Практическая работа специальности 09.02.01.

Практическое занятие № 75 

Тема: «Аналоговые и ключевые стабилизаторы напряжения»

Цель: познакомиться с видами и методами стабилизации напряжения на базе полупроводниковых приборов.

Теория

Радиоэлектронное устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки, называется стабилизатором напряжения. В радиоэлектронных устройствах применяются и стабилизаторы тока.

Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия (ключевые стабилизаторы). Используются также стабилизаторы переменного тока, которые здесь не рассматриваются.

Параметрические стабилизаторы

Параметрический стабилизатор напряжения включает в себя балластный резистор R_б, нагрузку R_н и полупроводниковый стабилитрон VD, напряжение на котором остается практически постоянным при изменении в некоторых пределах протекающего через него тока (рис. 1,а).

Рисунок 1 – Параметрический стабилизатор:

а – схема; б – ВАХ

Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного тока поясняется путем совместного анализа ВАХ стабилитрона и балластного резистора, представленных на рис. 1,б. Пусть входное постоянное напряжение схемы равно U_вх1, а ток стабилитрона составляет I_ст1. Положим для упрощения R_н = ∞ (нагрузка отключена). Тогда выражение, аналитически описывающее положение характеристики балластного резистора R_б (линия 1), запишется следующим образом:

U_вх1 = U_вых1 + I_ст1R_б. (1)

Если входное напряжение увеличится на величину ΔU_вх и станет равным U_вх2, то характеристика балластного резистора займет положение линии 2, что соответствует выходному напряжению U_вых2 и току стабилитрона I_ст2. Как видно из рис. 1,б, выходное напряжение останется почти неизменным, а приращение входного напряжения ΔU_вх выделится на балластном резисторе R_б. Аналогичная картина будет иметь место и при уменьшении входного напряжения (в этом случае снизится падение напряжения на балластном резисторе R_б) или изменениях тока нагрузки I_н.

Эффективность действия стабилизаторов оценивают коэффициентом стабилизации, показывающим, во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

                                                                                                        (2)

Основные преимущества параметрического стабилизатора – простота конструкции, небольшое количество элементов и высокая надежность, а недостатки – низкие коэффициент стабилизации (менее 25) и КПД, малые токи стабилизации, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Принцип действия компенсационных стабилизаторов основан на том, что любое изменение напряжения на нагрузке (вследствие изменения входного напряжения или тока нагрузки) передается на регулирующий элемент, который автоматически препятствует изменению напряжения на нагрузке. Посуществу, компенсационные стабилизаторы являются системами с отрицательной ОС. Данные устройства делятся на стабилизаторы непрерывного действия и ключевые (импульсные) стабилизаторы.

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия. 

Эти стабилизаторы относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицательной ОС. Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широко используют в источниках вторичного питания.

На рис. 2 показан простейший компенсационный стабилизатор на дискретном биполярном транзисторе. В схеме стабилизатора транзистор VT является регулирующим (силовым) элементом, управление которым осуществляет УПТ, выполненный на операционном усилителе.

Рисунок 2 – Схема компенсационного стабилизатора непрерывного действия

Стабилитрон VD и резистор R_б составляют обычный параметрический стабилизатор, создающий опорное (эталонное) напряжение U_оп. Резисторы R₁ и R₂ – элементы цепи отрицательной ОС, напряжение на выходе которой пропорционально напряжению на нагрузке U_ос = U_нR₂/R₁+R₂. В данном стабилизаторе выходное напряжение всегда равно разности между входным напряжением и падением напряжения на регулирующем транзисторе VT, т.е. U_н = U_вх – U_к.

Допустим, что из–за увеличения амплитуды входного напряжения выходное напряжение стало выше номинального. Это вызовет увеличение напряжения ОС U_ос на резисторе R₂ выходного делителя и сигнала рассогласования U_ос – U_оп, который усиливается ОУ и поступает на базу регулирующего транзистора VT. Поскольку напряжение ОС подается на инвертирующий вход ОУ, то его выходное напряжение уменьшится, и регулирующий транзистор призакроется. Это вызовет увеличение падения напряжения на транзисторе и уменьшение напряжения на нагрузке до номинального значения. Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора с усилителем сигнала рассогласования на ОУ может достигать несколько тысяч единиц.

Основной недостаток всех компенсационных стабилизаторов непрерывного действия – невысокий КПД (до 50%), что связано с падением части входного напряжения на регулирующем транзисторе. Поэтому были разработаны схемы импульсных (ключевых) стабилизаторов.

Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения.

Импульсные стабилизаторы делятся на три основных типа: повышающие, понижающие и инвертирующие. В этих стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, что повышает КПД до 90%.

Рассмотрим упрощенную схему импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа (рис. 3,а). Регулирующим элементом в нем является силовой транзисторный ключ VT, импульсный режим работы которого обеспечивается блоком управления (БУ). В схеме стабилизатора используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R_н. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей введен конденсатор С. В схеме имеется также диод VD (обратный диод), с помощью которого создается контур для протекания постоянного тока через индуктивность и нагрузку при закрытом транзисторе VT.

Рисунок 3 – Импульсный стабилизатор понижающего типа

а– схема; б – временные диаграммы

Процессы, протекающие в стабилизаторе, рассмотрим с помощью временных диаграмм токов и напряжений (рис. 3, б – г). Импульсы управления с амплитудой напряжения U_у периодически подаются с блока управления на транзисторный ключ. В первом периоде, в течение длительности импульса управления τ_и (интервал 0…t₁) транзистор открыт, и энергия от источника U_вх (обычно от выпрямителя) передается через дроссель L в нагрузку. По мере нарастания тока i_н происходит заряд конденсатора С, а в индуктивности дросселя L накапливается избыточная энергия (интервал 0… t₁ на рис. 3,б – г). В течение паузы τ_п = t₂ –t₁, когда транзистор закрыт, запасенная в индуктивности дросселя энергия через обратный диод поступает в нагрузку. Такой процесс возврата накопленной в реактивном элементе энергии получил название рекуперации. Во втором периоде в момент t =t₂ транзистор вновь открывается, ток i_н начинает увеличиваться. При этом переменная составляющая тока Δi_н протекает через конденсатор С, а постоянная составляющая I_н – через резистор R_н.

Среднее значение выходного напряжения ключевого стабилизатора зависит от соотношения интервалов открытого и закрытого состояния транзистора:

U_вых =U_вх τ_и /T. (3)

Т.о., изменением величины τ_и можно регулировать амплитуду выходного напряжения. Поэтому импульсные стабилизаторы напряжения используют в качестве преобразователей постоянного напряжения одной амплитуды в другую.

 Схема повышающего импульсного стабилизатора приведена на рисунке 4,а.

Рисунок 4 – Импульсные стабилизаторы:

а – повышающий; б – инвертирующий

В этой схеме источник питания U_вх, дроссель L, диод VD и активная нагрузка R_н соединены последовательно. Через всю эту цепь при выключенном транзисторе VT протекает постоянный ток, практически определяемый как I_н = U_вх /R_н . При открывании силового транзистора VT дроссель L подключается уже напрямую непосредственно к источнику питания U_вх и через него потечет коммутационный ток i_L. Ток в дросселе начинает линейно нарастать, и в его индуктивности запасается энергия источника. Конденсатор С при этом разряжается на нагрузку R_н. Ток дросселя нарастает до момента, пока из блока управления не поступит сигнал на запирание транзистора VT.

После запираний транзистора VT избыточная энергия, накопленная в дросселе L, через открытый диод VD поступает в нагрузку, подзаряжая конденсатор фильтра С. При этом напряжение на дросселе суммируется с напряжением источника питания U_вх, в результате чего конденсатор фильтра С заряжается до напряжения U_вых > U_вх, которое выделяется на нагрузке R_н.

Схема инвертирующего импульсного стабилизатора приведена на рис. 4,б. В этой схеме последовательно с источником питания U_вх включен транзистор VT, а диод VD включен последовательно с нагрузкой R_н.

При включенном транзисторе VT дроссель L подключается непосредственно к источнику питания U_вх и коммутационный ток i_L = i₁ (штриховая линия на рис. 4,б) в нем начинает линейно нарастать. Нагрузка R_н в этом случае блокирована диодом VD. Рост тока дросселя происходит до тех пор, пока не поступит сигнал из блока управления на запирание транзистора VT. При этом дроссель L подключится параллельно нагрузке R_н

и конденсатору фильтра С. Поскольку ток i_L = i₂ (штриховая линия на рис. 4,б) в дросселе после коммутации транзистора VT не меняет своего направления, и он начинает заряжать конденсатор С, то полярность напряжения U_вых на нагрузке будет противоположна полярности источника питания, т.е. происходит инверсия полярности входного напряжения U_вх.

В зависимости от способа управления регулирующим транзистором (или тиристором) в импульсных стабилизаторах используются управляющие сигналы с ШИМ, ВИМ, ИКМ и другими видами импульсной модуляции.

Интегральные компенсационные стабилизаторы. Эти стабилизаторы представляют собой отдельные интегральные микросхемы (например, серий КР142ЕН и КР275ЕН) с фиксируемым и регулируемым выходным напряжением от 3 до 30В. Входные и выходные напряжения в стабилизаторе могут быть как однополярными, так и двуполярными. Схематически структура интегральных стабилизаторов аналогична структуре стабилизаторов на дискретных элементах с ОУ, однако в них дополнительно введены цепи защиты от перегрузок, короткого замыкания и т.д.