Какие существуют методы стабилизации напряжения

2.2. Способы стабилизации напряжения и схемы управления

В зависимости от способа стабилизации выходного напряже­ния импульсные стабилизаторы могут быть отнесены к одной из трех импульсных систем регулирования: с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ); к релейной системе регулирования (РСР).

В ИСН с ШИМ (рис. 2.5, а) длительность импульсов напря­жения u_ф на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению напряжения на нагрузке.

Рис. 2.5. Изменения напряжения на входе сглаживающего фильтра стабилизатора в зависимости от напряжения на нагрузке при широтно-импульсной модуляции (а), частотно-импульсной модуляции (б) и релейной системе регулирования (в)

В ИСН с ЧИМ (рис. 2.5, б) длительность импульсов напря­жения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально выходному напряжению ИСН.

В релейной системе регулирования (рис. 2.5, в) формирова­ние импульсов происходит в моменты пересечения напряжением u_н двух горизонтальных уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании среза. Поскольку форма изменения u_н в зависимости от напряжения питания и тока нагрузки может быть различной, то и частота в данной системе регулирования может изменяться в широких пределах.

Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стаби­лизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:

 обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота пре­образования независимо от напряжения первичного источника пи­тания и тока нагрузки;

 частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;

 реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исклю­чает опасность возникновения биений частот при питании несколь­ких ИСН от общего первичного источника постоянного тока.

Кроме того, при работе ИСН на нерегулируемый преобразо­ватель (например, усилитель мощности) возможна синхронизация частот обоих устройств.

Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов ре­лейного типа является более сложная схема управления, содержа­щая обычно дополнительный задающий генератор.

Импульсные стабилизаторы с ЧИМ, не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН, обладают следующими недостатками:

 сложность схемотехнического осуществления регулирова­ния частоты в широких пределах, особенно при больших измене­ниях напряжения питания и тока нагрузки;

 отсутствие возможности реализации отмеченных преиму­ществ системы регулирования с ШИМ.

Последний недостаток относится также к релейным (или двухпозиционным) ИСН, которые характеризуются также сравни­тельно большой пульсацией напряжения на нагрузке (в стабилиза­торах с ШИМ или ЧИМ пульсации выходного напряжения прин­ципиально могут быть равны нулю, что невозможно в релейных стабилизаторах по принципу их работы).

Преимущество релейных стабилизаторов состоит в простой схеме управления.

Структурное построение схем управления (СУ) для ИСН с тремя способами стабилизации напряжения приведено на рис. 2.6. В общем случае каждая схема содержит делитель напряжения (ДН), источник опорного напряжения (ИОН), сравнивающий элемент 1 и усилитель рассогласования У. В зависимости от способа стабили­зации в состав СУ также входят:

 формирователь синхронизирующего напряжения (ФСН), сравнивающий элемент 2 и пороговое устройство (ПУ) для ИСН с ШИМ (рис. 2.6, а);

 частотный преобразователь (ЧП) для ИСН с ЧИМ (рис. 2.6, б);

 пороговое устройство для релейного ИСН (рис. 2.6, в).

Рис. 2.6. Структурные схемы цепей управления: а  с ШИМ; б  с ЧИМ; в  двухпозиционная (релейная)

Во всех трех СУ в первый элемент сравнения поступают по­стоянное опорное напряжение U_оп и пересчитанное выходное на­пряжение стабилизатора u_ст. Разность этих напряжений  поступает на вход усилителя постоянного тока.

В схеме на рис. 2.6, а формирование модулированных по длительности импульсов u_пу(t_и) происходит в пороговом устройстве ПУ, на вход которого поступают разность усиленного сигнала рас­согласования _у и синхронизирующего напряжения u_зг. Изменение длительности управляющею импульса осуществляется модуляцией его фронта или среза.

При модуляции фронта (рис. 2.7, а) линейно изменяющееся напряжение синхронизации u_зг на каждом периоде нарастает (ско­рость его изменения положительная). Поскольку пороговое уст­-

Рис. 2.7. Диаграммы изменений напряжений при модуляции фронта (а), среза (б), фронта и среза (в)

ройство в общем случае может обладать гистерезисом (2₀) и инерционностью из-за влияния времени рассасывания неосновных но­сителей в полупроводниковых приборах), то его срабатывание происходит через ₁ и ₂ от момента пересечения управляющего напряжения с горизонтальными прямыми ₀ и ₀. Длительности воздействия на базу регулирующего транзистора ИСН управляю­щего импульса и паузы соответственно равны _зT и _рT.

При модуляции среза (рис. 2.7, б) напряжение u_зг на каждом периоде спадает (скорость его изменения отрицательная). При мо­дуляции фронта и среза (рис. 2.7, в) напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает и спадает. Этот вид модуляции по срав­нению с односторонней модуляцией (рис. 2.7, а, б), позволяет реа­лизовать более быстродействующие ИСН, так как в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на форми­рование фронта и среза.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности  импуль­сов на входе сглаживающего фильтра и напряжения u_н на нагрузке

где K_дн, K_у  коэффициенты передачи делителя напряжения и уси­лителя рассогласования соответственно; 2U_{m зг}  двойная амплитуда синхронизирующего напряжения.

В схеме управления релейного ИСН (см. рис. 2.6, в) усилен­ный сигнал рассогласования _y (рис. 2.8) поступает на вход порого­вого устройства, которое переключается так же, как в схеме с ШИМ.

В схемах на рис. 2.6, a, б, в первые три звена (ДН, ИОН и У вместе с элементом сравнения 1) схемы управления ИСН выпол­няют те же функции, что и аналогичные звенья в СУ непрерывных стабилизаторов.

Рис. 2.8. Формирование выходного напряжения порогового устройства в зависимости от усиленного сигнала рассогласования

Если имеется источник переменного напряжения прямо­угольной формы (например, напряжение на дополнительной об­мотке трансформатора преобразователя), то линейно изменяющееся напряжение спадающего вида может быть получено при помощи простой схемы формирователя синхронизирующего напряжения (ФСН) на рис .2.9, а, состоящей из конденсатора C, мостового выпрямителя VD и резистивного делителя напряжения R₁, R₂. Сравнительно большая постоянная времени (R₁ + R₂)С цепи позво­ляет получить на каждом полупериоде перезаряда конденсатора необходимую линейность изменения тока i_C, следовательно, и на­пряжения на резисторе R₂. После мостового выпрямителя напряже­ние u_зг имеет двойную частоту и постоянную составляющую U_п0.

Недостатком схемы на рис. 2.9, а является пропорциональная зависимость формы u_зг от напряжения питания, что может привести при быстрых изменениях u_п1 к нарушению режима стабилизации в ИСН. Устранить недостаток можно дополнительным включением транзистора VT, стабилитронов VD₂ и VD₃, конденсатора C₂ и рези­сторов R₃R₆ (как показано на рис. 2.9, б). В этой схеме формиро­вание линейно изменяющегося напряжения нарастающего вида происходит следующим образом. В интервалах времени между им­пульсами u₂ (рис. 2.9, б) конденсатор C₂ периодически заряжается от U_п0 до (U_п0 + 2U_{m зг}) через резистор R₅ от источника напряжения, выполненного на стабилитроне VD₃ и резисторе R₆. В кратковре­менные моменты воздействия импульсов u₂ на базу транзистора VT он открывается, и конденсатор мгновенно разряжается до U_п0 через резистор R₄, стабилитрон VD₂ и переход коллектор-эмиттер насы­щенного транзистора. Применение стабилитрона VD₃ и режима бы­строго перезаряда конденсатора дифференцирующей цепи позво­ляет исключить влияние u_п1 и U_доп на параметры u_зг.

Рис. 2.9. Схемы формирователей синхронизирующего напряжения

При наличии источника однополярных импульсов напряже­ние синхронизации может быть сформировано простейшей RС-це­пью. В этом случае напряжение u_зг имеет треугольную форму, при которой происходит модуляция фронта и среза управляющих импульсов.

К недостаткам схем на рис. 2.9 относится обязательное нали­чие источника двухполярных или однополярных импульсов u_п.

В качестве пороговых устройств ПУ могут быть применены усилитель постоянного тока на одном или двух транзисторах, опе­рационный усилитель (ОУ), работающий в режиме компаратора, а также триггер. Для обеспечения высокой крутизны фронтов управляющих импульсов в схему включают выходной транзистор. В ИСН с ШИМ на один из входов подается u_зг, а на другой  уси­ленный сигнал рассогласования _у. Если ПУ применяется в релей­ных ИСН, то напряжение u_зг заменяется на постоянное.

Рис. 2.10. Схема порогового устройства

На рис. 2.10 приведен вариант построения порогового уст­ройства для управления ИСН. Формирование фронтов выходного напряжения в схеме происходит при _у  u_зг.

Стабилизаторы напряжения и тока.

Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматический обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

1. колебание напряжения сети (от +5% до -15%)
2. температура окружающей среды.

Классификация стабилизаторов по признакам:

1. по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока;
2. по способу стабилизации – параметрические и компенсационные;

При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной ВАХ, имеющей пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов (стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания, транзисторы). При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования входного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины. Параметры стабилизации:

1. Коэффициент стабилизации по напряжению
2. Коэффициент стабилизации тока
3. Внутреннее сопротивление стабилизатора. Определяет падение напряжения на стабилизаторе.
4. Напряжение на выходе U_н=U_ст

КПД Параметрический стабилизатор напряжения Спомощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д,можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения легко объяснить по ВАХ стабилитрона и «опрокинутой» ВАХ R_б. При увели­чении напряжения U_вх1(положение 1) на ΔU_вх1, например из-за повы­шения напряжения сети, вольт-ам­перная характеристика резистора R₆переместится параллельно самой себе и займет положение 2.Из рисунка видно, что напряжение (U_ст2мало отличается от напряженияU_ст1, т. е. практически напряжение на стабили­троне и на нагрузочном резисторе R_бостанется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного токаI_н. Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопро­тивление резистора R₆должно быть таким, чтобы его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току ста­билитронаI_ст._ном, значение которого указано в паспортных дан­ных стабилитрона. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора на­пряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30÷50. I_ст.min – минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон, при котором обеспечивается режим стабилизации. I_ст.max– максимально допустимый ток, протекающий через стабилитрон. U_ст.ном – номинальное напряжение, на которое рассчитан данный стабилитрон. Ток через стабилитрон задают, исходя из условия: Основными достоинствами параметрических стабилизаторов на­пряжения являются простота конструкции и надежность работы. К недостаткам следует от­нести небольшой коэффи­циент полезного действия, не превышающий 0,3, боль­шое внутреннее сопротив­ление стабилизатора (5—20 Ом), а также узкий и нерегулируемый диапа­зон стабилизируемого на­пряжения. Параметрический стабилизатор тока. Впараметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент вклю­чают последовательно с нагрузочным устройством. Рассмотрим ВАХ применяемого в качестве нелинейного элемента прибора. Как видно, при изменении напряжения отU_BXдоU’_BXнапряжение на нелинейном элементе изменяется отU_нэдо значенияU’_нэ,а нагру­зочный токI_н, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется. В параметрических стабилизаторах тока в качестве нелинейно­го элемента используют биполярные и полевыё транзисторы. Значение стабилизируемого тока определяется резистором R₀. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков. (30÷50). Компенсационные стабилизаторы. Компенсационный стабилизатор состоит из блока сравнения БС,в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока Уи регулирующего элемента (транзистора) РЭ.

1. Стабилизатор непрерывного действия.

В этом стабилизаторе в блок сравнения БС входят пара­метрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резис­тора R₆,и резистивный делитель R₁R₂R₃.Усилителем постоянного тока является усилитель на маломощном транзисторе Т₂и резисто­ре R_K.В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т₁.В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходитнепрерывноесравнение напряжения на нагру­зочном резистореU_н(или части его) с опорным напряжениемU_oп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора. При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока I_ннапряжениеU_нповышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряженияU_н, равная βU_н(β— коэффициент деления резистивного делителяR₁R₂R_3,), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением U_оп,снимаемым с параметрического стаби­лизатора. Так как опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂из-за увели­чения напряжения βU_нуменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т₂снижается. Это приводит к уменьшению напря­жения между базой и коллектором транзистора Т₁, что равносильно увеличению его сопротивления. Вследствие этого падение напряже­ния на транзисторе Т₁возрастает, благодаря чему напряжение U_н приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистораR₂осуществ­ляется регулирование напряжения U_н. К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянных напряжения и тока относятся: высокий коэффициент стабилизации (К>1000); низкое внутреннее сопротивление; отсутствие собственных помех. Недостатками являются: невысокие значения коэффициента по­лезного действия, не превышающие 0,5—0,6; большая сложность, следовательно, меньшая надежность по сравнению с параметриче­скими стабилизаторами; значительные масса, габариты и стоимость стабилизаторов.

1. Импульсный стабилизатор

По способу управления регулирующего элемента делится на: а) Релейные (двухпозиционные): РЭ – регулирующий элемент Ф – фильтр БС – блок сравнения ИБ – импульсный блок б) Широтно-импульсной модуляции ГИ – генератор импульсов ГЛИН – генератор линейно изменяемого напряжения Управляемые выпрямители Часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значе­ние выпрямленного напряжения. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляе­мыми выпрямителями. Основным элементом современных управляемых выпрямителей является тиристор. Управ­ление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению во времени моментом отпирания (включения) тирис­тора. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напря­жением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод ти­ристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления, а способ управления называют фазовым. Управление величиной а осуществляют с помощью фазовращающей R₂С-цепи, которая позволяет изменять угол α от 0 до 90°. При этом выпрямлен­ное напряжение регулируют от наибольшего значения до его поло­вины. Резистором R₁изменяют напряжение, подаваемое на управ­ляющий электрод тиристора. Диод Д обеспечивает подачу на управля­ющий электрод положительных однополярных импульсов. К недостаткам можно отнести нестабильность угла α (т.к. свойства тиристора и кривая открывания подвержены влиянию внешних факторов (температуры)). (Уменьшают длительность импульсов, подаваемых на управляющий электрон)

Стабилизаторы напряжения и тока

Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Например, ЛБВ вообще не могут работать без стабилизации напряжения. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора: (1) Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения (2) Внутреннее сопротивление (3) Коэффициент сглаживания пульсаций (4) где Uвх~, Uвых~ — амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Для стабилизаторов тока важны следующие параметры: Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению (5) Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки (6) Коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активных мощностей (7) Существуют два основных метода стабилизации: параметрический и компенсационный. Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации. Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из двух элементов — линейного и нелинейного.

При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких пределах () напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах () Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. рисунок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. рисунок (б)). Рабочий участок ограничен предельно допустимым по тепловому режиму Imax.

а) б)

В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным — дроссель насыщения. Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в которых регулируемый транзистор постоянно (непрерывно) находится в открытом состоянии, называются линейными или с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в ключевом режиме.

2.4.2 Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора Rг (см. рисунок).

По I и II законам Кирхгофа (8) Согласно 001: Подставим в эту формулу уравнения (8):

Поскольку rст>1, то (9)

Кст увеличивается при уменьшении rст и увеличении Rг. Но при увеличении Rг нужно увеличивать Uвх. Поэтому нельзя получить очень высокий Кст. Обычно Кст не превышает нескольких десятков. Существует предельно достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации , где Но при увеличении Rг возрастает Rг и потери мощности, снижается КПД: (10) = 20-30%, что объясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность. Существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Это изменение можно выразить линейной зависимостью: (11) где — абсолютный температурный коэффициент. Стабилитроны с Uст, т.е. Uст уменьшатся с ростом температуры, а стабилитроны с Uст>5В — положительный . Относительный температурный коэффициент: Для уменьшения температурной нестабильности используют схемы с температурной компенсацией. Наиболее простая схема предполагает использование одного или нескольких полупроводниковых диодов, смещённых в прямом направлении. У открытых p-n переходов отрицателен, поэтому такой способ пригоден для стабилитронов с Uст>5В. Включение термокомпенсирующих диодов приводит к росту внутренннего сопротивления ветви со стабилитроном: , где — внутреннее сопротивление термокомпенсирующего диода. Кст немного уменьшается. Другой способ заключается в использовании стабилитронов с внутренней термокомпенсацией, представляющих собой два p-n перехода, включенных навстречу друг другу и выполненных на одном кристалле. Это прецизионные стабилитроны 2С108В, 2С116В, 2С190Д с ТКН=±0,0005% / о C на градус, и другие. Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон в базовую цепь эмиттерного повторителя (см. рисунок).

Таким образом, мощность нагрузки увеличена, а нестабильность снижена, так как базовый ток изменяется очень слабо в процессе стабилизации. В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используют нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор. Если Uзи=const, то Iс~const (см. рисунок). В нашем случае затвор и исток закорочены (см. рисунок).

Стабилизатор тока применяют в параметрических стабилизаторах напряжения для стабилизации входного тока. Включение стбилизатора тока вместо гасящего сопротивления даёт возможность повысить Кст:

, где — дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора.

КПД также повышается. Традиционные стабилитроны не охватывают весь диапазон напряжений. Для получения требуемого Uвых>Uст используются операционные усилители (см. рисунок).

Например: Uст=9В, Uвых=10В. R1=1кОм, R2=9кОм. Для Iст=10мА Rо=1/(10*(1/1000))=100 Ом. Всвязи с тем. что простой стабилитрон не отвечает требованиям, предъявляемым к источникам опорного напряжения (ИОН), были разработаны СИМС (стабилитронные ИМС), которые имеют два (или три) вывода и выполнены как обычный стабилитрон, хотя в действительности они являются ИМС, содержащей пассивные и активные элементы. Все СИМС можно разделить на три группы: температурно-компенсированные СИМС; температурно-стабилизированные; опорные источники с напряжением запрещённой зоны ( bandgap ИОН). Температурно-компенсированные — 1009ЕН1. В неё входят 9 транзисторов и резисторы. Uст=31-35 В, Iст=5 мА, ТКН 0,006 % / о C. Предназначены для питания варикапов. Температурно-стабилизированные ИОН содержат интегральный стабилитрон, а также прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры (ДТ — переход БЭ транзистора). Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. ТКН до 0,00005 % / о C, что на порядок меньше, чем у любого стабилитрона. 2С483 (аналог LM199 фирмы National Semiconductor). Опорные источники с напряжением запрещённой зоны состоят из биполярных транзисторов и резисторов. В них используется принцип термокомпенсации Uбэ падением напряжения на резисторе с положительным ТКН. Uвых=1,22 В, Еотс~0,7 В. Для изменения значения Uвых введена схема с ОУ. На этом принципе выполнен регулируемый интегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 фирмы Texas Instruments). ТКН=0,0003 % / о C, Uвых=2,5-36 В, rдиф=0,2 Ом,Iнmax=100 мА. Эти параметры намного лучше, чем у прецизионных стабилитронов.

Стабилизация напряжения

Существуют два метода стабилизации напряжения : параметрический и компенсационный.

При параметрическом методе стабилизации напряжения применяются нелинейные элементы, которым свойственно непостоянство сопротивления при изменении приложенного напряжения или проходящего тока. Это обусловливает нелинейность вольт-амперной характеристики.

Схема параметрического стабилизатора показана на рис. 122, а . Между входными зажимами 1—1 включена последовательная цепь, состоящая из активного линейного сопротивления R и нелинейного элемента с сопротивлением R н.э . Выходное напряжение, снимаемое с нелинейного элемента, подводится к выходным зажимам 2—2, к которым подключается нагрузка в виде сопротивления Rн.

Рис. 122. Схема (а) и вольт-амперные характеристики (б) параметрического стабилизатора напряжения.

Принцип действия стабилизатора поясняют графики, приведенные на рис. 122, б . Кривая OA является вольт-амперной характеристикой нелинейного элемента. Прямая ОВ устанавливает общую линейную зависимость между током и напряжением в нагрузке. Наклон ее определяется углом α = arctg R н . Кривая ОС представляет собой эквивалентную вольт-амперную характеристику, которая выражает зависимость между напряжением U вых и общим током I. Она получена последовательным суммированием точек двух первых характеристик при одинаковых падениях напряжения на сопротивлениях R н и R н.э .

В качестве примера на графике показано определение точки К эквивалентной вольт-амперной характеристики. Абсцисса этой точки получена суммированием отрезков аб и ав. Вольт-амперную характеристику UR = φ (I) линейного элемента схемы — сопротивления R — можно получить из уравнения

Эта характеристика представляет прямую линию DE с углом наклона к оси ординат β = arctg R. Началом ее является точка D, так как в схеме должно выполняться условие U вх = U вых + U R . Точка пересечения кривой ОС и прямой DE обозначена буквой М. Координаты точки М (напряжение (U вых и ток I) соответствуют исходному режиму работы стабилизатора.

При увеличении входного напряжения (напряжения на выходе выпрямителя) на ΔU вх прямая DE переместится параллельно самой себе и займет новое положение D’E’. Угол наклона к оси ординат останется прежним, так как сопротивление R не изменилось. Рабочей точкой теперь будет точка М’. Из графика видно, что выходное напряжение увеличилось на ΔU вых . Приращение ΔU вых

Схема обладает стабилизирующими свойствами не только при изменении входного напряжения, но и при изменении тока через нагрузку. Если сопротивление нагрузки уменьшить на ΔR н , то при этом увеличится ток через нагрузку на ΔI н и прямая ОВ займет положение ОВ’ у определяемое углом наклона α’ = arctg (R н — ΔR н ). Эквивалентная вольт-амперная характеристика займет положение ОС. Таким образом, изменение тока нагрузки на ΔI н приводит к смещению рабочей точки М в положение М», которой соответствует очень незначительное изменение выходного напряжения ΔU вых . Как видно, сопротивление нелинейного элемента R н.э , входящее в схему, так изменяется, что напряжение на выходе стабилизатора (на нагрузке) остается почти неизменным, несмотря на значительные изменения, входного напряжения или тока нагрузки.

Компенсационный метод стабилизации напряжения осуществляется путем автоматического регулирования выходного напряжения. Основными элементами компенсационного стабилизатора являются чувствительный, усилительный и исполнительный элементы ( рис. 123 ).

Схема отрегулирована так, что при номинальном выходном напряжении напряжение на выходе чувствительного элемента отсутствует. Если же выходное напряжение отклонится от номинального .значения, то с выхода чувствительного элемента на усилитель поступит часть выходного напряжения, которая после усиления изменяет режим работы исполнительного элемента, включенного последовательно с нагрузкой, таким образом, что выходное напряжение вновь становится равным номинальному.

При параметрическом и компенсационном методах стабилизации процесс поддержания постоянства выходного напряжения или тока в нагрузке осуществляется при помощи как электронных ламп, так и полупроводниковых приборов, которые обеспечивают устойчивую и практически безынерционную работу стабилизатора.

Рис. 123. Блок-схема компенсационного стабилизатора напряжения.