Меню

Параметрический стабилизатор напряжения компенсационного типа



Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения.

Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем. Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.

В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения ΔUРЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при применении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.

В схеме, приведенной на рисунке 1, коэффициент передачи элемента регулирования Kр определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора. Эталонное напряжение Uэт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится делитель напряжения с коэффициентом деления Kд. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки ΔUE. Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:

Принцип работы компенсационного стабилизатора лучше пояснить по принципиальной схеме. Подобная схема, выполненная на двух транзисторах, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения

В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Схема сравнения реализована на транзисторе VT2. Ток этого транзистора зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R3, R4.

Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.

Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.

Рисунок 3. Схема Дарлингтона

Коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше Kу, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения Uвх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего токовое зеркало.

Читайте также:  Что такое артериальная гипертензия стенокардия напряжения


Рисунок 4. Принципиальная схема токового зеркала

В результате получается схема, подобная схеме стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора, поэтому выгоднее подобрать готовый стабилизатор на необходимое напряжение.

Рисунок 5. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805

Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисунке 6

Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805

Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать выходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог — стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на выходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, микросхема 7809 сформирует на выходе напряжение 9В, микросхема 7812 обеспечит напряжение 12В.

Так как через силовой транзистор (элемент регулировки) протекает весь ток нагрузки, то на нем выделяется тепловая энергия, которую необходимо рассеять в окружающем пространстве. Поэтому обычно этот стабилизатор размещается на радиаторе. Для удобства крепления микросхема выполняется в специально разработанном корпусе TO-220, который даже без радиатора способен рассеять до 1 Вт тепла.


Рисунок 7. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 7805

В ряде случаев такой большой ток не требуется, поэтому были разработаны микросхемы маломощных стабилизаторов напряжения. Наиболее распространены микросхемы LM78L05. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах, таких как SOIC, SOT-89, DSBGA или TO-92. Отечественные малогабаритные стабилизаторы — КР1157. Их схема включения не отличается от схемы, приведенной на рисунке 6, но конструкция совершенно другая.


Рисунок 8. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 78L05

Как видно из приведенных примеров, компенсационные стабилизаторы нашли широкое применение в современных компьютерах, сотовых телефонах и рациях.

Дата последнего обновления файла 21.05.2019

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Компенсационный стабилизатор напряжения. Расчёт стабилизатора напряжения (meanders.ru)
  6. LDO-преобразователи с низким током собственного потребления и малым падением напряжения (compel.ru)
  7. Одноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments (rlocman.ru)
  8. 3 Pin 1.5A Fixed 5V Positive Voltage Regulator (ti.com)
  9. 1A LOW DROPOUT POSITIVE FIXED 2.5V REGULATOR (gaw.ru)

Вместе со статьей «Компенсационные стабилизаторы» читают:

Источник

Стабилизаторы тока и напряжения: параметрические и компенсационные, их параметры и характеристики

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды. Существует три вида стабилизаторов: параметрические, компенсационные и импульсные.

Параметрический стабилизатор напряжения (ПСН) использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в мощных компенсационных стабилизаторах или для стабилизации напряжения в высокоомных цепях (когда R н велико).

Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации – отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе:

Недостатками ПСН являются:

— малый КПД (из-за использования балластного резистора и значительного дополнительного тока через стабилитрон);

— малый коэффициент стабилизации K ст (для его увеличения включают два каскада ПСН);

— невозможность регулирования выходного напряжения;

Компенсацтонный стабилизатор напряжения (КСН) представляет собой систему автоматического регулирования (рис. 2.38). Он также относится к СН непрерывного действия. Сущность компенсационного метода стабилизации напряжения состоит в том, что в процессе работы с помощью измерительного устройства ИУ осуществляется сравнение выходного напряжения с опорным или эталонным, вырабатываемым источником опорного напряжения ИОН. Разностное напряжение усиливается усилителем У и подается на регулирующий элемент РЭ, сопротивление которого изменяется прямо пропорционально изменению выходного напряжения.

Читайте также:  Автоматическое отключение при достижении напряжения

КСН имеют КПД более высокий, чем ПСН, но все равно небольшой из-за потери значительной мощности на РЭ, работающего в активном режиме.

В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Существует два основных типа стабилизаторов тока. Один из них допускает произвольное изменение тока до пороговой вели­чины, выше которой прирост потребляемого тока невозможен. Это ограничители тока, полезные в качестве схем защиты. Дру­гой тип стабилизаторов тока поддерживает ток постоянным независимо от больших изменений в сопротивлении нагрузки. Они называются источниками постоянного тока (ИПТ).

Ограничители тока обычно основаны на использовании опе­рационного усилителя или усилителя на транзисторе, восприни­мающего напряжение на резисторе, включенном последователь­но в цепь выхода. Резистор должен иметь очень малое сопротив­ление (несколько миллиом при больших токах), в противном случае из-за увеличения последовательного сопротивления ста­билизация напряжения будет сильно ухудшаться. Если напряжение на последовательном резисторе превышает порог, уста­новленный конструктором, то включается усилитель тока.

Основным параметром стабилизаторов тока, кроме выходного сопротивления, является коэффициент ста­билизации выходного тока, равный отношению относительного приращения входного тока к относительному приращению тока на­грузки, т. е.

Основные параметры и харак – ки усилителей. Классы усиления. Обратные связи в усилителях, их влияние на работу усилителя.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Основными параметрами усилителя являются:

— K U = U вых / U вх – коэффициент усиления напряжения;

— K I = I вых / I вх – коэффициент усиления тока;

— K P = P вых / P вх = U вых I вых / U вх I вх = K UK I – коэффициент усиления мощности;

— R вх и R вых – соответственно входное и выходное сопротивления усилителя.

класс «A» — линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперная характеристика), отсуствие переходных искажений, но низкий кпд (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева; класс «В» — лампы или транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности «стыковки» верхней и нижней полуволн сигнала; класс «С» этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке — резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока. класс «AB» — компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала («стыковка» ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается. класс «D» — это особый класс на основе ШИМ. Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства — очень высокая экономичность, недостатки — ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять. класс Е — если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E — в ключевом режиме. В основном используется опять же, в ВЧ аппаратуре. класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности. класс Н — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то типа ключевого усилителя класса D. класс T — похож на класс D, но с использованием цифровой коррекции сигнала.

Читайте также:  Регулятор напряжения генератора ваз 2107 инжектор где находится

Обратной связью в усилителе (в целом) или же в отдельно взятом каскаде называется такая связь между входом и выходом, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода передаётся на вход.

Обратная связь оказывает большое влияние на параметры усилительных каскадов. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи пропорционален напряжению на выходе усилителя. Есть и обратные связи по току — в них сигнал обратной связи снимается обычно с резистора, включенного последовательно с нагрузкой. В этом случае падение напряжения на этом резисторе (а следовательно, и напряжение обратной связи) пропорционально току нагрузки. Обратная связь характеризуется важным параметром — глубиной А. Он определяет, во сколько раз изменяются параметры усилителя при введении обратной связи. Глубина обратной связи по напряжению определяется как А = 1 — росК0, где Рос — коэффициент, указывающий, какая часть напряжения подается в виде сигнала обратной связи, К0 — коэффициент усиления усилителя. Классификация: По способу своего возникновения обратная связь может быть: 1.Внутренней 2.Паразитной 3.Искусственной По признаку петлевого усиления: 1.Положительную ОС (ПОС) 2.Отрицательную ОС (ООС)
В зависимости от способа подключения ОС к выходу усилителя: 1.Ос по току 2. Ос по напряжению.

Источник

Принцип действия и устройство компенсационных стабилизаторов напряжения и тока

Для стабилизации величин напряжений и токов применяют стабилизаторы. Они бывают компенсационными и параметрическими. В данной статье мы рассмотрим компенсационные стабилизаторы.

Компенсационный стабилизатор тока

Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора тока, которая очень распространена во всяких схемах, приведена ниже:

От схемы параметрического стабилизатора ее отличает то, что стабилизирующим элементом тут является совокупность транзистора Т, резистора R Е и источника опорного напряжения U оп .

Схема функционирует следующим образом: при подаче внешнего напряжения U вх в цепи устанавливается заданный ток. На R Е падает напряжение, которое вместе с U оп обеспечивает между базой и эмиттером условия для этого тока. Когда же по каким либо причинам ток в нагрузке пытается измениться (например, увеличиться из-за увеличения питающего напряжения U вх), то увеличивается и падение на R E. Увеличение этого падения, поданное на базу положительным знаком, приведет к уменьшению общего тока, который мог бы увеличиться. Иначе говоря, подача положительного напряжения на базу относительно эмиттера увеличивает сопротивление транзистора. И на этом падение будет увеличиваться (при практически не увеличенном токе), чем и будет компенсироваться прирост питающего напряжения.

Компенсационный стабилизатор напряжения

Наиболее распространенная, но и самая простая схема стабилизатора напряжения приведена ниже:

Роль источника опорного напряжения в ней играет цепочка R б -C т, что представляет собой уже знакомый нам параметрический стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном С т (одновременно на этой схеме показано условное обозначение кремневого стабилитрона). Напряжение U c т изменяется мало. Ее выбирают несколько большей, чем U н таким образом, чтобы обеспечить управляющее напряжение U БЕ=U ст — U н

Напряжение U н на нагрузке равняется разнице U вх— U БЕ. Если U вх например, увеличивается должен увеличиться общий ток, который увеличит U н . Однако наименьшее увеличение U н уменьшит U БЕ, транзистор уменьшит свой ток, что и компенсирует возможное повышение U н.

Разберем работу этой схемы подробнее. Для этого заменим транзистор его ранее рассмотренной эквивалентной схемой, положив в ней h 12Б=0, а стабилитрон заменим его динамическим сопротивлением R Д. Полученную таким образом схему:

Несколько упростим, отбросив резистор с проводимостью h 22Б, который зашунтирован значительно меньшим сопротивлением R б. Получим остаточную расчетную схему:

По принципу суперпозиции отыщем только отношение ∆U вх / ∆U н , что входит множителем в выражение для коэффициента стабилизации.

Источник