Меню

Увеличение коэффициента стабилизации стабилизатора



Способы повышения качества стабилизации в параметрических стабилизаторах напряжения в цепи постоянного тока

Коэффициент стабилизации может быть увеличен:

— каскадным (последовательным включением параметрических стабилизаторов;

— использованием мостовой схемы;

— включением вместо резистора R 0 токостабилизирующего двухполюсника.

Для повышения стабильности выходного напряжения применяют каскадные схемы стабилизаторов.

При каскадном соединении , но при этом происходит снижение КПД. Так, если каждый из стабилизаторов имеет КПД 0.33, то результирующий равен . Поэтому такое включение используется в эталонных источниках.

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах достигается за счёт компенсации.

Очевидно, что напряжения на стабилитронах должны быть различными (иначе напряжение на нагрузке будет равно нулю). Теоретически может быть равен бесконечности, если обеспечить равенство .

В этой схеме возможно получение очень низких выходных напряжений и малых температурных коэффициентов за счет использования стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами. Но и здесь повышение коэффициента стабилизации по напряжению связано со снижением КПД. Выходное сопротивление равно сумме дифференциальных сопротивлений стабилитронов.

Повысить стабильность без ухудшения КПД позволяет использование простейшего стабилизатора тока (токостабилизирующего двухполюсника).

Стабилизатор тока (эмиттерный повторитель ):

Независимо от , при и ток Iд =const. Получили двухполюсник, в котором Ек изменяется, а ток Iд не меняется.

Пример использования стабилизатора тока в параметрическом стабилизаторе.

Здесь основной стабилитрон VD2. При стабильном токе через выходное напряжение стабильно в широких пределах изменения .Температурные уходы здесь такие же как и в простейшей схеме.

Для повышения мощности в нагрузке можно использовать эмиттерный повторитель на выходе:

Здесь параметрический стабилизатор (резистор R B и стабилитрон VD) нагружается входным сопротивлением усилительного каскада, включенного по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) .

При этом любое изменение U 2 (например, вызванное изменением R H ) вызывает соответствующее изменение U БЭ и последующее “приоткрывание” или “призакрывание” транзистора VT. Таким образом, УПТ выполняет усиление сигнала по мощности. При этом коэффициент стабилизации стремится

Источник

Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

Компенсационный стабилизатор – это система автоматического регулирования с ООС.

Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки U e , как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. В зависимости от U e изменяется состояние РЭ, за счет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U ВЫХ . Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого усиления К пет :

где К д — коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К у – коэффициент усиления по току транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия К р =β 1 Ч β 2 Ч Ч Ч βn– к оэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия: , где пм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Если цепь ОС разорвать, то . Поэтому надо иметь как можно меньше! Это является важной предпосылкой для синтеза РЭ.

Если замкнуть цепь ОС, то процесс регулирования можно представить так:

Знак минус в первом уравнении говорит о том, что ОС – отрицательная.

Решим систему относительно :

Это и есть основное уравнение стабилизатора в установившемся режиме. Очевидно, что петлевое усиление должно быть большим и, если , а >> 1.

Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия:

1 Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного или дифференциального усилителя . При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ОС. Включение цепей коррекции (интегро-дифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U 1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U Н . Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U 1 , увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Читайте также:  Стабилизатор land rover freelander

Для увеличения коэффициента усиления Ку можно увеличить сопротивление нагрузки УПТ — R1 и, соответственно, напряжение питания, подавая его на УПТ от отдельного внешнего источника U 11 .

2. Введение токостабилизирующего звена в выходной цепи УПТ, при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя.

При возрастании входного напряжения U 1 напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения на резисторе R2. При этом выходной ток стабилизатора тока (I K1 ) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ зависит только от уровня напряжения обратной связи и не зависит от входного напряжения.

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения , которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора, но плавная регулировка выходного напряжения невозможна.

Стабилизатор с выходным напряжением меньше чем можно построить по схеме :

Здесь VD1 подключен к дополнительному источнику . Выходное напряжение

Главное, что бы обеспечивался нормальный режим VT2 по постоянному току. Здесь выходной делитель следит за изменением не выходного напряжения, а за суммой .

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность КСН и малый временной дрейф применяют дифференциальные схемы сравнения (особенно при низких выходных напряжениях).

Здесь VT2 – эмиттерный повторитель. Он создаёт напряжение Uэт’=Uэт – Uэб, а усилительный элемент(VT3) считает его эталоном. В итоге, в диагональ измерительного моста встречно включены два участка э-б, тогда температурный дрейф их токов в одинаковой степени смещает рабочие точки и дестабилизации напряжения на коллекторе VT3 не возникает.

Поскольку КСН – схемы с обратной связью, то они могут возбуждаться, т. е становиться генераторами колебаний. В этом значительную роль играют флуктуации входного напряжения (и токи нагрузки) а также инерционные свойства транзисторных каскадов. Обычно выход КСН шунтируют конденсатором С, что повышает нагрузочную способность при работе на импульсную нагрузку и повышает устойчивость. Конденсатор ограничивает полосу пропускания усилителя цепи ОС, что повышает устойчивость, но и снижает полосу пропускания КСН для дестабилизирующих воздействий. Удобно рассмотреть частотную зависимость выходного сопротивления стабилизатора —

1,2 – области нормальной работы стабилизатора

ω 0 — частота возможного резонанса LC фильтра на вход стабилизатора

ω Р — граничная частота полосы пропускания усилительного элемента (УЭ)

4 – область, определяемая частотными свойствами конденсатора нагрузки С.

Для получения малых выходных напряжений любой полярности обычно используют встречное включение двух стабилизаторов.

Здесь может быть любой полярности и величины. Выходное сопротивление выше, а коэффициент стабилизации ниже, чем у одного стабилизатора.

Стабилизаторы помимо K U , характеризуются ещё и коэффициентом сглаживания пульсаций — q, которые в общем случае не равны. Неравенство может быть в ту или другую сторону. Для повышения q , верхнее плечо следящего делителя шунтируют ёмкостью (см схему) и его коэффициент передачи K Д для пульсаций получается больше, чем для постоянной составляющей и петлевое усиление выше.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (РЭ работает в ключевом режиме).

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель(R5,R6), усилительный элемент (DA1) и ШИМ (DA2 ).

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет два состояния. При подаче управляющего импульса (U ШИМ ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U 1 через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно-модулированного сигнала) энергия дросселя передается через обратный диод VD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то возникает режим прерывистого тока дросселя, при котором конденсатор разряжается в нагрузку.

Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом передачи Kд = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования DA1 с коэффициентом передачи Kу (U e = U ОС – U ЭТ ); компаратор напряжения DA2, который формирует ШИМ — сигнал. Он равен “1”, если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения U ОС . При возрастании входного напряжения U 1 уменьшается площадь между уровнем напряжения “пилы” и U ОС , что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U 2 восстанавливается.

Читайте также:  Стабилизатор задний додж караван

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель Линейный источник питания Импульсный источник питания
Стоимость Низкая Высока
Масса Большая Небольшая
ВЧ-шум Отсутствует Высокий
КПД 35 — 50 % 70 — 90 %
Несколько выходов Нет Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Читайте также:  Бесперебойный источник питания стабилизатор бытовой

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема стабилизатора с последовательным включением транзистора

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема стабилизатора напряжения с составным транзистором

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Adblock
detector