Лекция 3 - Конспекты (1095370), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

е. когда зависимость между током и напряжением неподчиняется закону Ома. При этом стабилитрон работает на обратной ветвиВАХ, а стабистор – на прямой. Наибольшее распространение получили именностабилитроны, у которых при определённом напряжении развивается лавинныйпробой p-n перехода. Их напряжение пробоя нормируется в диапазоне 3-200 В.Простейшая схема стабилизатора со стабилитроном приведена на рисунке3.13а, а ВАХ кремниевого стабилитрона – на рисунке 3.14. Принцип работытакого стабилизатора заключается в том, что при увеличении напряжения навходе стабилизатора ток через стабилитрон VD резко возрастает, вследствиечего увеличивается падение напряжения на гасящем резисторе R0.

Приращениенапряжения на резисторе R0 примерно равно приращению напряжения на входестабилизатора, а напряжение на выходе стабилизатора, равное напряжениюстабилизации кремниевого стабилитрона, при этом почти не изменяется.Проанализируем данную схему, для чего вначале её преобразуем,используя теорему об эквивалентном генераторе (рисунок 3.13б).а)б)Рисунок 3.13 – Схема простейшего компенсационного стабилизатора (а)и его эквивалентная схема (б)28Электропитание РЭАГлава 3Рисунок 3.14 – ВАХ кремниевого стабилитронаПроанализируемграфическиработусхемы,построивнаВАХстабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентногонапряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения(рисунок 3.15).Из графических построений очевидно, что при значительном измененииэквивалентного напряжения uэ (на ∆uэ), а значит, и входного напряжения uвх,выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆uвых.

Причём,чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем болеегоризонтально идёт характеристика стабилитрона), тем меньше ∆uвых.Рисунок 3.15 – Линии нагрузки на ВАХ стабилитрона29Электропитание РЭАГлава 3Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего висходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введём вовходную цепь (рисунок 3.16) источник напряжения, соответствующийизменению входного напряжения ∆uвх:Rвых  rд || R0  rд ,(3.23)так как R0  rд ,uвых I Н.uвх I вх(3.24)Рисунок 3.16 – К определению параметров параметрического стабилизатораПринимая во внимание закон Кирхгофа, можно записать:I вх  I ст  I вых ,uвх  U R0  uвых .(3.25)Тогда коэффициент стабилизации можно найти какKст U R0  uвых uвых  U R0  uвых: 1 uвыхuвхuuвых  вхI  I вых  uвых 1   U вых.ном 1 1  R0 ст1R.0uRuвых вх  Н rд   U вх.номПоскольку RН  rд и(3.26)R0 1 , тоrдK ст uвых R0.uвх rд30(3.27)Электропитание РЭАГлава 3Кст увеличивается при уменьшении rд и увеличении R0.

Но приувеличении R0 нужно увеличивать Uвх. Поэтому нельзя получить очень высокийКст: обычно он не превышает нескольких десятков.Вместе с тем при увеличении Uвх возрастают UR0 и потери мощности – иснижается КПД.Основными особенностями таких стабилизаторов являются: простота,невысокий КПД (особенно при переменном сопротивлении нагрузки), малыйкоэффициент стабилизации, трудность получения точного значения выходногонапряжения и регулированияего без использования дополнительногопроходного транзистора. Минимальное Iст.мин и максимальное Iст.макс значениетока стабилизации определяются типономиналом стабилитрона.В случае уменьшения обратного тока стабилизации ниже Iст.мин режимстабилизации нарушается. При превышении обратным током значения Iст.максобратимый пробой стабилитрона переходит в необратимый тепловой пробой.Ограничение тока стабилизации осуществляется с помощью балластногорезистора R0.

На этом же сопротивлении падает излишек напряженияU  U вх  U вых . Выбор значения сопротивления R0 производится с учётомдиапазоновизменения:токанагрузки,входногонапряженияитокастабилизации выбранного стабилитрона.Коэффициент стабилизации по напряжению стабилизатора приближенноможет быть определён как отношение значений сопротивлений балластногорезистора R0 и дифференциального сопротивления стабилитрона rд.

Дляповышения Кст целесообразно повышать значение сопротивления R0 ивыбирать стабилитрон с малым изменением напряжения стабилизации во всёмдиапазоне изменения Iст. Типовые значения Кст находятся в интервале от 5 до20 единиц.Какпример,рассчитаемдалеепараметрическийстабилизатор,приведённый на рисунке 3.13а.

Исходными данными для расчёта являются:- выходной ток Iст = Iвых = 12,5 мА;31Электропитание РЭАГлава 3- выходное напряжение Uвых = 5 В;- нестабильность входного напряжения:U вх 2  U вх1 10% .U вхРешение:1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа 2С156А сдифференциальным сопротивлением rд = 25 Ом.2. Выбираем ориентировочное сопротивление резистора R0 = 500 Ом сучётом приемлемого КПД. Значение сопротивления резистора R0 должнообеспечивать падение напряжения на нём (0,5…3,0)Uвых. Тогда КПДстабилизатора будет составлять 20…30%.3.

Определяем необходимое входное напряжение:U вх  U вых  R0  I вых  I ст   5  500(12,5  12,5)  103  17,5В .4. Вычисляем коэффициент стабилизации:Kст uвых R05 500 5,7 .uвх rд 17,5 255. Находим нестабильность выходного напряжения:U ст 2  U ст1 U вх 2  U вх110% 1,67 .U выхK стU вхK стОдним из недостатков простейших стабилизаторов является зависимостьвеличины выходного напряжения (или напряжения пробоя) от температуры.Температурные изменения Uвых могут быть уменьшены за счёт примененияпрецизионных стабилитронов с малым температурным коэффициентомнапряжения или использованием схем термокомпенсации. Так, например, вкачестве термокомпенсирующих элементов используют термисторы, имеющиеотрицательныйтемпературныйкоэффициентнапряжения,илидвунаправленные стабилитроны серии КС. Также на практике очень часто длятермокомпенсациииспользуюткремниевыедиоды,включаемыепоследовательно со стабилитроном.

Недостатком указанных решений является32Электропитание РЭАГлава 3повышение динамического сопротивления цепи из диодов и стабилитрона, чтоотрицательно сказывается на коэффициенте стабилизации.Если напряжение стабилизации недостаточное, то последовательнымвключением нескольких стабилитронов можно обеспечить его увеличение в дваи более раз.Коэффициент стабилизации можно повысить, используя многокаскадноевключение стабилитронов. Для этого на выходе схемы, показанной на рисунке3.13а, включают ещё один гасящий резистор и стабилитрон с более низкимнапряжением стабилизации.

Общий коэффициент стабилизации в этом случаебудетравенпроизведениюкоэффициентовстабилизацииотдельныхстабилизаторов, однако при этом резко уменьшается КПД стабилизатора.Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон вбазовую цепь эмиттерного повторителя (рисунок 3.17а). Таким образом,мощность нагрузки увеличена, а нестабильность снижена, так как базовый токизменяется очень слабо в процессе стабилизации.а)б)Рисунок 3.17 – Схемы умощнения стабилизатора напряженияна стабилитроне (а) и интегральном стабилитроне (б)Традиционные стабилитроны не охватывают весь диапазон напряжений.Для получения требуемого U вых  U ст используют операционные усилители.Также были разработаны стабилитронные интегральные схемы, которыеимеют два (или три) вывода и выполнены как обычный стабилитрон, хотя вдействительности они являются микросхемами, содержащими пассивные и33Электропитание РЭАактивныеэлементы.Глава 3Широкоприменяют,например,регулируемыйинтегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 фирмы "TexasInstruments") с параметрами, гораздо лучшими, чем у прецизионныхстабилитронов.

Обычно их применяют как составную часть компенсационныхстабилизаторов (рисунок 3.17б).Средипрочегоинтегральныестабилитроныиспользуюткакстабилизаторы тока (рисунок 3.18). Ток нагрузки протекает через резистор R2.Как только напряжение на резисторе превысит 2,5 В, ток через микросхему ирезистор R1 возрастёт. Напряжение на нагрузке уменьшится до такогозначения, при котором напряжение на входе управления микросхемыустановится равным 2,5В.Рисунок 3.18 – Стабилизатор тока на интегральном стабилитронеСтабилизируемый ток задаётся резистором R2, сопротивление которогоопределяют какR2 2,5,IН(3.28)где 2,5 В – падение напряжения на резисторе, а IН – ток через нагрузку, которыйопределяется возможностями транзистора VT.Зная напряжение Uвх и максимальный ток нагрузки IН, подсчитываютсопротивление резистора R1 какR1 U вх  2,5.IН34(3.29)Электропитание РЭАГлава 3Примечательно, что в настоящее время для стабилизации напряжения итока применяют исключительно полупроводниковые стабилизаторы.

Однаконекоторое время назад для стабилизации тока применяли, например,бареттер – заполненный водородом стеклянный баллон, внутрь которогопомещена тонкая платиновая, железная или вольфрамовая проволока (нить),обычно свёрнутая в спираль. По сути, это специальная разновидность лампынакаливания с водородным наполнением. Такое устройство имеет нелинейнуюВАХ, на которой в некотором диапазоне изменений напряжения ток изменяетсяв незначительных пределах. Нелинейность ВАХ обусловлена положительнымтемпературным коэффициентом сопротивления металлической нити, приувеличении напряжения на приборе увеличивается тепловыделение в нити, чтоувеличивает её температуру и, соответственно, увеличивает сопротивление, чтосохраняет ток цепи приблизительно одинаковым. Таким образом, бареттер,включенный последовательно с нагрузкой, поддерживает в ней относительностабильный ток при изменениях напряжения электропитания.В цепях же переменного тока применяли, как правило, параметрическиеферрорезонансные стабилизаторы (ФРС).

Характеристики

Список файлов лекций