Лекции 7-8 - Конспекты

ГЛАВА 6ЛИНЕЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 6СОДЕРЖАНИЕ6.1 Введение ............................................................................................................. 36.2 Основы линейной стабилизации.................................................................... 46.2.1 Принцип работы линейного стабилизатора ................................................... –6.2.2 Вывод соотношений для определения основных параметров ....................

156.3 Источники опорного напряжения ............................................................... 186.4 Интегральные стабилизаторы напряжения............................................... 296.5 LDO стабилизаторы ....................................................................................... 356.6 Стабилизаторы тока ...................................................................................... 476.7 Основы расчёта линейных стабилизаторов напряжения ........................ 526.8 Шумы в линейных стабилизаторах ............................................................. 562Электропитание РЭАГлава 66.1 ВведениеДля нормального функционирования большинства радиоэлектроннойаппаратуры (РЭА) необходимо обеспечить их стабильным напряжениемэлектропитания.

Устройства, автоматически поддерживающие неизменнымнапряжение (ток) на своём выходе, называют стабилизаторами напряжения(тока). Как правило, стабилизаторы входят в состав источника электропитания(ИЭП).Внастоящеевремянаибольшеераспространениеполучиликомпенсационные стабилизаторы постоянного напряжения. Они представляютсобой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательнойобратной связью (ОС).

Стабилизация в них осуществляется за счёт измененияпараметров регулирующего элемента (РЭ) – как правило, транзистора – привоздействии на него сигнала ОС. В компенсационных стабилизаторахтранзистор может работать как в непрерывном режиме (линейном), так и вимпульсном. Соответственно ИЭП с компенсационными стабилизатораминепрерывного действия принято называть линейными.Обобщённая структурная схема линейного ИЭП представлена на рисунке6.1.Рисунок 6.1 – Структура типового линейного ИЭПТр – трансформатор; В – выпрямитель; СФ – сглаживающий фильтр; Ст – стабилизаторнапряжения; Uвх – напряжение на входе ИЭП; Uвых – напряжение на выходе ИЭПОсновными элементами типового линейного ИЭП являются: силовойтрансформаторТр,выпрямительВ,сглаживающийфильтрСФикомпенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывнымрегулированием Ст.3Электропитание РЭАГлава 6Отметим, что в настоящее время сильна тенденция применения линейныхстабилизаторов как составных частей более сложных распределённых системэлектропитания, в которые наравне с линейными стабилизаторами могутвходитьимпульсныепреобразователинапряжения.Трансформаторыивыпрямители при этом как составные части линейного ИЭП не используют.Втаблице6.1приведеныприближённыезначениятребуемойстабильности напряжений электропитания для различной РЭА.Таблица 6.1№п/пЭлектрические цепи РЭА123456Радиовещательные станцииУскоряющие цепи электронно-лучевых приборовЭлектронные микроскопыКлистронные генераторыМногокаскадные усилители постоянного токаПриёмное радиолокационное устройствоДопустимыенестабильностинапряжения, %2-30,5-0,85·10-4-10-30,05-0,10,005-0,010,05-0,16.2 Основы линейной стабилизации6.2.1 Принцип работы линейного стабилизатораВ общем случае компенсационные стабилизаторы напряжения (тока) снепрерывнымрегулированиемобладаютлучшимипараметрами,чемпараметрические стабилизаторы.

Принцип их действия основан на том, чтопоследовательно(параллельный(последовательныйстабилизатор)сстабилизатор)нагрузкойRНилипараллельновключаютнекотороекомпенсационное сопротивление Rк, как это показано на рисунке 6.2.В схеме последовательного стабилизатора (рисунок 6.2а) входноенапряжение Uвх распределяется между Rк и RН: U вх  U к  U Н . Стабилизациянапряжения на нагрузке достигается за счёт изменения Rк, а следовательно, ипадения напряжения на Rк в соответствии с принципом:UН ↑ → Rк↑ → (Uк = Uвх – UН)↑ → UН ↓UН ↓ → Rк↓ → (Uк = Uвх – UН)↓ → UН ↑4Электропитание РЭАГлава 6а)б)Рисунок 6.2 – Эквивалентные схемы компенсационных стабилизаторова – последовательного; б – параллельногоПри параллельном соединении компенсационного резистора Rк инагрузки RН (рисунок 6.2б) входное напряжение Uвх подаётся на делительнапряжения,образованныйбалластнымрезисторомRбипараллельновключенными Rк и RН.

Стабилизация напряжения UН осуществляется за счётизменения Rк. При этом изменяется ток I вх  I к  I Н . Изменение Iвх приводит кизменению падения напряжения на балластном сопротивлении Rб – инапряжение на нагрузке поддерживается постоянным:UН ↑ → Rк↓ → Iк ↑ → (Iвх = Iк + IН)↑ → Uб ↑ → UН ↓UН ↓ → Rк↑ → Iк ↓ → (Iвх = Iк + IН)↓ → Uб ↓ → UН ↑ИзменениесопротивленияRквстабилизаторахпроисходитавтоматически в зависимости от текущих значений IН , Uвх и UН.Чаще всего в качестве Rк используют транзисторы (рисунок 6.3).

Прииспользовании биполярного транзистора Rк представляет собой сопротивлениепереходаколлектор-эмиттер.Управляющимэлектродомявляетсябазатранзистора. Для полевого транзистора Rк – сопротивление канала междустоком и истоком. Управляющим электродом является затвор.Чаще всего в линейных стабилизаторах РЭ включают последовательно снагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рисунок6.4а).5Электропитание РЭАГлава 6а)б)Рисунок 6.3 – Транзисторы в качестве компенсационных сопротивленийа – биполярный; б – полевойИногда РЭ включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизаторназывают параллельным (рисунок 6.4б).

В параллельном стабилизатореиспользуется балластное сопротивление Rб, включаемое последовательно снагрузкой.Типовой линейный стабилизатор состоит из регулирующего элемента РЭ,включенного последовательно или параллельно с нагрузкой, схемы сравненияСС, измерительного элемента ИЭ, источника опорного напряжения ИОН иусилителя постоянного тока УПТ.Регулирующий элемент РЭ используют как регулируемое сопротивление,величина которого изменяется так, что выходное напряжение будет оставатьсяпрактически постоянным. В схеме сравнения СС сравниваются выходное иопорное напряжения. Разность этих напряжений U  U вых  U оп(сигналрассогласования), усиленная УПТ, является управляющим напряжением Uупр,задающим необходимое внутреннее сопротивление РЭ.

Например, приувеличении входного напряжения стабилизатора увеличивается его выходноенапряжение, на выходе СС появляется сигнал рассогласования, которыйусиливается УПТ и поступает на вход РЭ. Сопротивление транзистораувеличивается, увеличивается и падение напряжения на нём, в результате чеговыходное напряжение уменьшается и становится равным первоначальноустановленному значению.6Электропитание РЭАГлава 6а)б)Рисунок 6.4 – Структуры стабилизаторов с последовательным (а) ипараллельным (б) соединением регулирующего элементаРЭ – регулирующий элемент; УПТ – усилитель постоянного тока; ИЭ – измерительныйэлемент; СС – схема сравнения; ИОН – источник опорного напряженияВ качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь наосновестабилитрона(какправило,однокаскадныйпараметрическийстабилизатор на кремниевом стабилитроне).

От качества ИОН существеннозависит качество работы стабилизатора. Если по какой-либо причинеизменяетсянапряжениенапряжение настабилизациистабилитрона,товыходе компенсационного стабилизатора.изменяетсяиЭто следуетучитывать при выборе стабилитрона. Прежде всего, необходимо обращатьвнимание на:- разброс значений напряжения стабилизации, который, в среднемсоставляет от 0,1 до 0,4 В;7Электропитание РЭАГлава 6- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации;- допустимый диапазон изменения тока стабилизации.Назначение СС – определять отклонение выходного напряжения (или егочасти) от заданного (опорного) напряжения Uоп и передавать это отклонение насхему УПТ по цепи ОС. Схема сравнения может быть выполнена на одном илинесколькихтранзисторах,операционномусилителе.Встабилизаторахнапряжения СС обычно совмещают с УПТ и ИОН.ИЭ обычно представляет собой резистивный делитель напряжения,подключенный к выходу стабилизатора.

Основное требование к ИЭ –постоянство коэффициента деления. В цепи ИЭ может быть включенпеременный или подстроечный резистор, что позволяет в определённыхпределах изменять выходное напряжение.УПТ обычно совмещают со СС. Для увеличения коэффициентастабилизациииуменьшениятемпературыиразбросамидифференциальныепогрешностей,вызванныхизменениемпараметровэлементов,применяютУПТ.схемыЛучшимихарактеристикамиобладаютстабилизаторы с многокаскадными УПТ или УПТ, выполненными наоперационных усилителях.ВкачествеРЭиспользуютодинилинесколькотранзисторов,включенных по схеме Дарлингтона. При токах нагрузки более 300-500 мАрегулирующийтранзисторустанавливаютнатеплоотвод(радиатор),геометрические параметры которого определяются, в основном, рассеиваемоймощностью транзистора и условиями теплообмена между радиатором иокружающей средой.Уравнение выходного напряжения стабилизатора для схемы, показаннойна рисунке 6.4а, будет иметь видU вых  KУПТ U оп  K ДНU вых  ,8(6.1)Электропитание РЭАГлава 6где KУПТ – коэффициент усиления УПТ и РЭ; Uоп – опорное напряжение; Uвых –напряжение на выходе стабилизатора; KДН – коэффициент передачи делителянапряжения.Из (6.1) можно найти напряжение на выходе стабилизатора:U вых U оп.1  KУПТ K ДН(6.2)Обычно KУПТ большой, поэтому уравнение (6.2) можно записать в виде:U вых U оп.K ДН(6.3)Из уравнения (6.3) следует, что напряжение на выходе стабилизатора независит от изменения входного напряжения и прямо пропорциональноопорному напряжению, то есть стабильность выходного напряжения зависиттолько от нестабильности элементом цепи ОС и не зависит от нестабильностиэлементов цепи прямой передачи.Использование делителя позволяет получить напряжение на нагрузке позначению, отличное от опорного напряжения.Входное напряжение стабилизатора должно быть больше выходногонапряжения не менее чем на значение падения напряжения на РЭ.

Чемнапряжение на РЭ меньше, тем выше коэффициент полезного действия (КПД)стабилизатора. Нормальная работа стабилизатора возможна при выполненииусловия:U вх  U вых  U оп  U ДН .Изменениевыходногонапряжения(или(6.4)егорегулировка)вкомпенсационных стабилизаторах может осуществляться:- делителем выходного напряжения;- делителем опорного напряжения;- одновременным делением опорного и выходного напряжения.В общем случае компенсационные стабилизаторы, в отличие отпараметрических, имеют ме́ ньшее выходное сопротивление за счёт наличия9Электропитание РЭАотрицательнойГлава 6ОСпонапряжению,аследовательно,илучшиестабилизирующие свойства.К их достоинствам следует отнести простоту и высокую точностьстабилизации.