Линейные стабилизаторы

5.1 Общие замечания.

Многие ЭПУ требуют напряжение питания, имеющего строго постоянное значение. Для решения этой задачи применяются стабилизаторы. Стабилизаторы напряжения поддерживают с определенной точностью напряжение на нагрузке. Изменение напряжения может происходить за счет следующего ряда причин:

- изменение первичного источника питания

- изменение нагрузки

- изменение температуры окружающей среды

По принципу работы делятся на:

1. параметрические – стабилизируют напряжение за счет изменения сопротивления (проводимости) полупроводниковых приборов (обычно - стабилитронов).

2. компенсационные – содержат управляющий регулирующий элемент (обычно - транзистор). Выходное напряжение в таких стабилитронах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, создаваемому стабилитроном предыдущего типа. Регулирующий элемент может работать как в непрерывном (аналоговом), так и в ключевом режимах.

Основные параметры стабилизаторов напряжения.

1. U_{вых ном} (или U_{вых min} и U_{вых max}).

2. D U_вх – диапазон изменения входного напряжения, при котором выходное напряжение поддерживается в заданных пределах.

3. D I_н – диапазон изменения тока нагрузки.

4. h _ст=Р_н/Р_пот, где Р_пот - мощность, потребляемая от источника питания.

5. Коэффициент нестабильности по току и напряжению:

и

6. Коэффициент стабилизации по эффективности сглаживания пульсаций

7. r_ст= D U_вых/ D I_вх – дифференциальное сопротивление стабилитрона,

R_вых – выходное сопротивление стабилизатора.

8. ТКН= D U_вых D T/U_вых в %/град.

9. Быстродействие.

5.2 Параметрические стабилизаторы.

5.2.1 Параметрический стабилизатор на стабилитроне (параллельного типа).

Схема параметрического стабилизатора параллельного типа на стабилитроне представлена на рис. 58.

Стабилитрон, используемый в данной схеме, имеет ВАХ, представленную на рис. 59.

Работа стабилизатора на стабилитроне может быть представлена графо-аналитическим способом, представленным на рис. 60.

В данной схеме гасящее сопротивление R_г служит для удержания рабочей точки на пологом участке характеристики стабилитрона. При изменении входного напряжения меняются токи, протекающие через стабилитрон и гасящий резистор, а напряжение на выходе стабилизатора и нагрузке, также как и ток через нагрузку, оказывается практически неизменными по причине нелинейности ВАХ стабилитрона. Таким образом, изменение входного напряжение сопровождается изменением падения напряжения на гасящем резисторе, вызванном изменением тока стабилитрона. Изменение тока нагрузки или ее сопротивления приводит к аналогичным изменению и также вызывает изменение тока стабилитрона.

Величину входного напряжения можно записать следующим образом:

U_вх=(I_ст+I_н)R_г+U_вых.

Тогда напряжение, падающее на стабилизаторе, равно:

U_ст=U_вых-I_стr_ст,

исходя из этого:

I_н=U_вых/R_н.

Обычно справедливо r_ст << R_гас, тогда

Аналогично, с учетом I_н=U_вых/R_н получим

Изменение D U_вх ослабляется в R_г/r_ст раз. Следовательно, коэффициент нестабильности по напряжению:

и току:

Например, при использовании стабилирона Д814В:

U_ст =10 В, r_ст =10 Ом, R_г =1 кОм, R_н =1 кОм, U_вых =10 В => R_вых =10 Ом, k_ст =100, k_{н U} =0.1 %/B, k_{н I} =1 %

Влияние изменения напряжения стабилитрона можно описать коэффициентом:

Т.е. любое изменение U_ст полностью передается на выход.

DU_ст=gDt° (30°С < t < 60°С),

причем, если U_ст <5В, то используем -g, а при U_ст >5В - +g!

Большинство параметров определяются при постоянном значении U_ст, который изменяется, в первую очередь, из-за влияния температуры. Для уменьшения влияния температуры на значение выходного напряжения используются температурно - компенсированные схемы.

Простые стабилизаторы не могут обеспечить стабильное напряжение на нагрузке, если изменения ее тока велики. Кроме того, часто бывает надо получить еще более стабильное напряжение. Для его получения можно использовать многокаскадные параметрические стабилизаторы.

5.2.2 Многокаскадные параметрические стабилизаторы.

Схема многокаскадного параметрического стабилизатора представлена на рис. 61.

Здесь исходя из параметров предыдущей схемы:

R_вых=r_ст,

U_вых=U_ст2,

k_сгл= k_сгл1k_сгл2.

КПД многокаскадного стабилизатора на стабилитроне мал. Его можно оценить: h=P_вых/P_вх, реально КПД порядка долей – единиц процентов. Для многокаскадных схем это значение еще меньше. Из полученных формул видно, что данный стабилизатор позволяет получать значительно лучше стабилизированное напряжение, чем предыдущая схема. Однако по причине малой мощности, такие стабилизаторы на практике чаще используются в качестве источников постоянного эталонного напряжения для других схем стабилизаторов.

5.3 Компенсационный стабилизатор.

Мощные компенсационные стабилизаторы могут быть выполнены как по последовательной, так и по параллельной схеме.

Схема последовательного компенсационного стабилизатора представлена на рис. 62.

В этой схеме КПД может быть достаточно велик (до 80-95%), причем чем больше U_вых отличается от U_вх, тем меньше КПД. Здесь коэффициент сглаживания может достигать 1.000-10.000, есть возможность регулировки U_вых.

Схемы параллельного компенсационного стабилизатора используются редко.