элемент 1, соответствует режиму холостого хода и напряжению U>1 max >:
где I>1 >>min>> >= I>Р >>min> + I>Н> >max>> >– минимальный входной ток параллельного СТ.
Полагая U>1
>= 0, подставляя
и
,
приходим к выражению для выходного
сопротивления СТ
, (2)
где
– так называемое характеристическое
сопротивление, равное выходному
сопротивлению активной части СТ (при
);
R>У> – суммарное входное сопротивление элемента 2 с учетом элемента 3;
K>i> – суммарный коэффициент усиления тока элементов 2 и 1.
Часто
.
Тогда
.
Подставляя
,
и
,
можно получить
. (3)
В большинстве случаев
,
поэтому
,
т.е. для увеличения коэффициента
стабилизации надо уменьшать
характеристическое сопротивление. Это
же необходимо для снижения выходного
сопротивления. Требуемое достигают
повышением коэффициента K>i>
усиления.
На практике часто применяют
простейший параллельный СТ напряжения,
называемый параметрическим (рис. 2, а).
Стабилитрон VD
совмещает функции опорного и регулирующего
элементов. Колебания напряжения U>1
>или тока I>Н>
приводят к изменению тока I>д>
= I>ст
>, но напряжение U>2
>=> >U>ст>
изменяется незначительно: U>ст>
const.
Поэтому U>1
>= U>R>>0>
и
,
где U>1
>, U>R>>0
>, I>ст>
– изменения соответственно напряжений
U>1>,
U>R>>0>
и тока I>ст>
стабилитрона; R>0
>– балластное сопротивление
(рис. 2, в).
а б
в
Рис. 2. Параметрические
стабилизаторы напряжения:
а, б – схемы; в – характеристики
Для рассматриваемого диодного СТ справедливы соотношения (1 – 2) при K>i> = 0 и
,
где r>д>
– дифференциальное сопротивление
стабилитрона, который подбирают исходя
из значений напряжения U>2
>и тока I>Н
>. Очевидно, при K>i>
= 0
=
r>д>,
т.е. в диодных СТ характеристическое
сопротивление является величиной
заданной. Соответственно
и
.
Ток I>ст
>>min>
выбирают в пределах 2…3 мА для маломощных
и 3…5 мА для мощных стабилитронов.
Сопротивление r>д
>, зависящее от тока I>ст
>, принимают равным
номинальному (среднему) значению. Исходя
из допустимого тока I>ст
доп >оценивают максимальный
ток нагрузки.
Диодные СТ просты и надежны, но их недостатками являются невозможность регулировки выходного напряжения и невысокий коэффициент стабилизации (порядка 15…50), особенно при больших токах нагрузки I>Н> > I>ст ном >. Возможный способ увеличения параметра K – применение каскадных схем (рис. 2, б). Расчет такого СТ выполняется “справа налево”. Выходное сопротивление определяется стабилитроном VD2. Диодные СТ применяются в основном в качестве источников опорного напряжения в более мощных СТ и для питания слаботочных схем, например, цепей смещения. В этом случае удается обеспечить условие I>Н >>max>> > I>ст >>min>> >, при котором стабильность может быть приемлемой. Температурный и временной дрейф параметрического СТ такой же, как у отдельного стабилитрона. В широком интервале температур дрейф напряжения U>2 >доходит до 10% и более, т.е. намного превышает нестабильность напряжения U>1 >и тока I>Н >. Анализ показывает, что однокаскадный параллельный СТ (содержит однокаскадный регулирующий элемент) не имеет преимуществ перед диодным, а двухкаскадный (с двухкаскадным регулирующим элементом) уступает двухкаскадному последовательному СТ.
Последовательный СТ
(рис.3) напряжения содержит регулирующий
1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и
усилительный элемент 2. В нем выполняется
условие
(R>i>
– внутреннее сопротивление элемента
1), откуда для приращений
. (4)
Рис. 3. Функциональная схема стабилизатора напряжения последовательного типа
В реальных СТ I>У ><< I>Н >. С учетом этого при U>1 >= U>2> = 0 следует I>Р >= I>Н >, т.е. ток регулирующего элемента повторяет изменение тока нагрузки. Если же I>Н >= const, то
– изменение тока элемента 1 противоположно
изменению тока через сопротивление R>i>,
которым принципиально нельзя пренебрегать.
Из этого следует, что в последовательном
СТ максимальный ток I>Р
>>max>
регулирующего элемента соответствует
максимальному току I>Н
>>max>
нагрузки и минимальному входному
напряжению U>1
>>min>.:
(часто с запасом принимают
).
Последовательный СТ не может работать
в режиме холостого хода (в этом случае
I>Р>
< 0). Для нормального функционирования
через элемент 1 должен протекать
минимальный (остаточный) ток
.
Ток I>Н
>>min>
обеспечивают подключением на выходе
постоянного сопротивления (шунта). Тогда
по отношению к внешней нагрузке холостой
ход допустим, но под током I>Н
>>max>
надо понимать сумму токов собственно
нагрузки и шунта I>Ш>
= I>Н
>>min>>
>. В рабочем режиме напряжение
на регулирующем элементе U>Р
>= U>1>
– U>2
>. Но в момент включения
(с учетом емкости на выходе) и при коротком
замыкании U>Р
>= U>1
>, из-за чего регулирующий
элемент выбирают из условия U>Р
>>max>>
>= U>1
>>max>>
>.
Полагая в (3) U>1
>= 0,
и
,
имеем
, (4)
где параметры
,
R>У
>, K>i>
аналогичны параметрам параллельного
СТ, а подставляя сюда же
и те же I>Р>
и I>У
>, находим коэффициент
стабилизации
. (5)
В последовательных СТ,
как и в параллельных,
.
Поэтому
.
Из-за неидеальных свойств регулирующего
элемента
,
и коэффициент стабилизации имеет
конечное значение.
Однокаскадный последовательный СТ и его малосигнальная эквивалентная схема приведены на рис. 4, а, б. Усилительная часть представлена транзистором VT, опорная – стабилитроном VD, стабилизированным напряжением Е>0 >и балластным сопротивлением R>0 >. По-существу, СТ представляет собой эмиттерный повторитель, потенциал базы которого стабилизирован, а напряжение коллекторного питания изменяется в широких пределах.
Сравнивая схемы рис. 3 и
рис. 4, а, б, устанавливаем:
,
,
,
=
,
где r>Э
>, r>Б
>,
,
– параметры транзистора VT
в схеме с ОЭ; r>д>
– дифференциальное сопротивление
стабилитрона VD.
Количественные расчеты показывают, что
при средних значениях параметров
транзисторов средней мощности
= 5 кОм, r>Б>
= 20 Ом,
= 30, I>К>
= 0,25 А и r>д>
= 10 Ом выходное сопротивление и коэффициент
стабилизации примерно равны 1 Ом и 125
раз. Величина K
приемлема, но R>вых>
сравнительно велико и ограничивает
максимальный ток нагрузки в однокаскадном
СТ.
В рассматриваемом СТ
напряжение Е>0 >предполагалось
абсолютно постоянным. На практике
диодный СТ питается от того же источника.
Обозначив Е>0
>= hU>1
>(h
< 1) и включив этот источник переменного
напряжения последовательно с сопротивлением
R>0
>, можно показать, что
коэффициент стабилизации уменьшается
в (1+
)
раз. Наиболее часто балластное
сопротивление R>0
>подключают ко входу СТ
напрямую, что резко снижает значение
K.
Действительно, в этом случае изменения
выходного и опорного напряжений примерно
одинаковы (изменением напряжения база
– эмиттер транзистора VT
пренебрегаем). Поэтому коэффициент
стабилизации СТ близок к аналогичному
опорной части, который по причине
небольшого значения R>0>
(100…300 Ом) не превышает 10…20.
Основной недостаток
однокаскадного последовательного СТ
– сравнительно большое выходное
сопротивление. Лучшие свойства имеет
двухкаскадный СТ (рис. 4, в), в котором
транзистор VT1
является регулирующим элементом, а
транзистор VT2 – сравнивающим и
усилительным. В этом случае
,
,
и
=
,
где I>К1>,
>1>
– ток коллектора транзистора VT1
и коэффициент передачи его тока в схеме
с ОЭ; R>вх2
>, r>Б2
>, r>Э2
>, >2>
– входное сопротивление и параметры
транзистора VT2;
r>д>
– дифференциальное сопротивление
стабилитрона VD.
Например, при I>К2
>= 10 мА, r>Б2
>= 50 Ом, >1
>= >2
>= 30 и r>д>
=10 Ом имеем R>вых>
0,15 Ом. Выигрыш по сравнению с однокаскадной
схемой значительный. Соответственно
возрастает и коэффициент стабилизации:
K
1000.
а б
в г
д е
Рис. 4. Схемы последовательных стабилизаторов на дискретных элементах
Обычно минимальный ток стабилитрона VD превышает ток I>Б2 >транзистора VT2. Поэтому вводят дополнительное смещение с помощью сопротивления R>д >от ИП напряжением –Е>д> (показано пунктиром):
(I>д>
(I>R>>д>)
– ток стабилитрона (через сопротивление
R>д>)).
Для исключения токопроводящей цепи
стабилитрон VD
включают в цепь эмиттера транзистора
VT2,
а базу последнего соединяют с выходом
СТ (см. рис. 4, в). В такой схеме транзистор
VT2
работает при низком напряжении коллектор
– база U>КБ2>
= U>БЭ1
><< U>2>,
что является дополнительным преимуществом.
Недостаток – повышенное входное
сопротивление
.
Из-за этого возрастает выходное
сопротивление
,
что снижает коэффициент стабилизации,
по сравнению с базовым включением, в
три с лишним раза.
Типовые значения параметров двухкаскадных последовательных СТ составляют R>вых >= 0,1…0,5 Ом, K = 200…800 и I>Н> = 0,2…0,5 А. В случае бóльших токов (мощностей) и повышенных требований к коэффициенту стабилизации необходимо дальнейшее уменьшение характеристического сопротивления посредством увеличения коэффициента K>i>> >. Это достигается либо использованием многокаскадных усилителей в сравнивающем и усилительном элементе СТ, либо применением в качестве VT1 составного Т, что наиболее часто используют на практике. Выпускаются составные (из двух элементов) Т, специально предназначенные для СТ. В такой схеме сопротивление R>вых> может составлять сотые (тысячные) доли ома.
Рассмотренные СТ
обеспечивают выходное напряжение U>2>
U>ст>
(U>ст>
– напряжение стабилизации диода VD).
На практике часто необходимо иметь
отличную от U>д>
= U>ст>
величину, регулируемую ступенями.
Наиболее распространенный способ
повышения U>2
>представлен на рис. 4, г.
Он пригоден также в параллельных СТ.
Полагая U>БЭ>
0, имеем
.
Для уменьшения параметра R>У>
сопротивление R>2>
выбирают малым, так что
и
.
При таком низкоомном делителе, сделав
сопротивления переменными, можно плавно
регулировать выходное напряжение.
По теореме об эквивалентном
генераторе рассматриваемая схема
переходит в схему рис. 4, д, в которой
и
.
В отсутствие делителя приращение
входного тока составляет
,
с ним –
,
т.е. делитель уменьшает приращение I>У
>при одинаковом изменении
U>2>.
Это равносильно повышению R>У>
и соответственно
.
Поэтому коэффициент стабилизации
ухудшается:
,
где K>0> – коэффициент стабилизации без делителя.
Очевидно, даже в предельном
случае R>дел>
= 0 СТ с делителем в
раз
хуже (
).
Поэтому при регулировании выходного
напряжения параметры СТ изменяются и
оптимальны при U>2
>= U>2
>>min>>
>.
Для получения малых
регулируемых напряжений применяют
схему рис. 4, е, в которой при
через
сопротивление R>1>
протекает заданный ток
.
Поэтому, изменяя R>1>,
можно получить как большие, так и малые
напряжения U>2
>(близкие к 0 В). Практически
U>2
>>min>>
>
U>БЭ
>= 0,7 В.
В СТ выходное напряжение равно U>2 >= U>д> + U>БЭ> (U>д> (U>БЭ>) – напряжение опорного элемента (база – эмиттер Т)) либо пропорционально этой сумме. Поэтому временной и температурный дрейф напряжения U>2 >определяется изменениями U>д> и U>БЭ> при неизменных значениях U>1 >и R>Н >. Временной дрейф параметра U>д> практически отсутствует, аналогичный параметра U>БЭ> является хаотическим и во многом зависит от качества Т. Температурные зависимости U>д> = = f>1 >(Т> >) и U>БЭ> => >f>2 >(Т> >) определяются температурным коэффициентом напряжения. Применительно к стабилитронам > 0 и возрастает с повышением номинала U>д> и ростом тока I>д>. Коэффициент транзисторов является отрицательным при малых токах и уменьшается по модулю при увеличении тока I>Э >. Практически положительная составляющая температурного коэффициента превалирует и напряжение U>2> возрастает при увеличении температуры, так что его суммарный коэффициент составляет >ст> = 2…5 мВ/град. Если это неприемлемо, то применяют составной опорный элемент, сочетающий прямое и обратное включение стабилитронов. Он позволяет снизить значение >ст> до 0,1 мВ/град, но взаимная компенсация присутствует лишь в узком диапазоне тока I>д >, что необходимо учитывать.
Выходное сопротивление
транзисторных СТ, особенно многокаскадных,
очень мало, но это справедливо для
статической величины R>вых
>. При скачкообразных
изменениях тока I>Н>
коэффициент
транзисторов в первый момент равен
нулю, соответственно K>i>
(0) = 0, и начальное выходное сопротивление
R>вых
>(0)
(0)
r>д
>+> >r>Б
>+> >r>Э>
может на порядок превышать значение
R>вых
>. Восстановление происходит
через время, определяемое постоянной
>>
времени Т. Для исключения этого выход
СТ шунтируют достаточно большой емкостью
С, выбираемой по условию СR>вых
ср> >> >о>,
где >о>
– эквивалентная постоянная времени,
равная в первом приближении сумме
постоянных >>>
>всех транзисторов СТ;
–
усредненное по интервалу переходного
процесса выходное сопротивление. При
R>вых
ср> = 0,1 Ом и >о>
= 10 мкс необходимое значение С составляет
сотни микрофарад.
Коэффициент стабилизации
K
как функция характеристического
сопротивления
– тоже комплексная величина. Ее модуль
уменьшается с повышением частоты
пульсаций и скорости изменения напряжения
U>1>.
Но скачкообразные изменения U>1
>маловероятны, так как СТ
питается от выпрямителя с фильтром.
СТ с активным регулирующим
элементом часто называют компенсационным.
Большое распространение получили СТ
на операционных усилителях. Простейшая
схема такого СТ, используемая при малых
токах нагрузки, приведена на рис. 5, а.
Напряжение
(K>оу>
– коэффициент усиления с ОС) остается
постоянным при изменении нагрузки.
Изменяя сопротивление R>ос
>, можно регулировать
величину U>2>.
При большом токе I>Н>
применяют компенсационный СТ
последовательного типа на операционном
усилителе (рис. 5, б). В нем требуемый
диапазон регулирования выходного
напряжения выбирается с помощью
сопротивлений R>1>,
R>2>
и R>3>.
В последнее время выпускаются СТ полностью в интегральном исполнении. Они представляют собой трехполюсники (рис. 5, в, г), конструируются на положитель-ные и отрицательные выходные напряжения величиной 5, 6, 8, 12, 15, 18 и 24 В при токах нагрузки до 3 А. Для увеличения значения I>Н> вместе с ним можно применять проходные Т. Такие СТ называются еще преобразователями постоянного тока в постоянный с высокой фильтрующей способностью (стабилизируют напряжение U>2> в пределах 5 мВ).
в
г
Рис. 5. Построение СТ на
интегральных схемах
а б
В них в качестве источника опорного напряжения помимо стабилитрона применяют Т по схеме с ОБ. Регулирующий элемент представляет составной Т из двух (нескольких) Т. Усилительным элементом является операционный усилитель или (в некоторых случаях) просто дифференциальный каскад. Используется та либо другая форма внутреннего ограничения тока и защита от температурных перегрузок. Отечественной промышленностью выпускаются СТ последовательного типа на гибридных и монолитных интегральных схемах.
Параллельные СТ
нечувствительны к токовым перегрузкам,
так как с увеличением тока I>Н>
уменьшается ток I>Р>.
При значениях I>Н>
>> I>Н
>>max>
регулируемый Т запирается. В случае
короткого замыкания на выходе напряжение
U>1>
полностью падает на балластном
сопротивлении R>0>.
Последовательные СТ чувствительны к
перегрузкам, поскольку токи I>Н>
и I>Р>
изменяются одинаково. При значениях I>Н>
> I>Н
>>max>
усилительный и опорный элементы заперты,
а регулируемый Т работает с максимальным
базовым током I>Б>,
определяемым токоотводящим сопротивлением
и разностью напряжений U>1>
– U>2>.
Короткое замыкание увеличивает ток I>Б>,
напряжение на Т возрастает в
раз. Это резко повышает рассеиваемую
мощность, и Т выходит из строя. Поэтому
последовательные СТ дополняют защитным
реле. При одинаковом значении I>Н>
в параллельных СТ необходимы более
сильноточные (примерно вдвое) Т, чем в
последовательных. Последние обладают
более высоким коэффициентом полезного
действия. Но при решении конкретных
задач параллельные СТ могут быть
практически равноценными, а с учетом
их нагрузочной способности – даже
оптимальным вариантом.
ЛИТЕРАТУРА
Ильинков В.А., Капуро П.А., Румянцев А.В. Схемотехника устройств и систем телевидения. Ч. 1: Схемная реализация основных преобразований в телевидении: Учебное пособие по курсу “ Схемотехника устройств и систем телевидения” для студентов специальности “Телекоммуникационные системы”: В 2-х ч.– Мн.: БГУИР, 2007.– 126 с.
Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.
Бытовая радиоэлектронная техника: Энциклопедический справочник/ Под ред. А.П. Ткаченко. – Мн.: Бел. Энциклопедия, 2005. – 832 с.
Хохлов Б. Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Радио и связь, 2008. – 512 с.