Линейный стабилизатор напряжения

Казанский Государственный Университет
Физический факультет
кафедра радиоэлектроники
ЛИНЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Методическая разработка
для лабораторного практикума
по радиофизике и радиоэлектронике.
КАЗАНЬ - 1997г.
Составители: ст.преп. каф. р/э К.С.Сайкин инж. каф.
р/э В. В.Тогу лев
Оглавление
Методическая разработка подготовлена для лабораторной
работы "Линейный стабилизатор напряжения" общего
радиофизического практикума, проходящего на кафедре
радиоэлектроники физического факультета КГУ. Данная
лабораторная работа выполняется студентами 3-го к 4-го
курсов потока "радиофизика".
Макет методической разработки был подготовлен с
использованием
• издательской системы LATeХ
• программы P-CAD для схемотехнического моделирования на ПЭВМ
• графического дизайнера Desing-CAD-3.
1
1 Введение
4
2 Основные типы стабилизаторов
5
3 Элементы стабилизаторов
9
3.1 Параметрические стабилизаторы ........................
3.2 Тиристоры ............................................................
3.3 Транзисторы.........................................................
9
11
14
4 Непрерывное регулирование
4.1 Параметрические стабилизаторы........................
17
19
4.2 Компенсационные стабилизаторы .......................
24
5 Защита в стабилизаторах
28
в Интегральные стабилизаторы
30
7 Схема исследуемого стабилизатора.
32
8 Методика измерений.
8.1 Определение тока срабатывания защиты. ...
8.2 Определение КСТ1 и КСТ2 ...........................................................
8.3 Определение Ввых стабилизатора...........................
35
35
36
37
9 Контрольные вопросы.
Список литературы
39
43
2
СПИСОК РИСУНКОВ
ЛИТЕРАТУРА
Список таблиц
1
Электрические параметры стабилитронов и стабисторов. .............................................................. 11
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Структурная схема параметрического стабили
затора напряжения ................................................
Структурная схема непрерывного последова
тельного стабилизатора ..........................................
Структурная схема непрерывного параллельно
го стабилизатора ......................................................
ВАХ стабилитронов и стабисторов .......................
Тиристор ....................................................................
Статические ВАХ тиристора...................................
ВАХ транзисторов ...................................................
Вольтамперная характеристика стабилизатора
напряжения ...............................................................
Однокаскадный ПСН ..............................................
Эквивалентная схема однокаскадного ПСН . .
Реальные схемы ПСН..............................................
ПСН на стабилетроне, питаемый от стабилиза
тора тока ...................................................................
Типовая схема КСН с последовательным вклю
чением регулирующего элемента ..........................
Эквивалентная схема стабилизатора напряжения.
Схема стабилизатора с защитой на реле ....
Литература
[1] Справочник//Источники электропитания РЭА.
Под. ред. Г.С.Найвельта.-М., "Радио и связь", 1986г.
Список рисунков
1
43
[2]
6
7
7
10
12
12
16
19
20
20
23
[3] Э.М.Ромаш. Источники вторичного
электропитания радиоэлектронной аппаратуры. -М.,
"Радио и Связь", 1981г., стр.107-113.
[4]
В.С.Гутников. Интегральная электроника в
измерительных устройствах.-Л.: Энергоатомиздат,
1988.-304с.
[5] Г.И.Изъюрова и др. Расчет электронных схем.-М.,
"Высшая школа", 1987г.
[6]
И.И.Белопольский.
Электропитание
радиоустройств. М., "Энергия", 1965г., стр.190-200,
205, 219-225.
[7]
С.Додик. Полупроводниковые стабилизаторы
постоянного напряжения и тока.-М., "Советское
радио", 1980г., гл. 1,4,5, §§1.1, 1.2,1.3,4.1,5.1.
[8]
Л.Фолкенберри. Применение операционных
усилителей и линейных ИС.-М., "Мир", 1985г.
[9]
Н.М.Тугов.
Полупроводниковые
приборы:
Учебник для ВУЗов.-М., "Энергоатомиздат", 1990г.
23
24
26
29
С.В.Назаров. Транзисторные стабилизаторы
напряже-ния.-М., "Энергия", 1980г., стр.62-67.
[10] И.П.Степаненко. Основы теории транзисторов и
транзисторных схем.-М., "Энергия".
42
9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
основные параметры стабилитронов КС133, КС156,
Д814А, Д814Д, Д818А, Д818Е, КС196В (или КС191Р).
Покажите в связи с какими параметрами они выделены
в характерный ряд стабилитронов до 12В. Какие физические и технологические особенности ответственны за
их формирование.
СПИСОК РИСУНКОВ
16
17
18
19
20
21
22
Схема стабилизатора с защитой на тиристоре .
Интегральный стабилизатор напряжения. ...
Схема стабилизатора напряжения с использова
нием ИСН ..................................................................
Схема источника питания стабилизированного
ИПС-1 .........................................................................
ВАХ схемы защиты исследуемого стабилизатора
Блок-схема установки .............................................
Схема для определения | Zвыx | ..............................
3
29
31
32
33
35
35
38
1 ВВЕДЕНИЕ
4
1 Введение
Многие устройства эксперементальной физики требуют
большой степени постоянства режима питания. Такими
устройствами являются фотоэлектрические умножители,
электронно-оптические системы, магниты масспектрометров,
магниты, используемые в магнитной радиоспектроскопии,
усилители, приемники, передатчики различного назначения,
цифровые устройства и т.д.
Одни из этих устройств требуют стабильного во времени
напряжения питания, другие - стабильного тока питания.
В настоящее время разработано большое число различных
устройств, применяемых для стабилизации переменного и постоянного
тока
и
напряжения
[1]-[8].
Они
классифицируются по мощности, которую способны
отдавать в нагрузку, по типу съёма (последовательные или
комбинированные), по типу элементов, используемых для
стабилизации (магнитные, электронные, ионные и т.д.).
Более подробно классификация источников вторичного
электропитания радиоэлектронной аппаратуры дана в работе
[5], стр. 5-8.
Целью данной лабораторной работы являются:
• ознакомление с принципом работы электронных стаби
лизаторов напряжения (ЭСН). Основное внимание уде
лено параметрическим и компенсационным ЭСН.
• приобретение навыков расчета и эксперементального ис
следования основных параметров, характеризующих
ЭСН.
41
(Ки = 0.9, rвых = 100ом) на режим "общий эмиттер" (Ки
= 30, rвых = З000ом) практически не влияет на величину выходного напряжения стабилизатора.
8. Выделите контур отрицательной и положительной
обратной связи на рис. 13 и схемы составленной Вами
в предыдущем вопросе. Расчитайте величину K1β_ +
K2β+ для дифференциального сигнала. Покажите, что
различием коэффициентов Ки1 и Ки2 можно пренебречь
(численные индексы обозначают эмиттерный или ба
зовый вход). Для чего используется положительная
обратная связь в данном случае. К каким неприятным
последствиям она может привести в начальный момент
включения (ток опорного стабилитрона очень мал). По
чему эта ситуация исключается для схемы рис. 13.
9. Где выше качество стабилизированного напряжения: на
выходе компенсационного СН, на его опорном стаби
литроне (режим без положительной обратной связи
(ПОС)), на опорном стабилитроне (режим с ПОС). На
грузка во всех случаях подключается к выходу компен
сационного стабилизатора.
10. Расчитайте делитель ООС для стабилизатора с исполь
зованием стабилитрона КС 196В (или КС191Р) для ра
боты на базовый вход усилителя на одном транзисторе.
Какие ограничения желательно принять на величину
полного тока делителя. Почему подобный стабилитрон
желательно применять в комбинации с операционным,
а не транзисторным усилителем.
11. Используя справочники выпишите и проанализируйте
40
5
9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ты графика выходящие за границы применимости эквивалентной схемы рис. 14 и соответствующей системы
уравнений.
5. Поясните работу параметрического* стабилизатора на
графике используя вольтамперные характеристики ста
билитрона, сопротивление гасящего резистора и сопро
тивление резистора нагрузки. Проведите сопоставление
элементов графика и расчётных уравнений.
6. Выполните расчёт гасящего сопротивления параметри
ческого стабилизатора и коэффициента стабилизации
для следующих условий: выходное напряжение 7.5В,
ток нагрузки 5mA, входное напряжение 10В, его отно
сительная нестабильность 10%, коэффициент стабили
зации наилутший. Необходимые параметры и сам ста
билитрон выбрать самостоятельно.
7. Какой тип общей отрицательной обратной связи (ООС)
существенен для работы компенсационного стабилиза
тора. Какую величину минимального петлевого усиле
ния К β можно допустить исходя из допустимой отно
сительной нестабильности (К - коэффициент усиления
напряжения сравнивающего усилителя и регулирующе
го транзистора; β - коэффициент передачи усилителя
обратной связи). По аналогии со схемой 13 составьте
схему компенсационного стабилизатора напряжения с
включением регулирующего транзистора в режиме "об
щий эмиттер". Как выглядит в общем виде выражение
для определения выходного сопротивления стабилиза
тора напряжения и почему изменение включениг регу
лирующего транзистора от режима "общий коллектор"
2 Основные типы стабилизаторов
напряжения
Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее неизменным напряжение на нагрузке при изменении значений питающего напряжения, температуры окружающей среды и при воздействии других дестабилизирующих
факторов, которые могут привести к изменению напряжения
на нагрузке.
По принципу действия стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные:
Параметрическим стабилизатором напряжения (ПСН) называется устройство, в котором стабилизация напряжения на
нагрузке осуществляется в результате перераспределения напряжений между линейным и нелинейным элементами. В качестве нелинейных элементов используются различные приборы, обладающие резко выраженной нелинейностью вольтамперной характеристики, например стабилитрона, транзистора.
Кремниевые стабилитроны используют при напряжениях
на нагрузке в диапазоне от единиц до сотен вольт и токах
нагрузки от единиц до десятков миллиампер.
Газоразрядные стабилитроны, как правило, применяют
для стабилизации высоких напряжений (сотни вольт, киловольты) при малых токах нагрузки (миллиамперы, микроамперы).
На рис. 1 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения с использованием в качестве нелинейного
элемента стабилитрона (НЭ). R1 - гасящий резистор, Rн сопротивление нагрузки.
6
2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ
39
9 Контрольные вопросы.
1. Опишите структурную схему вторичного источника
электропитания включая: первичный источник, опор
ный активный элемент (первичный или вторичный),
схему сравнения (вычитания) и усиления, преобразова
тель обратной связи, регулирующий элемент.
Рис. 1: Структурная схема параметрического стабилизатора
напряжения.
Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) постоянного тока представляют собой системы автоматического
регулирования, содержащие замкнутый контур регулирования, по которому сигнал с выхода стабилизатора воздействует
на регулирующий элемент (РЭ), в качестве последнего чаще
всего используют транзистор.
По способу регулирования стабилизаторы делятся на непрерывные и импульсные. В данной работе рассматриваются
параметрические и компенсационные стабилизаторы непрерывного регулирования.
Непрерывный последовательный стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведённой на рис. 2, в которой
регулирующий элемент - транзистор, включённый последовательно с нагрузкой.
При изменении выходного напряжения или тока нагрузки
в измерительном элементе (ИЭ), в который входит сравнивающий делитель и источник опорного напряжения, выделяется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и подается на вход РЭ, изменяя
2. Перечислите входные и выходные параметры стабили
заторов напряжения (СН) и опишите их связь с соб
ственными параметрами составляющих элементов, па
раметрами нагрузки и внешними условиями (параметры
первичного источника тоже отнести к внешним услови
ям). Опишите возможности и правильность применения
терминологии и понятий коэффициентов стабилизации,
коэффициентов нестабильности и коэффициентов чув
ствительности .
3. В каких случаях в качестве источников электропита
ния РЭ устройств используются стабилизаторы напря
жения, а в каких стабилизаторы тока. Почему стаби
лизаторы напряжения имеют большее применение. К
какому типу источников обычно относится первичный
источник. Как повлияет смена типа первичного источ
ника на эффективность применения последовательного
и параллельного компенсационных стабилизаторов на
пряжения.
4. Нарисуйте реальную и идеализированную вольтамперную характеристики стабилитрона с выделением харак
терных особенностей графика, соответствующих опре
делённым параметрам стабилитрона. Укажите элемен-
8 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.
38
7
Рис. 2: Структурная схема непрерывного последовательного
стабилизатора.
Частоту звукового генератора меняйте в пределах от 100Гц
до 200кГц 8 -г 10 точек.
Постройте график функции
Рис. 3: Структурная схема непрерывного параллельного
стабилизатора.
где f - частота в герцах.
его сопротивление по постоянному току таким образом, что
выходное напряжение на нагрузке сохраняется постоянным.
Измерительный элемент выделяет также сигнал переменной
составляющей пульсаций выпрямленного напряжения, сглаживая её при помощи РЭ.
Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется
по структурной схеме (рис. 3), в которой РЭ - транзистор,
включённый параллельно нагрузке.
Здесь выходное напряжение поддерживается постоянным
8
2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ
за счёт изменения тока, протекающего через РЭ. Например,
при увеличении входного напряжения возрастает ток через
РЭ, за счёт чего увеличивается падение напряжения на гасящем резисторе.
8.3 Определение Rвых стабилизатора.
37
Для этого при помощи магазина сопротивлений устанавливаете
токи нагрузки от 0 до Iзащ , на каждом шаге меняете сопротивление нагрузки на ±10%, напряжение сети
постоянное 220В, цифровым вольтметром определяете ΔUн ,
по формуле 40 определяете Кст2 , постройте график функции
41.
По формулам 32 и 33 определите коэффициент петлевого
усиления усилителя µтβ и riT - внутреннее сопротивление
транзистора, сравните с рассчетными значения последних.
8.3 Определение Явых стабилизатора.
Выходное дифференциальное сопротивление стабилизатора на
постоянном токе ω = 0, можно определить по его вольтамперной характеристике, см. рис. 8 .
По определению
Для определения | Zвых | на различных частотах воспользуйтесь схемой рис. 22.
Измерив осциллографом падение напряжения между точками
В и А, и затем между точками В и С находим UAB и UBC,
зная Rоп определяем
Используя 43 находим
36
8 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.
все функциональные узлы схемы подключены правильно.
Установите сопротивление нагрузки максимальное (магазин
сопротивлений). Включите установку, потенциометрами
ГРУБО и ТОЧНО установите выходное напряжение стабилизации равное 9В. Уменьшая сопротивление нагрузки добейтесь срабатывания защиты, определите Iзащ .
8.2 Определение KCTl и КСТ2 .
Коэффициент КСТ1 определяется выражением 15
Необходимо построить зависимость
Для этого магазином сопротивлений устанавливаете токи
нагрузки от 0 до Iзащ, всего 8-10 значений, на каждом
шаге меняете напряжение сети на ±10% с помощью
ЛАТРа, определяя при этом цифровым вольтметром
В2-23 ΔUН , по формуле 38 определяете КСТ1 , постройте
график функции 39. Напряжение измерить с точностью до
1мВ.
Коэффициент КСТ2 определяется выражением 15
Необходимо построить зависимость
9
3 Характеристики и режимы
работы элементов
стабилизаторов напряжения.
3.1 Параметрические стабилизаторы.
В полупроводниковых стабилитронах областью стабилизации является обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ), когда приложенное обратное напряжение, достигнув определённого значения, вызывает пробой р-n перехода,
рис. 4а.
Значение тока пробоя ограничивают при помощи постоянного резистора так, чтобы рассеиваемая в стабилитроне мощность не превышала предельно допустимой.
На участке от минимального тока стабилизации Iст.min
ДО максимального значения тока стабилизации
Iст.max
напряжение стабилизации мало меняется. Важными
параметрами стабилитронов являются температурный
коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) αH [%/°C] ,
дифференциальное сопротивление стабилитрона, Pст.max
- максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне.
ТКН определяется выражением:
где ΔUCT = UCT2 — UCT1 - разность напряжений
стабилизации, измеренных при температурах Т2 и Т1
соответственно, ΔT = Т2- Т1.
10
3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ
На рис. 4 приведены ВАХ стабилитрона и стабистора.
Ucтноминальное напряжение стабилизации при номинальном
токе стабилизации. ICT.min, ICT.max - предельно допустимые
минимальный и максимальный токи стабилизации. U обр,
I обр -напряжение и ток через стабистор при обратном
включении полярности напряжения.
Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяется выражением (рис. 4а):
35
Рис. 21: Блок-схема установки. ЛАТР - лабораторный
автотрансформатор; V1 - вольтметр переменного
напряжения; V2 - вольтметр постоянного напряжения;
mА - миллиамперметр постоянного тока.
8 Методика измерений.
Блок-схема установки для исследования характеристик
стабилизатора изображена на рис. 21.
Стабисторы - полупроводниковые стабилитроны, в
которых областью стабилизации является прямая ветвь
ВАХ, рис. 4Ь. Эти приборы используются в цепях, где
необходимо получить напряжение стабилизации 1 ÷ 2B при
токах до 100мА.
8.1 Определение тока срабатывания
зашиты.
Перед включением установки в сеть убедитесь в том, что
34
7 СХЕМА ИССЛЕДУЕМОГО СТАБИЛИЗАТОРА.
Резистор R10 является запускающим ИОН при
включении ИПС-1 в сеть. Диод VD1 предназначен для
температурной
стабилизации
выходного
опорного
напряжения, которое снимается с коллектора транзистора
VТ4 , и подается на делитель напряжения на резисторах R14
... R18 . Опорное напряжение регулируется резистором R8
Выходной усилитель предназначен для повторения напряжения ИОН, с учетом заданного ручками ГРУБО, ТОЧНО
коэффициента деления на делителе напряжения и обеспечивает необходимый ток в нагрузке. Усилитель состоит из транзисторов VT5 , VT6 , диода VD3 , конденсаторов С2 ,С5 , резисторов R11 ….. R14 и представляет собой усилитель со
100% отрицательной обратной связью через диод VD3 •
Схема зашиты состоит из транзисторов VT1 , VT2 , конденсатора С2 , терморезистора R3 , резисторов R1 , R2 , R4 , R5
Работа схемы основана на ограничении тока и происходит
следующим образом. Увеличение тока нагрузки источника до
тока срабатывания защиты вызывает появление напряжения
на резисторах R4 ,R5 , достаточного для открывания транзистора VT2 , который открывает транзистор VT1 . Последний
в свою очередь уменьшает напряжение на базе транзистора
VT5 , и, следовательно, на выходе источника. Ток защиты
регулируется резистором R4
. Терморезистор
R3
предназначен для температурной стабилизации тока
защиты. Характеристика схемы защиты имеет вид
изображенный на рис. 20.
3.2 Тиристоры.
11
Таблица 1: Электрические параметры стабилитронов и стабисторов
Тип
стабилитрона
Ucт, В
Д814Б
Д818В
КС133А
Д815А
2С980А
8-9,5
7,2-10,8
3-3,7
5,6
180
Iст, mA
min Max
Ом
При
Iст,
mA
3
3
3
50
2.5
10
25
65
0.9
220
5
10
10
1000
25
36
33
81
1400
28
Rg
αн, %/ºС
Pcт.
Max Вт
0.08
0.01
-0.05-0.06
0.056
0.16
0.34
0.3
0.3
8.0
5.0
В таблице 1 приведены электрические параметры
некоторых типов стабилитронов и стабисторов [1].
S.2 Тиристоры.
Тиристоры - это четырехслойный р-n-p-n полупроводниковый прибор, который используется в стабилизаторах напряжения в качестве ключа (рис. 5). Он включается при
подаче на управляющий электрод (УЭ) короткого
положительного импульса при условии, что на анод подано
положительное по отношению к катоду напряжение.
На рис. 6 приведены статические ВАХ тиристоры.
В открытом состоянии прямой ток через тиристор ограничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор
изменением полярности анодного напряжения и уменьшением
12
3 ЭЛЕМЕНТЫ
СТАБИЛИЗАТОРОВ
33
Рис. 5: Тиристор: а) полупроводниковая структура; б)
условное графическое обозначение.
Рис. 6: Статические ВАХ тиристора.
Рис. 19: Схема источника питания стабилизированного
ИПС-1. VT1 - КТ315Г, VT2 - КТ361В, VT3 - КТ361Б, VT4 КТ315Г, VT5 - КТ361Г, VT6 - КТ829Б.
32
7 СХЕМА ИССЛЕДУЕМОГО СТАБИЛИЗАТОРА.
Рис. 18: Схема стабилизатора напряжения с использованием
ИСН.
7 Схема исследуемого
стабилизатора.
В данной работе используется промышленный источник
питания постоянного тока ИПС-1.
Схема исследуемого стабилизатора приведена на рис. 19.
Источник ИПС-1 представляет собой стабилизатор постоянного напряжени последовательного типа и состоит из четырех функциональных узлов: выпрямителя, источника опорного напряжения (ИОН), выходного усилителя, схемы защиты.
Источник опорного напряжения предназначен для выработки образцового стабилизированного напряжения и представляет собой маломощный стабилизатор опорного напряжения. Он состоит из транзисторов VT4 , VT3, диода VD1 ,
стабилитрона V D2 , резисторов R6... R10 .
3.2 Тиристоры.
13
тока удержания до значения меньше Iуд (точка переключения
тиристора), см. рис. 6 . В настоящее время существуют
полностью управляемые тиристоры, которые запираются
подачей отрицательного импульса на УЭ, однако, из-за
значительной мощности управления они не нашли широкого
применения.
Из ВАХ, см. рис. 6 , следует, что тиристор можно привести в открытое состояние, увеличивая приложенное к нему напряжение до критического значения Uвкл , без воздействия на УЭ (Iуд = 0) . Из ВАХ следует, что в зависимости от
Iуд меняется величина напряжения включения тиристора Uвкл
. Кроме параметров прямого тока, аналогичных параметрам
силовых полупроводниковых диодов тиристор характеризуется напряжением включения Uвкл , током включения
Iвкл током удержания Iуд , минимальное значение которого
определяется режимом управления. В свою очередь, цепь
управления (как р-n переход) характеризуется напряжением
и токами в прямом и обратном направлениях. Область "2" переход в открытое состояние," 1" - напряжение на
тиристоре в открытом состоянии.
Для увеличения максимально допустимого обратного напряжения на тиристоре УЭ тиристора соединяют через резистор с катодом, или он должен находиться под отрицательным потенциалом по отношению к катоду, на рис. 6: "4" область непроводящего состояния тиристора в обратном направлении, "5й - область пробоя в обратном направлении.
Подробнее особенности использования тиристоров рассмотрены в работе [9].
14
3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ
31
3.3 Транзисторы.
В стабилизаторах транзисторы находят широкое применение. Они используются для усиления сигналов переменного
и постоянного тока, в качестве регулирующего элемента.
Транзистор может быть включён одним из трёх способов:
• с общей базой (ОБ);
• с общим эмиттером (ОЭ);
• с общим коллектором (ОК).
Из большого числа параметров, которыми характеризуется транзистор, отметим только те, которые наиболее часто
используются при расчетах стабилизаторов.
1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с об
щим эмиттером h21Э:
2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер UКЭ - на
пряжение между выводами коллектора и эмиттера в ре
жиме насыщения при заданных Ik и I6 .
3. Коэффициент насыщения транзистора - отношение тока
базы в режиме насыщения I6.нас к току базы на границе
насыщения I6 .
рис. 17, подаётся напряжение для сравнения (см. схему рис.
18) с делителя R2, R3
Регулирующим элементом является составной транзистор
на VT6 и VT8 . На транзисторе VT9 можно постороить схему
защиты от перегрузок.
На рис. 18 представлена схема стабилизатора
построенного с использованием микросхемы К142ЕН1(ЕН2).
Ток делителя должен быть не менее 1.5mA. Через конден
сатор С1 реализуется отрицательная обратная связь, улуч
шающая динамическую характеристику дифференцифльного
каскада.
30
6 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
6 Интегральные стабилизаторы
напряжения
Потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры,
выполненных на интегральных схемах, привела к разработке
специальных интегральных схем - стабилизаторов напряжения (ИСН) [2].
В интегральном исполнении выполняются стабилизаторы напряжения последовательного типа, для питания маломощной аппаратуры. В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются микросхемы различных серий
(К142, К181).
На рис. 17 приведена схема интегрального стабилизатора
напряжения (микросхема К142ЕН1 ). На ее основе возможно
построение стабилизаторов с выходным напряжением от 3
до 15В при максимальном токе нагрузки до 150mA. Входное
напряжение, в зависимости от требуемого напряжения на
нагрузке, составляет 9 …. 20В. Коэффициент стабилизации
не мене 200 или 0.005, температурный дрейф выходного
напряжения 0.01 [%/°С] .
Источником опорного напряжения схемы является стабилитрон VD1 , запитанный от токосбилизирующего двухполюсника на транзисторе VT1 . Стабилизированное напряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 с помощью делителя R1, R2 подается на левый вход дифференциального каскада на транзисторах VT3 и VT5 . Коллекторной
нагрузкой левой половины каскада является регулирующий
элемент VT6 , VT8 , правой - токостабилизирующий двухполюсник на транзисторе VT4 .
На правый вход дифференциального каскада, вывод 12
3.3 Транзисторы.
15
4. Одним из основных параметров транзистора является
постоянный ток, протекающий через коллекторный пе
реход Iк и его максимально допустимое значение IK.max •
Также транзистор характеризуется следующими параметрами:
• Uкэ - постоянное напряжение между выводами кол
лектора и эмиттера.
• Uбэ - постоянное напряжение между выводами базы
и эмиттера.
5. Ток коллектора и напряжение между коллектором и
эмитером определяют максимально допустимую мощ
ность рассеяния:
Характеристиками транзистора в схеме с ОЭ являются
его вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические ВАХ
транзистора приведены на рис. 7.
Из ВАХ рис. 7 определяем:
1. Коэффициент усиления транзистора по напряжению
2. Статическую крутизну прямой передачи
16
3 ЭЛЕМЕНТЫ
СТАБИЛИЗАТОРОВ
Рис. 7: Статические вольтамперные
характеристики транзистора: а) входная; б)
выходная.
29
Рис. 15:
3. Входное сопротивление транзистора
4. Дифференциальное сопротивление коллекторного
пере
хода
5. Внутреннее сопротивление транзистора
Рис. 16:
28
5 ЗАЩИТА В СТАБИЛИЗАТОРАХ
5 Защита в транзисторных
стабилизаторах
В транзисторных стабилизаторах наиболее часто применяются
три вида защиты:
• от превышения выходного напряжения;
17
4 Стабилизаторы постоянного
напряжения с непрерывным
регулированием.
В общем случае напряжение на нагрузке стабилизатора
можно определить функцией:
• от понижения выходного напряжения;
• от перегрузки по току или короткого замыкания в на
грузке.
Защита от превышения и понижения выходного напряжения
реализуется за счет введения в стабилизатор дополнительных
устройств сравнения (УС) и исполнительного элемента. В
качестве исполнительного элемента могут быть применены реле,
транзистор, тиристор.
В схеме рис. 15 при превышении напряжения установленного сопротивления RP, открывается транзистор VT, реле
срабатывает размыкая нормально замкнутые контакты 1 и 2 ,
замыкая контакты 3 и 4. Недостаток схемы - инертность,
обычно несколько миллисекунд.
В схеме рис. 16 при превышении напряжения, установленного резистором RP , исполнительным элементом является
тиристор VD1 , однако при его срабатывании происходит либо
сгорание нити предохранителя FU, либо выход из строя
тиристора. В исходной позиции транзистор VT закрыт, управляющий ток тиристора Iу, см. рис. 6, равен нулю, значит
тиристор VD1 тоже закрыт.
О других способах защиты можно прочитать в [1] стр. 183190, [8] стр. 275-280.
где Un - напряжение питания стабилизатора; Rн - сопротивление нагрузки; Uн - напряжение на нагрузке. Из формулы
11 следует
Относительное изменение напряжения на нагрузке будет
равно:
Из формулы 13 следует, что изменение напряжения на
нагрузке будет зависить от двух коэффициентов, которые в
конечных разностях будут иметь вид:
где Кст1 - связывает относительное изменение напряжения
на выходе с относительным изменением напряжения на входе при постоянном сопротивлении нагрузки; КСТ2 связывает
18
4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
относительное изменение напряжения на нагрузке с относительным изменением сопротивления последней, при неизменном напряжении питания.
Первый из них Кст1 можно назвать коэффициентом стабилизации по изменению напряжения, второй КСТ2 коэффициентом стабилизации по изменению сопротивления
нагрузки.
Другими параметрами неидеальности стабилизаторов напряжения являются:
• rн - внутреннее или выходное сопротивление стабилиза
тора напряжения;
• δUНТ - нестабильность напряжения на нагрузке от тем
пературы;
• δUнt - нестабильность напряжения на нагрузке от вре
мени;
• Un - амплитуда пульсаций выходного напряжения;
• η - коэффициент полезного действия стабилизатора.
Внутреннее rн или выходное сопротивление стабилизатора
напряжения можно определить из его вольтамперной характеристики, рис. 8.
Из рис. 8 следует, что:
Для идеальных стабилизирующих устройств эти показатели качества, кроме h, должны быть равны нулю.
4.2 Компенсационные стабилизаторы.
27
где Rн - выходное сопротивление составного
транзистора; ΔUН - допустимое резистором RP
отклонение UН ; I вых у -ток базы J6 составного
транзистора.
Пример
расчета
стабилизатора
напряжения по схеме рис. 13 приведен в работе [1]
стр.170-181.
26
4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Рис. 14: Эквивалентная схема стабилизатора
напряжения.
Схемы рис. 14 аналогичны схемам рис. 9Ь и 10 ,
поэтому коэффициенты стабилизации КСТ1 и КСТ2
схемы рис. 13 можно определять по формулам 21 и 22 ,
заменив в них rg на rн , R1 на riT + r0 = riT . Из формул 21
и 22 , с учетом 31 получим:
Для схемы рис. 13 β равно:
где rЭ3 - сопротивление эмиттера; rg - дифференциальное
сопротивление стабилитрона. В формуле 34 Rk равно:
4.1 Параметрические стабилизаторы.
19
Рис. 8: Вольтамперная характеристика стабилизатора
напряжения.
4.1 Параметрические стабилизаторы.
Основная однокаскадная схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 9а.
С учетом дифференциального сопротивления стабилитрона, см. формулу 2, можно построить эквивалентную
электрическую схему, рис. 9Ъ.
В схемах рис. 9 :
• I , ICT , Iн - общий ток, ток через стабилитрон, ток на
грузки;
• R1, rg, RН - сопротивление гасящее,
дифференциальное
сопротивление стабилитрона, сопротивление нагрузки;
• Uп ,Uн ~ напряжение питания, напряжение на
нагрузке. Схему рис. 9Ь можно преобразовать рис. 10.
20
4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
4.2 Компенсационные стабилизаторы.
25
пряжение.
РЭ на составном транзисторе характеризуется величинами:
Рис. 9: а) схема однокаскадного ПСН; Ь) эквивалентная
электрическая схема однокаскадного ПСН.
где h21Э , h11Э , µT , riT - параметры, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление составного транзистора, см.
рис. 13. Составной транзистор, УПТ и схему сравнения
рис. 13 можно рассматривать как некоторый усилитель
с последовательной отрицательной обратной связью по
напряжению. Выходное сопротивление такого усилителя
уменьшается в (1 + βКН) раз. Здесь β - коэффициент
передачи напряжения схемы сравнения и УПТ, КН коэффициент усиления по напряжению составного
транзистора, в данном случае µT, поэтому можно
записать:
где rн - выходное сопротивление стабилизатора
напряжения; г0 - выходное сопротивление источника
питания стабилизатора.
С учетом вышеизложенного схему рис. 13 можно представить в виде упрощённой схемы замещения, рис. 14.
Для случая когда к стабилизатору подключена нагрузка
схема рис. 14а имеет вид 14Ь .
24
4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
4.1 Параметрические стабилизаторы.
21
На рис. 10 RСТ, определяется выражением
Из рис. 10 следует где R1 и rg -
Рис. 13: Типовая схема КОН с последовательным
включением регулирующего элемента.
стабильные
велич
ины.
Положим, что Uн = Un(Uп , Rн), тогда для
параметрического стабилизатора можно найти КСТ1 и
KCT2 , см. формулы 11-15:
4.2 Компенсационные стабилизаторы.
В отличии от праметрических компенсационные стабилизаторы
напряжения (КСН) обеспечивают необходимую стабильность
напряжения на нагрузке при помощи цепи отрицательной обратной
связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ), см. рис.
2, рис. 3. В состав КСН любого типа входят следующие
основные функциональные узлы: регулирующий элемент,
устройство сравнения (УС), усилитель постоянного тока (УПТ).
На рис. 13 изображена одна из простейших схем КСН
последовательного типа.
На схеме рис. 13 функции регулирующего усилителя
выполняет составной транзистор на VT2 и VT1 ,
функцию УПТ и устройства сравнения каскад R1 , VT3 ,
R3 , VD и делитель на RP, R4 , R5 , RP - резистор,
регулирующий выходное на-
В большинстве случаев Rн>> rg и R1>> rg , тогда
выражения 19-20 примут вид:
В литературе при характеристике параметрических стабилизаторов на стабилитронах пользуются коэффициентом
22
4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
4.1 Параметрические стабилизаторы.
т.е. коэффициентом обратным КСТ1 , влияние нестабильности
RН не рассматривают.
Из выражения 21 следует, что если R1 →∞ со , то Кст1 → 0.
Значит при проектировании стабилизатора необходимо увеличить R1 у но тогда будет уменьшаться КПД стабилизатора
Разработчик должен принять некоторое компромисное решение. Формула 21 показывает, что стабилитроны лучше
всего запитывать от стабилизатора тока, т.к. его выходное сопротивление, в идеале, стремится к ∞ ,т.е. R1 →∞
При проектировании ПСН на стабилитронах необходимо
выполнить условие, см. рис. 9а
Где ICТ.MAX - максимальный ток стабилизации. Если I > ICТ.MAX
то при случайном отключении нагрузки стабилитрон может
выйти из строя.
На рис. На изображен однокаскадный ПСН с двумя термокомпенсирующими диодами VD2 и VD3 :
Выходное сопртивление ПСН, см. рис. 9, определяется выражением где r0 - выходное сопротивление источника питания.
На
11b
рис.
изображена двухкаскадная схема ПСН, диоды VD4 и VD5
термокомпенсирующие
На рис. 12 изображена схема ПСН с токостабилизирующим
двухполюсником, который состоит из R1 , R2 , VD1 , VT
f
Рис. 12: ПСН на стабилетроне VD2 , питаемый от
стабилизатора тока.
•
*
23