Стабилизаторы напряжения и тока

Тема 2. Стабилизаторы напряжения и тока.

• Принцип стабилизации и основные определения.
• Параметрические стабилизаторы.
• Стабилизаторы на основе ОУ.
• Импульсные стабилизаторы.

Принцип стабилизации и основные определения.

• Для питания электронной аппаратуры недостаточно выпрямить и сгладить напряжение. Необходимо еще, чтобы оно оставалось стабильным при изменении переменного напряжения и тока, потребляемого нагрузкой.

• Наиболее часто используются компенсационные стабилизаторы последовательного типа. Они поддерживают напряжение U вых практически постоянным за счет изменения напряжения на регулирующем элементе U рэ .
• Информация об изменениях U вых через делитель поступает на усилитель, который сравнивает поступившее напряжение с опорным U оп.
• Выходной сигнал усилителя управляет регулирующим элементом так, что при даже незначительном увеличении (уменьшении) U вых падение напряжения U рэ уменьшается (увеличивается) и U вых практически не меняется

U рэ1 , а U вых (красная линия). Для токов нагрузки до 50 – 100 мА можно использовать упрощенную схему последовательного стабилизатора, в которой отсутствует делитель напряжения и усилитель. Здесь работой регулирующего элемента VT 1 управляет разность потенциалов между базой и эмиттером U бэ = U б – U э . Например, при увеличении тока нагрузки начинает уменьшаться U э , напряжение U бэ возрастает и ток через транзистор увеличивается, поддерживая этим U вых . " width="640"

Работа стабилизатора иллюстрируется рисунком:

• При увеличении U вх (синяя линия) возрастает U рэ2 U рэ1 , а U вых (красная линия).

• Для токов нагрузки до 50 – 100 мА можно использовать упрощенную схему последовательного стабилизатора, в которой отсутствует делитель напряжения и усилитель. Здесь работой регулирующего элемента VT 1 управляет разность потенциалов между базой и эмиттером U бэ = U б – U э .
• Например, при увеличении тока нагрузки начинает уменьшаться U э , напряжение U бэ возрастает и ток через транзистор увеличивается, поддерживая этим U вых .

Параметрические стабилизаторы

• При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к U ст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне а). Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона б) имеет участок , на котором при изменениях тока от Imin до Imax напряжение остается практически постоянным.

Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона:

Чтобы ток через стабилитрон не превысил Im ах, включается резистор R б. При изменении тока нагрузки или напряжения U ф= U б+ U ст изменяется, только U б, а U ст = U н остается постоянным.

При необходимости увеличить U ст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор А) уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину U ст в параметрическом стабилизаторе невозможно. Оно определяется выбранным стабилитроном.

Стабилизаторы на основе ОУ.

Стабилизатор напряжения на ОУ

• Схема стабилизатора напряжения на ОУ позволяет регулировать U стаб2=- U стаб1 R ос/ R 1 путем изменения R ос.
• Недостаток : небольшие токи, которые можно снимать с ОУ. Для увеличения тока на выходе схемы устанавливается эмиттерный повторитель на мощном транзисторе.

Импульсные стабилизатор напряжения.

Недостатки вышерассмотренных стабилизаторов:

• Низкий КПД, не превышающий 50%.
• Большие габариты конденсатора и индуктивности в фильтре.

Эти недостатки снимаются при использовании импульсного (ключевого) стабилизатора. В этом стабилизаторе транзистор VT ставится в ключевой режим:

• Генератор ШИМ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, при которой ширина генерируемых импульсов U г пропорциональна управляющему напряжению U уп

Импульсный стабилизатор напряжения

Процесс работы импульсного стабилизатора

• Во время импульса U упр транзистор VT открывается, емкость С подзаряжается через индуктивность
• VT1 закрывается, индуктивность и емкость отдают энергию потребителю. Диод VD устанавливается для замыкания обратного тока индуктивности через емкость и нагрузку. Генератор ШИМ выдает последовательность импульсов на базу VT , ширина которых зависит от U вых . Длительность импульса t и =К (U оп -U вых R 1 /(R 1 +R 2 ))
• Если, например, выходное напряжение уменьшается то длительность импульсов увеличивается. При этом возрастает энергия, накопленная в индуктивности и выходное напряжение поддерживается постоянным. Тактовая частота приблизительно равна 20 кГц. Конденсатор “подпитывается” достаточно часто, поэтому емкость его значительно меньше, чем при использовании непрерывного стабилизатора.