Меню

Что такое стабилизатор компенсационного типа

Принцип действия и устройство компенсационных стабилизаторов напряжения и тока

Для стабилизации величин напряжений и токов применяют стабилизаторы. Они бывают компенсационными и параметрическими. В данной статье мы рассмотрим компенсационные стабилизаторы.

Компенсационный стабилизатор тока

Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора тока, которая очень распространена во всяких схемах, приведена ниже:

От схемы параметрического стабилизатора ее отличает то, что стабилизирующим элементом тут является совокупность транзистора Т, резистора R Е и источника опорного напряжения U оп .

Схема функционирует следующим образом: при подаче внешнего напряжения U вх в цепи устанавливается заданный ток. На R Е падает напряжение, которое вместе с U оп обеспечивает между базой и эмиттером условия для этого тока. Когда же по каким либо причинам ток в нагрузке пытается измениться (например, увеличиться из-за увеличения питающего напряжения U вх), то увеличивается и падение на R E. Увеличение этого падения, поданное на базу положительным знаком, приведет к уменьшению общего тока, который мог бы увеличиться. Иначе говоря, подача положительного напряжения на базу относительно эмиттера увеличивает сопротивление транзистора. И на этом падение будет увеличиваться (при практически не увеличенном токе), чем и будет компенсироваться прирост питающего напряжения.

Компенсационный стабилизатор напряжения

Наиболее распространенная, но и самая простая схема стабилизатора напряжения приведена ниже:

Роль источника опорного напряжения в ней играет цепочка R б -C т, что представляет собой уже знакомый нам параметрический стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном С т (одновременно на этой схеме показано условное обозначение кремневого стабилитрона). Напряжение U c т изменяется мало. Ее выбирают несколько большей, чем U н таким образом, чтобы обеспечить управляющее напряжение U БЕ=U ст — U н

Напряжение U н на нагрузке равняется разнице U вх— U БЕ. Если U вх например, увеличивается должен увеличиться общий ток, который увеличит U н . Однако наименьшее увеличение U н уменьшит U БЕ, транзистор уменьшит свой ток, что и компенсирует возможное повышение U н.

Разберем работу этой схемы подробнее. Для этого заменим транзистор его ранее рассмотренной эквивалентной схемой, положив в ней h 12Б=0, а стабилитрон заменим его динамическим сопротивлением R Д. Полученную таким образом схему:

Несколько упростим, отбросив резистор с проводимостью h 22Б, который зашунтирован значительно меньшим сопротивлением R б. Получим остаточную расчетную схему:

По принципу суперпозиции отыщем только отношение ∆U вх / ∆U н , что входит множителем в выражение для коэффициента стабилизации.

Источник

Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения.

Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем. Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.

В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения ΔUРЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при применении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.

Читайте также:  Стабилизатор для usb порта

В схеме, приведенной на рисунке 1, коэффициент передачи элемента регулирования Kр определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора. Эталонное напряжение Uэт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится делитель напряжения с коэффициентом деления Kд. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки ΔUE. Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:

Принцип работы компенсационного стабилизатора лучше пояснить по принципиальной схеме. Подобная схема, выполненная на двух транзисторах, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения

В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Схема сравнения реализована на транзисторе VT2. Ток этого транзистора зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R3, R4.

Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.

Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.

Рисунок 3. Схема Дарлингтона

Коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше Kу, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения Uвх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего токовое зеркало.


Рисунок 4. Принципиальная схема токового зеркала

В результате получается схема, подобная схеме стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора, поэтому выгоднее подобрать готовый стабилизатор на необходимое напряжение.

Рисунок 5. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805

Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисунке 6

Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805

Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать выходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог — стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на выходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, микросхема 7809 сформирует на выходе напряжение 9В, микросхема 7812 обеспечит напряжение 12В.

Читайте также:  Стабилизатор задней подвески газель для чего

Так как через силовой транзистор (элемент регулировки) протекает весь ток нагрузки, то на нем выделяется тепловая энергия, которую необходимо рассеять в окружающем пространстве. Поэтому обычно этот стабилизатор размещается на радиаторе. Для удобства крепления микросхема выполняется в специально разработанном корпусе TO-220, который даже без радиатора способен рассеять до 1 Вт тепла.


Рисунок 7. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 7805

В ряде случаев такой большой ток не требуется, поэтому были разработаны микросхемы маломощных стабилизаторов напряжения. Наиболее распространены микросхемы LM78L05. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах, таких как SOIC, SOT-89, DSBGA или TO-92. Отечественные малогабаритные стабилизаторы — КР1157. Их схема включения не отличается от схемы, приведенной на рисунке 6, но конструкция совершенно другая.


Рисунок 8. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 78L05

Как видно из приведенных примеров, компенсационные стабилизаторы нашли широкое применение в современных компьютерах, сотовых телефонах и рациях.

Дата последнего обновления файла 21.05.2019

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Компенсационный стабилизатор напряжения. Расчёт стабилизатора напряжения (meanders.ru)
  6. LDO-преобразователи с низким током собственного потребления и малым падением напряжения (compel.ru)
  7. Одноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments (rlocman.ru)
  8. 3 Pin 1.5A Fixed 5V Positive Voltage Regulator (ti.com)
  9. 1A LOW DROPOUT POSITIVE FIXED 2.5V REGULATOR (gaw.ru)

Вместе со статьей «Компенсационные стабилизаторы» читают:

Источник



Компенсационные стабилизаторы.

Эти стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схемы.

Компенсационные стабилизаторы подразделяют на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные.

Любой компенсационный стабилизатор состоит из блока сравнения (БС), в который входит источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока (У) и регулирующего элемента (РЭ).

Здесь изображена схема компенсационного стабилизатора на дискретных пролупроводниковых приборах. В этом стабилизаторе в блок сравнения (БС) входит параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резистора R5, и резистивный делитель R1R2R3. Усилителем постоянного тока является усилитель на транзисторе Т2 и резисторе Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т1.

В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузочном резисторе Uн (или части его) с опорным напряжением Uоп.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока Iн, напряжение Uн повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения равная bUн (b- коэффициент деления резистивного делителя), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп, т.к. опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 из- за увеличения напряжения bUн уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т2 снижается. Это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором транзистора Т1, что равносильно увеличению его сопротивления. В следствии этого падение напряжения на транзисторе Т1 возрастает, благодаря чему напряжение Uн приобретает значение близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R2 осуществляется регулирование напряжения Uн.

Читайте также:  Стабилизатор накала лампы схема

В современных стабилизаторах на интегральных микросхемах для повышения коэффициента стабилизации вместо усилителя на транзисторе Т2 применяют интегральный операционный усилитель. Это позволяет получить коэффициент стабилизации равный нескольким тысячам. В таком стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходных напряжений, снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения.

К достоинствам компенсационных стабилизаторов относят:

* высокий коэффициент стабилизации К>100;

* низкое внутреннее сопротивление Riст=10 -3 …10 -4 Ом;

* отсутствие собственных помех.

К недостаткам относятся:

* невысокий КПД, не превышающий 0,5…0,6 ;

* значительная масса из- за необходимости применения радиатора на регулирующем транзисторе при стабилизации больших токов.

В отечественной аппаратуре наиболее широкое распространение получил стабилизатор на микросхемах серий К142, К275, К181, которые оснащены схемами защиты от перегрузок и короткого замыкания.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН)

Получают все большее распространение из- за высокого КПД, достигающего 0,8…0,85, меньшие габариты и массу.

Так же, как и в компенсационном стабилизаторе, в нем применяется отрицательная обратная связь, ослабляющая изменение выходного напряжения или нагрузочного тока. Отличием ИСПН от компенсационных стабилизаторов является работа регулирующего элемента РЭ- транзистора в режиме ключа, когда транзистор либо открыт, либо закрыт. Именно режим ключа позволяет получать очень высокий КПД.

Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы. Для последующего преобразования таких импульсов в постоянное напряжение служит сглаживающий фильтр Ф. Регулирующий элемент и сглаживающий фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которую осуществляют блок сравнения БС и импульсный блок ИС. В блоке сравнения выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Получающаяся при этом разность напряжений воздействует на импульсный блок, который вырабатывает управляющие импульсы разной длительности или частоты следования, удовлетворяющие работе регулирующего элемента.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующего элемента подразделяются на стабилизаторы с частотно- импульсной модуляцией и широтно- импульсной модуляцией (ШИМ).

Рассмотрим работу ИСПН на примере релейного стабилизатора. В этом стабилизаторе в блоке сравнения функции сравнения эталонного (опорного) напряжения с выходным напряжением стабилизатора совмещены с функциями релейного устройства, те и другие функции выполняет стабилитрон Д1.

Релейное устройство через транзисторы Т3, Т2, принадлежащие импульсному блоку, управляет регулирующим элементом- транзистором Т1. В качестве сглаживающего фильтра чаще всего используются Г- образные LC- фильтры.

Релейный стабилизатор работает таким образом. При подаче постоянного входного напряжения Uвх регулирующий транзистор Т1 открывается. Благодаря наличию индуктивной катушки Lф, ток через которую не может изменяться скачком, напряжение на выходе стабилизатора будет постепенно увеличиваться, bUвых, где b- коэффициент деления делителя R8R9R10. При некотором значении этого напряжения стабилитрон Д1 открывается, что приводит к отпиранию транзистора Т3 и запиранию транзистора Т2, так как транзистор Т3 закрывает его вход. В свою очередь, транзистор Т2 запирает регулирующий транзистор Т1. После этого, напряжение на выходе стабилизатора и в блоке сравнения начинает уменьшаться. При определенном значении bUвых стабилитрон Д1 закрывается, что приводит к запиранию транзистора Т3 и отпиранию транзисторов Т2 и Т1. Далее процесс повторяется.

Изменения выходного напряжения из- за воздействия дестабилизирующих факторов приводят к соответствующим изменениям длительности закрытого и открытого состояний регулирующего транзистора Т1, в результате, среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться с определенной степенью точности.

Стабилитрон Д2— для шунтирования обратного выброса ЭДС.

Основным преимуществом всех релейных ИСПН является их высокое быстродействие, а существенным недостатком- относительно большая амплитуда пульсаций выходного напряжения. Эти пульсации невозможно свести к нулю, т.к. переключение релейных элементов возможно только при изменениях выходного напряжения.

Источник