Импульсные стабилизаторы напряжения

ЛЕКЦИЯ 6. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ. 2 часа.

Устройства, обеспечивающие постоянство или малые колебания напряжения или тока в нагрузке при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки, называют соответственно стабилизаторами напряжения или тока.

Стабилизаторы постоянного напряжения (тока) включают на выходе выпрямителя для поддержания неизменным напряжения (тока), сглаживают их пульсации и дают возможность применять в схеме выпрямителя более простые фильтры.

Стабилизаторы могут быть параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Такие стабилизаторы применяют для питания устройств с малыми токами потребления. Их основные недостатки: невозможность плавной регулировки выходного напряжения, малый КПД, большое внутреннее сопротивление и малая выходная мощность.

Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Наибольшее распространение получили полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения.

Стабилизатор напряжения.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации по входному напряжению, определяемый при I_н = const

В качестве параметрических стабилизаторов постоянных напряжений используют кремниевые стабилитроны.

Схема параметрического стабилизатора напряжения с применением стабилитрона (диода Зенера) представлена на рисунке 1а. Она включает стабилитрон VD, сопротивления нагрузки R_H и балластное сопротивление R_Q.

Рис. 1. Параметрический стабилизатор напряжения: а — схема; б — ВАХ стабилитрона.

Рабочим участком ВАХ стабилитрона (рисунок 1б) является участок обратной ее ветви (слева), соответствующий области обратного электрического пробоя перехода и ограниченный минимальным I_cxmin и максимальным I_стmах значениями тока. При работе в этой области обратное напряжение на стабилизаторе U_CT незначительно изменяется при относительно больших изменениях тока стабилитрона I_ст (от I_cтmin до I_ст_m_ах). Поэтому при изменении входного напряжения U_BX = U₆ + U_CT изменяется в основном напряжение ±U₆ = R₆1 на балластном резисторе R₆, а напряжение U_H на нагрузке R_H, равное напряжению на стабилитроне U_CT, практически не изменяется. При прямом включении стабилитрон имеет ВАХ обычного диода.

Основным параметром стабилитрона является напряжение на стабилитроне, которое для выпускаемых промышленностью приборов составляет U_CT = 3... 180 В. Стабилизаторы напряжения на стабилитронах не обеспечивают высокой стабильности выходного напряжения — их коэффициент стабилизации к_ст не превышает нескольких десятков.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с цепью обратной связи по напряжению выполняют, как правило, с последовательным включением регулирующего элемента (РЭ) относительно нагрузки.

Компенсационный стабилизатор напряжения включает регулирующий (исполнительный) элемент, измерительный элемент (ИЭ), элемент сравнения (ЭС) и источник эталонного напряжения U_3T(рис. 2). Выходное напряжение ИЭ, пропорциональное фактическому значению стабилизируемого параметра, сравнивается в ЭС с эталонным заданным напряжением и полученный сигнал рассогласования u_у = u _эт - и_иэ управляет падением напряжения на РЭ. Напряжения стабилизатора связаны уравнением U_BX = U_P3 + U_ВЫХ. Увеличение u_у, вызванное уменьшением U_ВЫХ, уменьшает падение напряжения на РЭ, что ведет к восстановлению исходного значения выходного напряжения. И наоборот, увеличение выходного напряжения, уменьшая сигнал рассогласования, увеличивает падение напряжения на РЭ. Таким образом, падение напряжения на РЭ регулируется сигналом рассогласования u_у, так чтобы U_ВЫХ было постоянным.

Рис. 2. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

На рисунке 3 приведена схема компенсационного стабилизатора, использующая в качестве регулирующего элемента биполярный транзистор VT1, а в качестве схемы сравнения и элемента, управляющего током через регулирующий элемент транзистор VT2. В качестве источника опорного (эталонного) напряжения используется стабилитрон VD. Резистор Rб (называется балластным резистором) задаёт ток через стабилитрон, резистор Rр

Позволяет выставлять нужную величину выходного напряжения, а конденсатор Сн обеспечивает сглаживание пульсаций выходного напряжения.

Рис. 3. Компенсационный стабилизатор напряжения: а — схема; б — входная характеристика транзистора

Компенсационные стабилизаторы обеспечивают высокую точность стабилизации выходного напряжения, одинаково хорошо ослабляя медленные и быстрые изменения входного напряжения. Кроме того, они обладают высоким коэффициентом стабилизации, равным 100...300.

Импульсные стабилизаторы напряжения

В импульсных стабилизаторах (преобразователях) напряжения активный элемент (как правило полевой транзистор) работает в импульсном режиме: регулирующий ключ попеременно то открывается, то закрывается, подавая напряжение питания импульсами на накапливающий энергию элемент. В результате импульсы тока подаются через дроссель (или через трансформатор, в зависимости от топологии конкретного импульсного стабилизатора), который зачастую и выступают элементом, накапливающим, преобразующим, и отдающим энергию в цепь нагрузки.

Импульсы обладают определенными временными параметрами: следуют с определенной частотой и имеют определенную длительность. Данные параметры зависят от величины нагрузки, питаемой в текущий момент от стабилизатора, поскольку именно средний ток дросселя заряжает выходной конденсатор и, по сути, питает подключенную к нему нагрузку.

ШИМ и ЧИМ

Принцип стабилизации выходного напряжения импульсного преобразователя основан на непрерывном сравнении выходного напряжения с опорным, и в зависимости от рассогласования этих напряжений, схема управления автоматически перестраивает соотношение длительностей открытого и закрытого состояний ключа (изменяет ширину управляющих импульсов посредством широтно-импульсной модуляции - ШИМ) либо изменяет частоту следования данных импульсов, сохраняя их длительность постоянной (посредством частотно-импульсной модуляции - ЧИМ). Значение выходного напряжения обычно измеряется на резистивном делителе.

Допустим, напряжение на выходе под нагрузкой в какой-то момент уменьшилось, стало меньше номинального. В этом случае ШИМ-регулятор автоматически увеличит ширину импульсов, то есть процессы накопления энергии в дросселе станут по длительности больше, и энергии к нагрузке, соответственно, будет передаваться тоже больше. Напряжение на выходе в результате вернется к номиналу.

Если стабилизация работает по принципу ЧИМ, то при уменьшении выходного напряжения под нагрузкой, увеличится частота следования импульсов. В итоге к нагрузке будет передаваться больше порций энергии и напряжение сравняется с требуемым номиналом. Здесь уместным будет сказать, что отношение длительности замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого его состояний называется коэффициентом заполнения.

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 91; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!