Основи електроніки (стр. 20 )

В параметричних стабілізаторах використовуються елементи з нелінійною залежністю між струмом і напругою (з нелінійною вольт-амперної характеристикою). Такими елементами можуть служити електронні лампи, транзистори, іонні стабілітрони, бареттера, дроселі і т. д. Принцип дії параметричних стабілізаторів заснований на зміні опору (або інших параметрів) нелінійних елементів, що входять в їх схему, при зміні прикладеної до них напруги або струму, що проходить через них. В результаті перерозподілу струмів і напруг між окремими елементами схеми досягається стабілізація вихідної напруги або струму.

В параметричних стабілізаторах можуть використовуватися також кремнієві стабілітрони, варистори, терморезистори і деякі інші прилади.

Сутність компенсаційного методу стабілізації зводиться до автоматичного регулювання вихідної напруги.

5.7 Структурні схеми компенсаційних стабілізаторів

У компенсаційних стабілізаторах проводиться порівняння фактичної величини вихідної напруги з його заданою величиною і в залежності від величини і знака неузгодженості між ними автоматично здійснюється коригуючий вплив на елементи стабілізатора, спрямований на зменшення цієї неузгодженості.

Рис.8

Схеми компенсаційних стабілізаторів постійної бувають послідовного і паралельного типів (рис. 8). Основними елементами таких стабілізаторів є: джерело опорної (еталонної) напруги (Е); порівнюючий і підсилювальний елемент (СУ); регулюючий елемент (Р).

В стабілізаторах послідовного типу (рис. 8, а) регулюючий елемент включений послідовно з джерелом вхідної напруги UВХ і навантаженням Rн. Якщо з якихось причин напруга на виході Uвих відхилилося від свого номінального значення, то різниця еталонної і вихідної напруг змінюється, посилюється і впливає на регулюючий елемент. При цьому опір регулюючого елемента автоматично змінюється і напруга UВХ розподіляється між Р і Rн таким чином, щоб компенсувати виникші зміни напруги на навантаженні.

У схемі паралельного стабілізатора компенсаційного типу (рис. 8, б) при відхиленні напруги на виході від номінальної виділяється сигнал, рівний різниці еталонної і вихідної напруги, посилюється елементом СУ і впливає на регулюючий елемент Р, включений паралельно навантаженню. Струм регулюючого елемента Ір змінюється. Тому на баластному опорі Rб включеному послідовно з Rн змінюється падіння напруги, а напруга на виході () залишиться стабільним.

Стабілізація вихідної напруги відбувається безперервно і, завдяки використанню електронних елементів, дуже швидко. Будь-які, навіть самі незначні, відхилення вихідної напруги від заданого номінального значення відразу ж зустрічають протидію схеми, тим сильніше, чим сильніші ці відхилення.

Різниця наведених схем полягає в наступному. В послідовних стабілізаторах напруга на регулюючому елементі зростає при збільшенні напруги на навантаженні, а струм приблизно дорівнює струму навантаження. У паралельних стабілізаторах напруга на регулюючому елементі не залежить від вхідної напруги, а струм знаходиться в прямій залежності від напруги на навантаженні.

Стабілізатори паралельного типу мають невисокий к. к. д. і застосовуються порівняно рідко. Для стабілізації підвищених напруг і струмів, а також при змінних навантаженнях зазвичай використовуються стабілізатори напруги послідовного типу. Їх недоліком є те, що при короткому замиканні на виході до регулюючого елементу буде прикладена вся вхідна напруга. Цю обставину необхідно враховувати при експлуатації стабілізатору.

5.8 Основні параметри стабілізаторів

Основними параметрами, що характеризують стабілізатор, є:
1. Коефіцієнт стабілізації, що представляє собою відношення відносної зміни напруги (струму) на вході до відносної зміни напруги (струму) на виході стабілізатора (при постійному опорі навантаження).

Коефіцієнти стабілізації по напрузі КстU і струму КстІ рівні:

де Uвх і Uвих - номінальні напруги на вході і виході стабілізатора; ΔUвх і ΔUвих - зміни напруг на вході і виході стабілізатора;Івих - номінальний струм на виході стабілізатора; ΔІвих - відхилення вихідного струму стабілізатора від номінального значення. Коефіцієнти стабілізації служать основними критеріями для вибору раціональної схеми стабілізатора та оцінки її параметрів.

2. Вихідний опір, що характеризує зміну вихідної напруги при зміні струму навантаження і незмінній вхідній напрузі

при

Бажано, щоб Rвих було невеликої величини. При цьому зменшується загальний внутрішній опір блоку живлення, що призводить до зменшення падіння напруги на ньому і сприяє підвищенню стійкості роботи багатокаскадних схем, що живляться від загального джерела.

3. Коефіцієнт корисної дії, рівний відношенню потужності в навантаженні до номінальної вхідної потужності:

4. Дрейф (допустима нестабільність) вихідної напруги. Тимчасовий і температурний дрейф характеризується величиною відносної або абсолютної зміни вихідної напруги за відповідний проміжок часу або в певному інтервалі температур.

5.9 Напівпровідникові стабілізатори постійної напруги компенсаційного типу

Найпростіша схема однокаскадного стабілізатора послідовного типу без підсилювального елементу наведена на рис. 9, а. Тут опорним елементом, на якому створюється еталонна напруга є стабілітрон Д, а роль порівнюючого і регулюючого елемента виконує транзистор Т.

Рис.9

Вихідна напруга являє собою різницю між опорною напругою і напругою UЕБ ( Uвих =Uст - UЕБ). В нормальному режимі, коли відсутня дестабілізація, режим роботи регулюючого транзистора вибирають так, щоб він був не повністю відкритий напругою зміщення емітер - база, яка становить величину порядку 0,1-0,3 В. Вихідна напруга при цьому практично дорівнює опорній напрузі (Uвих =Uст). Припустимо, що з якихось причин напруга на виході стабілізатор зменшилася. Напруга на стабілітроні, включеному між позитивним полюсом джерела напруги і базою регулюючого транзистора, при цьому практично не змінюється. Враховуючи, що регулюючий транзистор фактично включений за схемою емітерного повторювача, зменшення напруги на опорі навантаження можна розглядати як-збільшення позитивного потенціала емітера по відношенню до бази. З цієї причини опір транзистора зменшиться і падіння напруги на опорі навантаження відновиться до початкового (номінального) значення. Аналогічно працює схема і при підвищенні вихідної напруги.

Визначимо основні параметри однокаскадного стабілізатора. Для цього скористаємося еквівалентною схемою, наведеною на рис. 9, б. Вихідний опір стабілізатора дорівнює вихідному опору емітерного повторювача і при досить великих rк і RБ становитиме

Коефіцієнт стабілізації по напрузі можна розрахувати за такою наближеною формулою:

Відношення можна записати у вигляді

де - коефіцієнт, що характеризує використання вхідної напруги.

Тоді вираз коефіцієнта стабілізації набуде вигляду

 Для даної схеми Кстu ~ 150…300. Коефіцієнт корисної дії стабілізатора дорівнює

де IRБ - струм, що протікає через резистор RБ.

При струмах навантаження к. к. д. стабілізатора

Величину опору можна розрахувати за формулою

На рис. 10 наведена схема послідовного транзисторного стабілізатора з підсилювачем в колі зворотного зв'язку, що відрізняється більш високим коефіцієнтом стабілізації. У цій схемі транзистор VТ2 є одночасно порівнюючим і підсилювальним елементом, а транзистор VT1 виконує

функції регулюючого елемента.

Рис. 10

 

Напруга між базою і емітером транзистора VТ2 дорівнює різниці напруг Uоп і UR2. Якщо з якоїсь причини напруга на навантаженні зросте, то збільшиться напруга яка прикладена в прямому напрямку до емітерного переходу транзистора VТ2. Внаслідок цього збільшиться емітерний і колекторний струми даного транзистора. Проходячи через резистор R1 колекторний струм транзистора VТ2 створить на ньому падіння напруги, яка за своєю полярнiстю є протилежною для емітерного переходу транзистора VT1. Емітерний і колекторний струми цього транзистора зменшаться, що приведе до відновлення номінальної напруги на навантаженні. Точно так само можна простежити зміни струмів при зменшенні напруги на навантаженні.

Коефіцієнт стабілізації схеми визначається за формулою

де КТ2 - коефіцієнт посилення підсилювача постійного струму на транзисторі VТ2; - число, яке показує, у скільки разів напруга менша напруги .