Стабилизаторы напряжения

КГБОУ СПО «Ачинский механико-технологический  техникум»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Тема: Стабилизаторы напряжения.

 

 

 

                                                     Выполнил: Моисейченко А.С.

                                                                        Студент группы Э-2-9,11

                                    Проверила: Кунгурова А.А.

 

 

 

 

Ачинск 

2012г.

Оглавление:

1. Стабилизатор напряжения.............................................................1 стр.
2. Линейный стабилизатор.................................................................1 стр.
3. Параллельный параметрический стабилизатор

на стабилитроне…………………………………………………..1-2 стр.

4. Последовательный стабилизатор

на биполярном транзисторе……..……………………………..2 стр.

5. Последовательный компенсационный стабилизатор

с применением операционного усилителя………………………………………………………..3 стр.

6. Импульсный стабилизатор

(Разновидности и принцип действия)........................................4-9 стр.

7. Стабилизаторы переменного напряжения..............................9-11 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По  типу выходного напряжения стабилизаторы  делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Линейный стабилизатор.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное), напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности P_расс = (U_in — U_out) * I_t рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся  на два типа:

Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа  стабилизации:

Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.

Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный  параметрический стабилизатор на стабилитроне.

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_L. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора R_V применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный  стабилизатор на биполярном транзисторе.

U_out = U_z — U_be.

 
По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину U_be, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость U_be от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить  максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим  стабилизатором на стабилитроне, в  β раз (где β - коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления  нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого  хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что U_be в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный  компенсационный стабилизатор с  применением операционного усилителя.

Часть выходного напряжения U_out, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора R_V применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (т.е. опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (G_openloop = 10⁵ ÷ 10⁶).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор.

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Разновидности:

По соотношению входного и выходного  напряжения

• Понижающие
• Повышающие
• С произвольным изменением напряжения
• Инвертирующие

По типу ключевого элемента

• На полевых транзисторах
• На тиристорах
• На биполярных транзисторах

Интегрирующим элементом  может быть

• Дроссель
• Конденсатор
• Аккумулятор

В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы

• на основе широтно-импульсной модуляции
• двухпозиционные (или релейные)

Принцип действия:

Важнейшими элементами импульсного источника питания  являются ключ — устройство, способное  за короткое время изменить сопротивление  прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания)

 

 

Ключевой

 

Функциональная  схема ключевого стабилизатора

Несколько иначе устроен  ключевой стабилизатор напряжения (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием). В нём также входное напряжение поступает через ключевой элемент (1) на накопитель (2), а выходное сравнивается с опорным в ОУ (4). Однако разность между ними подаётся на триггер Шмитта (3). Как только выходное напряжение превышает опорное на определённую величину U₁, триггер Шмитта открывается и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже некоторой величины U₂, после чего ключ снова открывается и процесс повторяется.

Такой стабилизатор проще  по конструкции, однако частота замыкания размыкания ключа в нём непостоянна, что не всегда удобно. Кроме того, при двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразований: например невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя.

Диапазон частот

Диапазон частот, используемый при работе импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения ограничивается с нижней стороны предельной частотой порога слышимости человека и животных. Излучение акустических волн обусловлено явлением магнитострикции в ферромагнитных сердечниках высокочастотных трансформаторов при их работе в режиме насыщения.

С верхней стороны  диапазон частот преобразователей ограничивается требованиями ограничения источников помех для работы радиочастотной аппаратуры.

Обычно диапазон частот преобразователей составляет 20..80 кГц. При выборе частоты работы ключевых и ШИМ-стабилизаторов необходимо учитывать  высшие гармоники токов.

Повышение частоты  позволяет снизить массу и  габариты стабилизаторов.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с  ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как  они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении  первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т. к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда  ключ S замыкается, ток от источника  течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена  обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника  питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как  и напряжение на конденсаторе C и  нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через  дроссель в том же направлении  через диод D и нагрузку, а также  конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена  к нагрузке R через диод D, ток через  дроссель постепенно уменьшается, как  и напряжение на конденсаторе C и  на нагрузке.

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда  ключ замкнут, ток от источника протекает  через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается  энергия. При размыкании ключа ток  от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника  и ЭДС самоиндукции дросселя приложены  в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.