Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

 

 

 

 

 

 

 

Практическая работа  
по дисциплине 
«Электротехника с основами электроники» 
на тему 
«Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения»

 

 

 

 

 

Выполнила: Козелкин Павел 

Проверил: Гуринов Виктор Николаевич

 

 

Гродно 2012

Компенсационные стабилизаторы постоянного  напряжения

Компенсационные  стабилизаторы  напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения U_вх или I_н) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения  U_н .

Регулирующий элемент (транзистор) может быть включен либо параллельно  нагрузке, либо последовательно с  ней. В зависимости  

 

 

Рис. 3.32

от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис. 3.32, а) и последовательные (рис. 3.32, б).

Воздействие на регулирующий элемент  в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В схеме рис. 3.32, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как  и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе R_б путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до I_нmax будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от I_нmax до нуля.

В схеме рис. 3.32, б регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.     

 Принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обусловливает неизбежные потери энергии в стабилизаторе. Оценим оба типа стабилизаторов по мощности потерь. При этом будем исходить из одинаковых условий работы по U_н, I_н, U_вх .      

 Мощность, теряемая в схеме  рис. 3.32, а, складывается из потерь  в резисторе R_б и регулирующем элементе и составляет (U_вх-U_н)*(I_н+I_р)+U_нI_р или (U_вх-U_н)I_н+U_вхI_р. В схеме рис, 3.32, б мощность теряется в регулирующем элементе. Она равна (U_вх-U_н)I_н, т. е. меньше, чем в предыдущей схеме, на величину U_вxI_р.     

 Таким образом, энергетические  показатели, в частности к. п.  д. последовательных стабилизаторов, более высокие (особенно при  широком диапазоне изменения I_н), чем параллельных. Это является главной причиной того, что последовательные стабилизаторы нашли наибольшее применение в практике. Из преимуществ параллельных стабилизаторов следует указать их некритичность к перегрузкам по току I_н, в частности коротким замыканиям выходной цепи. Последовательные стабилизаторы требуют устройств защиты регулирующего элемента при перегрузках по току.

Рис. 3.33      

 Принципиальная схема компенсационного  стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 3.33, а. Транзистор T₁ служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе T₂ . Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т₂ . Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток I_Э2 транзистора T₂ мал. Резисторы R₁,R₂ являются элементами входного делителя напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂ U_бэ2=((R₂/(R₁+R₂))*(U_н-U_оп).         

 Силовая цепь стабилизатора,  включающая источник питания,  транзистор Т₁, и нагрузку R_н, представляет собой усилительный каскад на транзисторе T₁ с общим коллектором, в котором U_вх — напряжение питания, U_б1 — входное, а U_н — выходное напряжения (U_н=U_б1-U_бэ1). Для получения требуемого напряжения U_н необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя (U_к2=U_б1) было близко к напряжению U_н. Для этого питание коллекторной цепи транзистора T₂ осуществляют от отдельного источника — E_к. Усилитель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необходимого напряжения U_к2 напряжению его входной цепи U_б2. Указанные соображения положены в основу расчета элементов схемы по заданным параметрам U_н, I_н номинального режима.       

 Стабилизирующее действие схемы  обусловлено наличием в ней  глубокой отрицательной обратной  связи по приращениям выходного напряжения U_н.

Предположим, что под действием  уменьшения напряжения U_вх напряжение U_н (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения U_н вызывает уменьшение напряжения на базе U_б2 и напряжения U_бэ2 транзистора Т₂ , а следовательно, его токов I_б2 и I_к2. Уменьшение тока I_к2 приводит к меньшему падению напряжения на резисторе R_к и увеличению напряжений U_б1 и U_бэ1 транзистора T₁. Вследствие увеличения напряжения U_бэ1 напряжение U_кэ1 транзистора Т₁ уменьшается, повышая тем самым почти до прежней величины напряжение U_н. Подобно рассмотренному осуществляется компенсация изменения напряжения U_н при увеличении U_вх ,а также при изменениях тока нагрузки.   

 Коэффициент   стабилизации  стабилизатора находят из соотношения 

где r_bx2, r_б2, r_к(э)2 — соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора T₂ ; А = 1 + r_д/r_вх2+(R₁?R₂)/r_вх2?₂ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона r_д и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т₂.

Выходное сопротивление стабилизатора  в первом приближении (без учета  влияния усилителя в цепи обратной связи) можно оценить по сопротивлению  транзистора T₁ со стороны эмиттера. Приняв U_б1=const имеем R_вых=r_э1+r_б1/(1+?₁), что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель создает в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчета можно воспользоваться выражением                                               

R_вых=(r_э2+r_д)/?₁+r_б2/?₁?₂                                              (3.35)

Числовое значение коэффициента стабилизации стабилизатора находится в пределах нескольких сотен, а выходное сопротивление  составляет десятые и сотые доли ома.

При разработке стабилизатора часто  ставится задача регулирования его выходного напряжения U_н. Возможность регулирования напряжения можно показать, выразив напряжение U_н схемы через параметры входной цепи усилителя:                                                         

 U_н=I_д(R₁+R₂)+I_б2R₁.                           (3.36)      

 Элементы входного делителя  обычно выбирают достаточно низкоомными,  обеспечивающими выполнение условия I_д>>I_б2. Это необходимо для ослабления влияния изменяющегося в процессе работы схемы тока I_б2 на напряжение U_б2, а следовательно, на коэффициент стабилизации стабилизатора. С учетом сказанного вторым членом в выражении (3.36) можно пренебречь. Тогда получим

 

 

       

  

 

 

 

Таким образом, задачу регулирования  напряжения решают путем изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализуется введением во входную цепь усилителя потенциометра R_1-2 (рис. 3.33, б). Пределы регулирования напряжения при этом составляют:

 

 

  

 

 

  

 

Если, например, принять U_оп=10 В, R₁ == 300 Ом, R₂ = 360 Ом и R_1-2 = 240 Ом, то выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

Напряжение U_н стабилизатора связано с напряжениями входной цепи транзистора Т₁, соотношением                                               

 U_н=U_б1-U_бэ2=U_к2-U_бэ1                                                    (3.37)

Или                                               

U_н=E_к-(I_б1-I_к2)R_к-U_бэ1                                                    (3.38)    

 Соотношение (3.38) позволяет сделать  ряд важных выводов о работе  стабилизатора и возможностях  его применения. С этой целью  рассмотрим два режима работы  стабилизатора: U_вх=var, R_н=const (I_н=const) и U_вх=const, R_н=var (I_н=var).       

 При изменении входного напряжения  величина U_н стабилизатора изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что приращение напряжения ?U_вх будет скомпенсировано соответствующим увеличением или уменьшением напряжения ?U_кэ1 транзистора T₁. При условии I_э1=I_н=const это вызовет в конечном итоге изменение тока базы, (и коллектора) регулирующего транзистора посредством изменения тока I_к2 усилителя, протекающего через резистор R_к. Напряжение U_н будет тем стабильнее, чем меньшему значению ?U_н будет соответствовать необходимое изменение тока I_к2 , т. е. чем выше будет коэффициент усиления усилителя. Повышение коэффициента усиления в рассматриваемой схеме достигается увеличением коэффициента ?₂ и сопротивления R_к. Увеличение сопротивления R_к при этом требует повышения напряжения питания E_к усилителя.

В условиях изменяющегося тока нагрузки ток базы регулирующего транзистора I_б1 изменяется пропорционально I_н, так как I_б1=I_н/(1+?₁). Поскольку напряжение U_бэ1 мало (доли вольта), режиму стабилизации напряжения U_н согласно выражению (3.38) соответствует почти неизменная сумма токов I_б1+I_к2. Это означает, что с уменьшением тока I_н ток I_к2 увеличивается на величину, на которую уменьшился ток I_б1. При изменении нагрузочного тока от I_нmax до нуля ток I_к2 изменяется от некоторого минимального значения I_к2min до I_нmax/(1+?₁)+I_к2min?I_нmax/(1+?₁)=I_б1max. Таким образом, транзистор T₂ в схеме рис. 3.33, а необходимо выбирать на коллекторный ток, близкий к максимальному току базы регулирующего транзистора.      

 С увеличением тока I_н транзисторы T₁, T₂ выбираются на большие коллекторные токи. Однако использование рассматриваемой схемы при I_н> 200 - 300 мА неэффективно из-за трудностей в обеспечении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а, следовательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления R_к (ввиду больших значений I_б1 и I_к2), а также в малых значениях коэффициента ? мощных транзисторов.     

 Задачу уменьшения тока базы  регулирующего транзистора при  переходе к большим токам нагрузки  решают заменой его в стабилизаторе составным транзистором (рис. 3.33, в). Составной транзистор представляет собой соединение двух, трех транзисторов и более, при котором база каждого последующего транзистора связана с эмиттером предшествующего, а коллекторы всех транзисторов объединены.       

 Поскольку ток базы каждого  транзистора меньше его тока  эмиттера в 1+? раз, ток управления  составным транзистором получается во много раз меньше тока эмиттера выходного транзистора (т. е. тока нагрузки стабилизатора). Так, для схемы, состоящей из трех транзисторов (рис. 3.33, а), имеем

где ?_с — коэффициент передачи тока составного транзистора, числовое значение которого равно 10³—10⁴.     

 Тем самым обеспечивается  необходимый режим согласования  по току выходной цепи усилителя  и входной цепи регулирующего  транзистора при больших токах I_н.

Токоотводящие резисторы R₀₁,R₀₂ (показаны пунктиром) создают цепи протекания начальных токов I_к0(э) транзисторов T_1-1, и Т_1-2, исключай их протекание по цепям баз последующих транзисторов. С их помощью обеспечивается нормальный режим работы схемы при минимальном токе нагрузки. Для расчета сопротивлений R₀₁ и R₀₂ можно воспользоваться соотношением

 

 

      

 Составные транзисторы нашли  широкое применение в стабилизаторах на токи 0,5 — 1 А и выше.     

 Повышение коэффициента стабилизации (и уменьшение выходного сопротивления) компенсационных стабилизаторов также может достигаться путем увеличения коэффициента усиления усилителя за счет использования в нем большего числа каскадов. Для исключения дрейфа напряжения U_н стабилизатора, вызываемого дрейфом усилителя, последний выполняют на основе балансных каскадов с применением температурной компенсации.        

 Существенные преимущества  в отношении массо-габаритных, стоимостных и качественных показателей дает широко используемый в настоящее время интегральный принцип выполнения стабилизаторов, при котором вся маломощная часть схемы стабилизатора унифицируется и представляется в виде микросхемы.