Коэффициент стабилизации стабилизатора тока

Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Устройство и принцип работы

Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.

Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):

Стабилизатор тока

В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:

Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током I_ст (смотри рисунок выше а). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:

При этом на нагрузке будет напряжение I_стR_н. За этими данными подсчитывают значения U_вх , которое нужно приложить к стабилизатору:

На этом и завершается расчет стабилизатора тока.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:

По заданному значению U_ст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют I_min и I_max. По этим данным подсчитывают ток I_ст = ( I_min ₊ I_max)/2. Общий ток I_вх равен I_{ст +} U_ст/R_н. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке U_{ст =} I_ст R_н при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе U_вх выбирают процентов на 20 выше чем U_ст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе R_б, величину которого найдем по формуле:

Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:

При K_ст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше K_ст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.

У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.

Точностные параметры

Основное назначение стабилизаторов — поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного напряжения, токов нагрузки, температуры окружающей среды и старения элементов.

Читайте так же:

L7812cv стабилизатор тока схема

К точностным параметрам относятся: точность установления выходного напряжения, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, температурный коэффициент напряжения, временнaя стабильность, шум выходного напряжения.

Точность установления выходного напряжения обычно указывается для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. Она зависит, в основном, от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав стабилизатора. Точность установления повышают путем лазерной подгонки сопротивлений делителя обратной связи.

Коэффициент стабилизации определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения стабилизатора:

Часто вместо этой величины в справочниках приводится так называемая «нестабильность по напряжению», под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в % при изменении разности входного и выходного напряжений в заданных пределах. Иногда также приводится нестабильность по напряжению как абсолютное изменение выходного напряжения в мВ при изменении разности входного и выходного напряжений или просто входного напряжения в заданных пределах. Повышение коэффициента стабилизации достигается увеличением коэффициента усиления усилителя ошибки.

Выходное сопротивление характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки:

В справочниках вместо выходного сопротивления иногда приводится так называемая «нестабильность по току», под которой понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах, в процентах от номинальной величины для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением и в милливольтах — для регулируемых стабилизаторов.

Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:

ТКН = D U_вых / D Т° .

В справочниках часто приводится так называемая «температурная стабильность», под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинальной величины при изменении температуры окружающей среды в допустимых для данной ИМС пределах. Используется также термин «температурный дрейф выходного напряжения», определяемый отношением D U_вых/(U_{вых.ном}Т° ) и измеряемый в мВ/(° С*В).

Долговременная стабильность определяет относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинального значения за 1000 часов работы при температуре окружающей среды, соответствующей верхней границе рабочего диапазона.

Источники опорного напряжения компенсационных стабилизаторов

ПОЛУЧЕНИЕ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В любой схеме стабилизатора требуется наличие опорного напряжения, с которым сравнивается величина выходного напряжения. Стабильность выходного напряжения не может быть выше стабильности опорного напряжения.

Читайте так же:

Стабилизатор тока в нагрузке

ФОРМИРОВАТЕЛИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА СТАБИЛИТРОНАХ

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение подключается через ограничивающее сопротивление к стабилитрону. На рис. 1 показана схема такого включения стабилитрона. Качество стабилизации оценивается следующим коэффициентом:

Оно носит название «коэффициент стабилизации» и часто измеряется в децибелах. Для схемы на рис. 1 коэффициент стабилизации составляет от 10 до 100.

Рис. 1 Стабилизация напряжения при помощи стабилитрона.

В этой формуле r_z-дифференциальное сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратно пропорционально протекающему через него току. Таким образом, при заданном входном напряжении увеличением R добиться повышения коэффициента стабилизации невозможно. Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Величину сопротивления R рассчитывают таким образом, чтобы при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки через стабилитрон протекал ток достаточной величины.

Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если ограничивающий ток резистор R заменить, как показано на рис. 2, источником стабильного тока. Простейшим схемным решением является применение источника тока, выполненного на базе полевого транзистора, который изображен на рис. 3. Такая схема стабилизатора тока удобна тем, что имеет всего два вывода. С ее помощью можно достичь коэффициента стабилизации опорного напряжения порядка 10000.

Рис. 2. Повышение коэффициента стабилизации с помощью включения стабилизатора тока.

Рис. 3. Полевой транзистор в качестве стабилизатора тока.

В схемах стабилизаторов напряжения, где выходное напряжение превышает опорное, высокого коэффициента стабилизации можно добиться и при помощи омического ограничивающего сопротивления, если его подключить не со стороны входа, а, как показано на рис. 4, к выходу стабилизатора напряжения. Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом ослабления изменений напряжения питания в используемом операционном усилителе.

Рис. 4. Использование выходного напряжения стабилизатора для получения опорного напряжения.

Коэффициент стабилизации в такой схеме также достигает величины порядка 10000. Если изменение входного напряжения у такой схемы составит 10В, то изменение выходного напряжения не превысит 1 мВ.

Существенно большие значения имеют температурные колебания опорного напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона лежит в пределах + 1.10 -3 К -1 . Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших-положителен. Типовая зависимость температурного коэффициента напряжения от величины напряжения стабилизации стабилитрона приведена на рис. 5

Читайте так же:

Трансформаторы тока стабилизаторы напряжения

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Главная

Категории

Астрономия
Биология
Биотехнологии
География
Государство
Демография
Журналистика и СМИ
История
Лингвистика
Литература
Маркетинг
Менеджмент
Механика
Науковедение
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Социология
Физика
Химия
Экология
Электроника
Электротехника
Энергетика
Юриспруденция
Этика и деловое общение

Электроника Параметрические стабилизаторы

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного напряжения наиболее часто используются кремниевые стабилитроны. В отличие от обычных диодов кремниевые стабилизаторы работают на обратной ветви ВАХ в области пробоя и незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. При этом «пробой» перехода не приведет к повреждению стабилитрона, если ток не превышает предельно допустимого значения..

На рис. 4.2 представлена ВАХ кремниевого стабилитрона, область 1—2 характеристики является рабочей.

Кремниевые стабилитроны характеризуются следующими параметрами: номинальным напряжением стабилизациипри номинальном токе стабилитрона; минимально допустимым током стабилизациихарактеризующим начало рабочего участка; максимально допустимым током стабилизации при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения; дифференциальным сопротивлением г_ст, определяемым как отношение приращения напряжения стабилизации к приращению тока через стабилитрон; максимально допустимой мощностью, рассеиваемой стабилитроном Ртах, при которой температура р-п перехода не превышает предельно допустимого значенияразбросом напряжения стабилизации от номинального значения при заданных токе стабилитрона и температуре окружающей среды; средним температурным коэффициентом напряжения стабилизации а_ст, определяемым отношением изменения напряжения стабилизации в процентах к абсолютному изменению температуры.

Промышленность выпускает стабилитроны на напряжения от единиц до сотен вольт в корпусном и бескорпусном исполнении на различные мощности от сотен милливатт до нескольких ватт. Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со стабилитроном включают р-п переходы в прямом направлении.

На рис. 4.3, а представлена однокаскадная схема параметрического стабилизатора. Она состоит из гасящего резистора включенного последовательно с потребителем, стабилитрона VD1, включенного параллельно потребителю. Принцип работы однокаскадного параметрического стабилизатора заключается в следующем При увеличении напряжения на входе стабилизатора ток через стабилитрон VD1 резко возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем резисторе R_n. Приращение напряжения на гасящем резисторе примерно равно приращению напряжения на входе стабилизатора, так что напряжение на выходе стабилизатора при этом изменяется незначительно.

Читайте так же:

Стабилизатор переменного тока 380 в

Коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора

гдедифференциальное сопротивление стабилитрона.

«Как» видно из (4.1), коэффициент стабилизации зависит от сопротивления резистора R_n и r_CTi. При увеличении сопротивления R_ri крайне важно повышать входное напряжение U_i, поэтому коэффициент стабилизации не может безгранично увеличиваться. С учетом изменения входного напряжения выражение для коэффициента стабилизации можно представить в следующем виде:

гдеотносительное отклонение напряжения в сети в сторону понижения;

— максимально возможный коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора;

Из (4.3) видно, что для выбранного стабилитрона VD1 при известном токе нагрузки коэффициент стабилизации не может быть больше -Внутреннее сопротивление однокаскадного параметрического стабилизатора приближенно равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона: -Изменение окружающей температуры приводит к изменению выходного напряжения стабилизатора. Изменение выходного напряжения в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом стабилизатора у. который, в свою очередь, зависит от температурного коэффициента напряжения стабилитрона, применяемого в схеме.

На рис. 4.3, б представлена схема двухкаскадного параметрического стабилизатора. Выходной каскад стабилизатора, состоящий из стабилитрона VD1 и гасящего резистора R_ru питается от предварительного стабилизатора, выполненного на стабилитронах VD2, VD3 и резисторе R_ri.

Коэффициент стабилизации такой схемы равен произведению коэффициентов стабилизации первого и второго каскадов:

Внутреннее сопротивление схемы на рис. 4.3, б, как и в однокаскадном параметрическом стабилизаторе, равно приближенно дифференциальному сопротивлению стабилитрона VD1. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, применяя многокаскадные параметрические стабилизаторы, можно значительно повышать коэффициент стабилизации, однако стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки остается такой же, что и в однокаскадных схемах.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используются нелинейные элементы, ток которых мало зависит от. напряжения, приложенного к ним. Таким элементом может быть полевой или биполярный транзистор. Выходные и входная характеристики полевого транзистора приведены на рис. 4.4. Такие выходные характеристики имеют полевые транзисторы с р-п переходом и МОП-транзисторы обедненного типа. Из характеристик видно, что если напряжение затвор— исток неизменно, то и ток стока полевого транзистора изменяется незначительно при изменении напряжения сток—исток.

Читайте так же:

Стабилизатор тока для мопеда

Широкое распространение получила схема параметрического «стабилизатора тока на полевом транзисторе, когда затвор и исток закороченыПолевой транзистор включен последовательно с сопротивлением нагрузки. Значение тока нагрузки 1_а=1_с определяется выбором сопротивления резистора

Максимальное значение токаСопротивление резистора рассчитывается по формуле

Коэффициент стабилизации по входному напряжению

Стабилизаторы тока с полевым и биполярным транзисторами применяют вместо гасящего резистора R_r в параметрических стабилизаторах напряжения (рис. 4.6). Это дает возможность обеспечить получение высокого коэффициента стабилизации, при относительно высоком КПД.

Коэффициент стабилизации по напряжению схемына рис. 4.6 определяется (4.1), в котором для схемы на: рис. 4.6, б

рис. 4.6, крутизна полевого транзисторастатический коэффициент передачи тока и сопротивление коллектора транзистора VT1 в схеме с общим эмиттером; дифференциальное сопротивление стабилитрона VD2. Внутреннее сопротивление схем на рис. 4.6, как и для схем на рис. 4.3, равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона. Исходными данными для расчета стабилизаторов являются: номинальное напряжение сети U_u В; частота тока сетиотносительные отклонения напряжения сети как в сторону повышения, так и в сторону понижения a_max, a_mm; номинальное значение выходного напряжениямаксимальный и минимальный ток и нагрузкикоэффициент стабилизациивнутреннее сопротивление r_t амплитуда переменной составляющей выходного напряженияпредельные значения температуры окружающей среды.