Реферат: Стабилизаторы напряжения

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 U₂ 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 U₂ доходит до 10% и более, т.е. намного превышает нестабильность напряжения U₁ 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 DU₁ = DU₂ = 0 следует DI_Р = DI_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 = U₁ – U₂ . Но в момент включения (с учетом емкости на выходе) и при коротком замыкании U_Р = U₁ , из-за чего регулирующий элемент выбирают из условия U_{Р max} = U_{1 max} .

Полагая в (3) DU₁ = 0, и , имеем

, (4)

где параметры , R_У , K_i аналогичны параметрам параллельного СТ, а подставляя сюда же и те же DI_Р и DI_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 Е₀ и балластным сопротивлением R₀ . 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 ,, b – параметры транзистора VTв 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, b = 30, I_К = 0,25 А и r_д = 10 Ом выходное сопротивление и коэффициент стабилизации примерно равны 1 Ом и 125 раз. Величина Kприемлема, но R_вых сравнительно велико и ограничивает максимальный ток нагрузки в однокаскадном СТ.

В рассматриваемом СТ напряжение Е₀ предполагалось абсолютно постоянным. На практике диодный СТ питается от того же источника. Обозначив DЕ₀ = h×DU₁ (h< 1) и включив этот источник переменного напряжения последовательно с сопротивлением R₀ , можно показать, что коэффициент стабилизации уменьшается в (1+) раз. Наиболее часто балластное сопротивление R₀ 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 VTпренебрегаем). Поэтому коэффициент стабилизации СТ близок к аналогичному опорной части, который по причине небольшого значения R₀ (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 , b₁ – ток коллектора транзистора VT1 и коэффициент передачи его тока в схеме с ОЭ; R_вх2 , r_Б2 , r_Э2 , b₂ – входное сопротивление и параметры транзистора VT2; r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона VD. Например, при I_К2 = 10 мА, r_Б2 = 50 Ом, b₁ = b₂ = 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 VDпревышает 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 VDвключают 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 << U₂ , 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 U₂ »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 U₂ представлен на рис. 4, г. Он пригоден также в параллельных СТ. Полагая U_БЭ » 0, имеем . Для уменьшения параметра R_У сопротивление R₂ выбирают малым, так что и . При таком низкоомном делителе, сделав сопротивления переменными, можно плавно регулировать выходное напряжение.