Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока. Стабилизатор напряжения параметрический схема

2.2. Параметрический стабилизатор напряжения

Пробой p-n-перехода– явление резко-

го увеличения дифференциальной про- водимостиp-n-переходапри достижении обратным напряжением(током) крити- ческого для данного прибора значения.

Необратимые изменения в переходе не являются необходимым следствием пробоя.

Электрическийпробойp-n-перехода–

пробой p-n-перехода, обусловленный ла-

винным размножением носителей заряда или туннельным эффектом.

Лавинный пробой p-n-перехода–

электрический пробой p-n-перехода, вы- Рис. 2.9 званный лавинным размножением носи-

телей заряда под действием сильного

электрического поля.

Туннельный пробой p-n-перехода– электрический пробойp-n-перехода, вызванный туннельным эффектом.

Тепловой пробой p-n-перехода– пробойp-n-перехода, вызванный ростом

числа носителей заряда в результате нарушения равновесия между выделяемым в p-n-переходеи отводимым от него теплом.

Устройство, предназначенное для стабилизации постоянного напряжения, в котором используется стабилитрон, называется параметрическим стабилизатором напряжения, поскольку его характеристики полностью определяются пара- метрами стабилитрона. Схема такого стабилизатора напряжения представлена на рис. 2.10. Нагрузка подключена параллельно стабилитрону, при этом напряжение на ней остается постоянным с определенной степенью точности. При этом ток ста- билитрона, который задается гасящим или балластным резисторомR Г , должен лежать в диапазонеIст min KIст max .

Требуемую величину сопротивления рези- стораR Г легко найти, составив для данной

схемы уравнения по законам Кирхгофа:
IR = Iст + Iн ,	(2.10)
Uвх = IRRГ + Uвых .	(2.11)

После подстановки (2.10) в(2.11) получим

Рис. 2.10 RГ =Uвх − Uвых . (2.12)

Iст + Iн

Обычно разработчики задаются током стабилитрона из следующего условия:

Iст min ≤ Iст ≤ Iст max − Iн ,

(2.13)

studfiles.net

Для чего используют параметрический стабилизатор?

С изобретением элементов с нелинейной характеристикой появились самые различные схемы с их использованием. Наиболее простой и надежной является схема, получившая название параметрический стабилизатор. Он прекрасно справляется со стабилизацией напряжения, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации.

Полупроводниковый прибор стабилитрон можно сравнить с обратно включенным диодом. Только пробой по напряжению в обратном направлении в случае со стабилитроном является нормальным режимом его работы. Это свойство широко используется в самых различных схемах, где требуется по каким-то причинам ограничить входной сигнал по напряжению. Это могут быть устройства согласования, когда необходимо преобразовать сигнал с одного уровня в другой, более низкий. Либо схемы защиты от перенапряжений или импульсных помех. Параметрический стабилизатор напряжения обладает хорошим быстродействием и прекрасно защищает от импульсных помех чувствительные устройства. Его присутствие в схемах электроники стало нормой хорошего проектирования, при котором учитываются все возможные режимы работы оборудования.

параметрический стабилизатор напряжения Схема такого стабилизатора настолько проста в проектировании и изготовлении, что не потребует каких-то особых знаний. Главное - правильно рассчитать ток пробоя стабилитрона, чтобы не повредить чувствительный к токовым перегрузкам прибор. Для этого в цепь стабилитрона включают токоограничивающий резистор. Параметрический стабилизатор можно сравнить с делителем напряжения, в одном плече которого заложена нелинейная характеристика стабилитрона. Стабилизированное напряжение снимается, соответственно, со стабилитрона, может служить опорным напряжением и использоваться для дальнейшего преобразования.

трехфазный стабилизатор Кроме стабилизаторов по напряжению также в электронике используется параметрический стабилизатор тока. Это устройство схоже по принципу своего действия со своим предшественником, но объектом преобразования в этом случае становится ток. Стабилизация тока используется в электронных схемах, которые защищают различные устройства от токовых перегрузок. Примером применения таких устройств может служить ограничение по нагрузке в усилителях звуковой частоты. Параметрический стабилизатор тока широко применяется на производстве.

Все вышеперечисленные устройства прекрасно работают в однофазных цепях или логических схемах. В трехфазных цепях также используются устройства стабилизации, одним из которых является трехфазный стабилизатор. Данное устройство работает по такому же принципу, что и однофазное, только в этом случае происходит стабилизация напряжения сразу по трем фазам. В настоящее время разработаны различные схемы такого стабилизатора, целью которых является повышение точности стабилизации фазного выходного напряжения. Особое внимание при проектировании таких схем уделяется источнику опорного напряжения и выходным силовым элементам стабилизатора. Такие устройства достаточно просты и надежны в эксплуатации.

fb.ru

Параметрические стабилизаторы с повышенной нагрузочной способностью

Типовые схемы параметрических стабилизаторов обеспечивают приемлемые параметры только при достаточно малых тока нагрузки (не более \({0,5...1} \cdot I_{ст max}\)). Для питания более мощных цепей требуются дополнительные меры.

Может показаться, что проблема разрешима при параллельном включении нескольких однотипных стабилитронов на выходе стабилизатора. Однако делать это недопустимо, поскольку из-за разброса параметров стабилитроны будут работать в существенно различающихся режимах. В крайнем случае можно применить стабилитрон с большей мощностью. Если же таким образом повысить ток нагрузки до требуемого уровня не удается, то можно применить дополнительный транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя (рис. 3.5-6).

Рис. 3.5-6. Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

В такой схеме максимально допустимый ток нагрузки повышается в \(h_{21э}\) раз (\(h_{21э}\) — статический коэффициент усиления тока базы транзистора). Значение резистора \(R1\) (балластный резистор) должно подбираться в зависимости от конкретного тока нагрузки (\(I_{н max} = I_{VT1} \cdot h_{21э} – I_{ст min} \cdot h_{21э}\)). Резистор \(R2\) обеспечивает нормальный режим работы транзистора при малых токах. Выходное напряжение стабилизатора равно: \(U_{вых} = U_{ст} – U_{б-э}\), где \(U_{ст}\) — напряжение стабилизации применяемого стабилитрона, \(U_{б-э}\) — напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора при включении эмиттерного повторителя не увеличивается.

Чтобы увеличить коэффициент стабилизации (в 5...10 раз) необходимо обеспечить постоянство тока стабилитрона при изменениях входного напряжения стабилизатора. Для этого балластный резистор заменяют источником тока. На рис. 3.5‑7 приведена схема стабилизатора с источником тока на биполярном транзисторе, а на рис. 3.5‑8 схемы стабилизаторов с эмиттерным повторителем и источником тока на полевом транзисторе.

Рис. 3.5-7. Параметрический стабилизатор с источником тока

Рис. 3.5-8. Параметрические стабилизаторы с эмиттерным повторителем и источником тока

Если в стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 3.5-8а выбрать \(R1 = 0\), то допустимый ток нагрузки достигнет максимального значения. Однако при этом несколько снижается коэффициент стабилизации. Его можно улучшить, если включить цепь обратной связи, обозначенную пунктиром. Эта цепь вместе с резистором \(R1\) образует для переменной составляющей напряжения на транзисторе \(VT2\) делитель, с выхода которого напряжение поступает в цепь управления этим транзистором таким образом, что ток базы транзистора изменяется в противофазе с напряжением пульсаций.

Применение источника тока для питания стабилитрона позволяет ограничить ток базы транзистора эмиттерного повторителя и, следовательно, ток коллектора этого транзистора при коротком замыкании в цепи нагрузки. Однако в стабилизаторах с большим значением выходного напряжения (особенно при применении германиевых транзисторов) возможен перегрев транзистора вследствие повышения рассеиваемой мощности и эффекта саморазогрева. В стабилизаторе по схеме рис. 3.5-8б действует ООС по току, поскольку ток нагрузки протекает через резистор \(R1\). Поэтому ток короткого замыкания очень слабо зависит от температуры корпуса транзистора \(VT2\) и лавинный саморазогрев не проявляется до температур порядка 50...60 °C. Ток короткого замыкания устанавливается подбором резистора \(R1\).

< Предыдущая Следующая >

www.club155.ru

Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока

В качестве РЭ, как правило, используют полупроводниковые стабилитроны, которые работают на обратном участке ВАХ – участке пробоя. Условное обозначение стабилитрона и его ВАХ приведены на рис.4.2

Рисунок 4.2 – Стабилитрон и его ВАХ

На рисунке 4.2 показаны три стабилитрона первый – обычный, с рабочей областью (1) и напряжением стабилизации вольт, второй – стабистор с рабочей областью (3) и вольт, третий – двухсторонний стабилитрон с симметричной ВАХ (третий и первый квадранты). На рабочем участке (1) значительным изменениям тока соответствует слабое изменение напряжения стабилизации . Если превысить , то мощность, рассеиваемая на стабилитроне превысит допустимую ( участок 4). При токе меньше стабилитрон выходит из режима стабилизации. Участок (2) является рабочим для других приборов – ограничителей напряжения, которые считаются приборами защиты, а не стабилизации.

К параметрам стабилитрона относятся:

а) напряжение стабилизации и пределы его изменения ;

б) номинальный ток и пределы его изменения ;

в) максимальная мощность ;

г) дифференциальное сопротивление на рабочем участке

; (4.10)

е) температурный коэффициент напряжения (ТКН) .

Последний показатель рассмотрим подробнее. Полупроводники очень чувствительны к температуре и их ВАХ существенно изменяются, как показано на рис.4.3. Для p-n перехода (диода) температурный коэффициент напряжения (ТКН) обычно составляет примерно .

Рисунок 4.3 – Температурные отклонения ВАХ

Это недопустимо большая величина. Значительно улучшить температурную стабильность можно путём последовательного включения переходов с ТКН разного знака (рис.4.4).

Рисунок 4.4 – Температурная компенсация ВАХ стабилитрона

Число термокомпенсирующих переходов может быть любым, но они увеличивают дифференциальное сопротивление. Поскольку, наименьшими дифференциальными сопротивлениями обладают стабилитроны с напряжением стабилизации около 6…7 вольт, то прецизионные (термокомпенсированные) приборы, выпускаются на напряжение 9…10 вольт при ТКН порядка [14,28] .

Шкала напряжений стабилизации, выпускаемых стабилитронов очень широка – от единиц до сотен вольт, токи стабилизации – от долей миллиампер до единиц ампер. Ёмкость перехода около 1…7 пФ, поэтому стабилитроны практически безинерционны на частотах до единиц мегагерц.

Дискретность напряжения стабилизации создаёт неудобства при построении многоканальных ВУ, что привело к появлению интегральных стабилитронов с управляемым напряжением стабилизации [28]. Их условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.4.5.

Рисунок 4.5 – Интегральный стабилитрон

Диапазон напряжений стабилизации 2,5…36 вольт при токе до 150мА, что перекрывает большинство применений стабилитронов в РЭА.

Основная схема параметрического стабилизатора приведена на рис.4.6.

Рисунок 4.6 – Параметрический стабилизатор

При заданных минимальном и максимальном значениях рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего участка (точки А и В рис.4.2).

Коэффициент стабилизации по входному напряжению:

, (4.11)

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона;

– коэффициент передачи постоянной составляющей со входа

на выход.

Если пренебречь током внутреннего потребления ( ), то . Чем больше , тем лучше, но сильно увеличивать нельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать , что приведет к снижению . Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном стабилитрона, набор которых далеко не бесконечен.

КПД параметрического стабилизатора равен

(4.12)

и обычно составляет из-за потерь в балластном резисторе . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.

Если требуется повысить стабильность выходного напряжения, то применяются каскадные или мостовые схемы стабилизаторов, которые приведены на рис. 4.7а,б соответственно.

В каскадных стабилизаторах результирующий коэффициент стабилизации и КПД равен произведению этих коэффициентов отдельных звеньев

(4.13)

Рисунок 4.7 – Разновидности параметрических стабилизаторов

а) каскадный; б) мостовой

Выходное сопротивление определяется только дифференциальным сопротивлением последнего стабилитрона (VD2). Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах достигается за счёт компенсации. Теоретически, коэффициент стабилизации по напряжению может быть равен бесконечности, если обеспечить равенство . (4.14)

В этой схеме возможно получение очень низких выходных напряжений и малых температурных коэффициентов ( меньше чем у отдельного стабилитрона) за счёт использования стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами. Повышение коэффициента стабилизации связано с уменьшением КПД. Повысить стабильность и КПД позволяет использование токостабилизирующего двухполюсника – ТД (простейшего стабилизатора тока). Его схема показана на рис. 4.8.

Рисунок 4.8 – Токостабилизирующий двухполюсник

В схеме эмиттерного повторителя (рис.4.8), независимо от напряжение на резисторе RЭ неизменно, равно и, по закону Ома, ток тоже будет неизменным. Получили двухполюсник – простейший стабилизатор тока ( ЕК изменяется, а ток IЭ не меняется). Его включают в схему параметрического стабилизатора вместо балластного резистора, как показано на рис.4.9 .

Рисунок 4.9 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим двухполюсником

В схеме рис. 4.9 основным является стабилитрон VD2, а VD1– элемент двухполюсника (ТД) служит для фиксации потенциала базы транзистора.

В качестве токостабилизирующего двухполюсника можно использовать полевой транзистор, как показано на рис.4.10.

Рисунок 4.10 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим

двухполюсником на полевом транзисторе

Применение двухполюсника позволяет стабилизировать ток через и существенно повысить стабильность выходного напряжения в широких пределах изменения . Температурная нестабильность здесь такая же, как и в основной схеме параметрического стабилизатора (определяется стабилитроном VD2,).

Для повышения мощности (тока) в нагрузке можно использовать эмиттерный повторитель (рис.4.11).

Рисунок 4.11 – Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

На рис.4.11а,б приведена одна и та же схема. Параметрический стабилизатор R0VD1 нагружен базовым током транзистора. Ток нагрузки примерно в раз больше, но выходное напряжение меньше напряжения стабилитрона на величину падения на базовом переходе транзистора и температурная стабильность за счёт последнего хуже.

Простейший параметрический стабилизатор - Club155.ru

Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 3.5-1.

Рис. 3.5-1. Простейший параметрический стабилизатор (а) и характеристики, поясняющие его работу (б)

Схема содержит балластный резистор \(R_б\) и стабилитрон \(VD1\), включаемый параллельно нагрузке \(R_н\) (т.е. это стабилизатор параллельного типа), в целях снижения пульсаций выходного напряжения при колебаниях тока в нагрузке может включаться фильтрующий конденсатор \(C_ф\). Принцип работы параметрического стабилизатора хорошо виден при рассмотрении нагрузочных характеристик, представленных на рис. 3.5-1б. Здесь кривая представляет собой вольт-амперную характеристику стабилитрона, а угол наклона прямой (\(\alpha\)) определяется сопротивлением балластного резистора \(R_б\) (\(\operatorname{tg} \alpha = 1/R_б\)). Точка пересечения данной прямой с осью напряжений определяется заданным напряжением на входе стабилизатора \(U_{вх}\), а точка пересечения с ВАХ стабилитрона характеризует текущий режим работы этого прибора (\(I_{ст}\), \(U_{ст} = U_{вых}\)).

Выходное напряжение стабилизатора (\(U_{вых}\)), а также ток стабилитрона (\(I_{ст}\)) определяются положением точки пересечения нагрузочной прямой резистора и ВАХ стабилитрона. Если значение входного напряжения изменится (например, увеличится), то изменится и положение прямой (на рис. 3.5-1б показано пунктиром), а рабочая точка стабилитрона сместится в сторону больших токов. При этом очевидно, что напряжение на стабилитроне (соответственно, и на нагрузке) останется практически неизменным (т.е. происходит его стабилизация на уровне, определяемом типом конкретного применяемого стабилитрона). Приведенные выкладки сделаны в предположении, что \(R_н \gg R_б\) и \(I_б \approx I_{ст}\). С уменьшением \(R_н\) существенная часть тока стабилитрона будет ответвляться в нагрузку (\(I_б = I_{ст} + I_н\)). Влияние тока нагрузки на нагрузочные характеристики, приведенные на рис. 3.5-1б может быть выражено смещением кривой, изображающей ВАХ стабилитрона, вниз по оси токов на величину тока нагрузки (положение нагрузочной прямой балластного резистора должно оставаться прежним). Если такое смещение будет незначительным, то оно не окажет влияния на выходное напряжение стабилизатора, однако если в результате него рабочая точка стабилитрона перейдет в область с высокой зависимостью напряжения от тока, то стабилизирующие свойства схемы будут нарушены.

Из проведенного анализа следует, что режим работы стабилитрона (положение рабочей точки на ВАХ прибора) определяется значением входного напряжения \(U_{вх}\) и сопротивлением балластного резистора \(R_б\). Оптимальный выбор этого резистора (для обеспечения наилучшей стабилизации выходного напряжения при колебаниях входного напряжения) возможен только при учете характера нагрузки (постоянная, переменная) и величины протекающего через нее тока (и возможного диапазона его изменения).

Более глубокий анализ рассматриваемого параметрического стабилизатора позволяет получить следующие выражения для коэффициента стабилизации \(K_{ст}\) и для расчета оптимальной величины балластного сопротивления \(R_б\):

\( K_{ст} \cfrac{\operatorname{\delta} U_{вх}}{\operatorname{\delta} U_{вых}} = \cfrac{U_{вых} \left( 1 - 0,01 \cdot \operatorname{\delta} U_{вх} \right)}{r_{ст} \left( I_{н max} + I_{ст min} \right)}\)

\( R_б = \cfrac{U_{вх} \left( 1 - 0,01 \cdot \operatorname{\delta} U_{вх} \right) - U_{вых}}{I_{н max} + I_{ст min}}\),

где:

\(r_{ст}\) — дифференциальное сопротивление стабилитрона,

\(\operatorname{\delta} U_{вх}\) — предельное относительное отклонение входного напряжения от его среднего значения, %.

Конкретное значение выходного стабилизированного напряжения определяется типономиналом применяемого стабилитрона. При выборе стабилитрона следует учитывать и такой параметр, как максимально допустимый ток стабилизации (\(I_{ст max}\)). При переменном характере нагрузки может потребоваться достаточно большой запас по этому значению. Если напряжение стабилизации мало (1...3 В), вместо стабилитронов должны применяться стабисторы. Кроме этого возможно использование многих широко распространенных светодиодов, которые, также как и стабисторы, имеют резкий изгиб прямой ветви вольт-амперной характеристики в диапазоне напряжений 1,5...2,5 В.

< Предыдущая Следующая >

www.club155.ru