Теоретичні відомості до лабораторної роботи. Вихідна напруга пристроїв електроживлення може змінюватися в досить широких межах під впливом різних дестабілізуючих факторів

Вихідна напруга пристроїв електроживлення може змінюватися в досить широких межах під впливом різних дестабілізуючих факторів, таких як зміни напруги мережі живлення, струму навантаження, умов навколишнього середовища і, насамперед, температури.

Відношення зміни напруги до його номінального значення називається нестабільністю напруги, яка є відносною зміни напруги до її номінального значення і може виражатися або у відносних величинах, або у відсотках:

.

Наприклад, стандартна нестабільність промислової мережі змінної напруги становить в бік збільшення +0.1, або +10%, а в бік зменшення -0.15, або -15%. Для електроживлення багатьох споживачів потрібна напруга зі значно меншою нестабільністю. Тому часто між випрямлячем і навантаженням ставиться пристрій, що автоматично підтримує постійним вихідну напругу. Такий пристрій називається стабілізатором напруги.

Стабілізатори напруги – це електронні пристрої, призначені для підтримання сталого значення напруги на виході схеми з необхідною точністю при зміні в заданому діапазоні напруги джерела живлення або опору навантаження, які розглядаються як дестабілізуючі чинники. За принципом роботи стабілізатори напруги поділяються на параметричні та компенсаційні.

Параметричний метод стабілізації базується на зміні параметрів нелінійного елемента стабілізатора – стабілітрона, залежно від зміни дестабілізуючого чинника. Такі стабілізатори називають параметричним стабілізаторами.

При компенсаційному методі стабілізації у вимірювальному елементі порівнюється величина, що стабілізується (зазвичай це вихідна напруга), з еталонною величиною і виробляєть­ся сигнал помилки, який потім перетворюється, підсилюється і подається на регулювальний елемент. Регулювальний елемент змінює свій режим роботи таким чином, щоб звести сигнал помилки до нуля, тим самим підтримуючи сталою вихідну напругу. Стабілізатори, що використовують даний принцип стабілізації, називаються компенсаційними стабілізаторами.

Основні параметри стабілізатора наступні:

1. Коефіцієнт стабілізації – це відношення нестабільності напруги на вході стабілізатора до нестабільності напруги на його виході:

.

2. Внутрішній (вихідний) опір стабілізатора – це відношення зміни вихідної напруги стабілізатора до зміни його вихідного струму :

.

3. Температурний коефіцієнт напруги стабілізатора – це відношення зміни вихідної напруги стабілізатора до зміни температури навколишнього середовища:

.

Принцип дії параметричних стабілізаторів заснований на використанні нелінійності вольт-амперних характеристик деяких приладів, наприклад кремнієвих стабілітронів. Вольт-амперна характеристика стабілітрона наведена на рис. 8.2.

Стабілітрон – це кремнієвий діод, робочою ділянкою якого є область лавинного пробою на зворотній гілці ВАХ (ділянка 1...2). При зміні струму, що протікає через стабілітрон, від до напруга на стабілітроні змінюється дуже мало, тобто здійснюється стабілізація напруги. Якщо струм стабілітрона менше , напруга стабілітрона починає сильно змінюватися, і стабілізації не буде. Якщо струм стабілітрона більше , у стабілітроні буде розсіюватися надмірно велика потужність і оборотний лавинний пробій переходить у необоротний тепловий пробій. Прилад виходить із ладу.

Рис. 8.2. ВАХ кремнієвого стабілітрона	Рис. 8.3. Схема параметричного стабілізатора

Схема параметричного стабілізатора наведена на рис. 8.3. Опір навантаження підключається паралельно стабілітрону . Якщо стабілітрон працює на ділянці 1...2 своєї ВАХ (рис. 8.2), напруга на ньому, а отже, і на навантаженні буде залишатися постійною. При збільшенні вхідної напруги буде збільшуватися падіння напруга на баластному резисторі , а отже, і струм , що протікає через нього. Згідно першого закону Кірхгофа, струм дорівнює сумі струмів, що протікають через навантаження і стабілітрон : .

Оскільки напруга на навантаженні практично не змінюється, струм навантаження буде постійним. Отже, все збільшення струму баластного резистора пройде через стабілітрон, і його струм зміниться на . При цьому робоча точка стабілітрона зміститься вниз в область більших струмів. Однак напруга на стабілітроні і навантаженні практично не зміниться.

Таким чином, все збільшення вхідної напруги буде падати на баластному резисторі : . Якщо напруга залишається постійною, струм баластного резистора не змінюється. Якщо збільшити струм навантаження на , то струм стабілітрона при цьому зменшиться на таке ж значення: . При цьому робоча точка стабілітрона зміститься вгору в область менших струмів, однак його напруга, а отже, і напруга на навантаженні знову практично не зміниться.

Коефіцієнт стабілізації розглянутого стабілізатора визначається з виразу:

,

де – динамічний опір стабілітрона, який можна визначати з ВАХ стабілітрона:

.

Оскільки вихідний опір стабілізатора визначається як , а зміна вихідного струму , то неважко показати, що вихідний опір параметричного стабілізатора .

Перевагою параметричного стабілізатора є його простота, а недоліком – невисокий коефіцієнт стабілізації (). Крім того, у параметричному стабілізаторі не можна регулювати значення вихідної напруги, оскільки воно повністю визначається властивостями напівпровідникового стабілітрону.

Компенсаційний стабілізатор представляє собою систему автоматичного регулювання, у якій використовується принцип зворотного зв'язку.

Структурна схема компенсаційного стабілізатора наведена на рис.8.4.

Рис. 8.4. Структурна схема компенсаційного стабілізатора

Вхідна напруга через регулюючий елемент РЕ (найчастіше це транзистор) надходить на вихід стабілізатора. Після цього вихідна напруга (вся або її частина) подається на схему порівняння СП, де вона порівнюється з постійною еталонною напругою , що надходить з джерела еталонної напруги ДЕН. При відхиленні вихідної напруги від свого номінального значення, на виході схеми порівняння виникає сигнал помилки , який підсилюється підсилювачем П і впливає на регулюючий елемент таким чином, щоб вихідна напруга повернулася до номінального значення (сигнал керування ).

Принципова схема компенсаційного стабілізатора наведена на рис. 8.5. Транзистор VT 1 є регулюючим елементом. Резистори – дільник напруги, з якого сигнал, пропорційний вихідній напрузі стабілізатора , подається перехід база-емітер транзистора VT 2, який є схемою порівняння, а сам транзистор VT 2 виконує роль підсилювача сигналу помилки. Джерело еталонної напруги реалізовано на базі параметричного стабілізатора, зібраного на стабілітроні VD і баластному резисторі . Резистор є навантаженням підсилювача, зібраного на транзисторі VT 2.

При зміні напруги на вході стабілізатора (наприклад, при збільшенні ) в перший момент починає збільшуватися напруга на його виході . При цьому, збільшується напруга на нижньому плечі вихідного дільника . Потенціал бази транзистора VT 2 стає більше негативним (струм через дільник протікає знизу вгору). Потенціал емітера транзистора VT 2 залишається практично незмінним, тому що визначається напругою стабілітрона VD. Отже, напруга база-емітер транзистора VT 2 зростає, і транзистор відкривається більше (даний транзистор має тип p-n-p, і негативний потенціал на його базі є відкриваючим для нього). При цьому, його вихідний струм зростає. Протікаючи через резистор R 1, сумарний струм двох транзисторів () збільшує падіння напруги на цьому резисторі (полярність напруги зазначена без дужок), внаслідок чого потенціал бази транзистора VT 1 стає більш позитивним. Транзистор VT 1 призакривається (тип транзистора також p-n-p) і падіння напруги на його внутрішньому опорі зростає, а отже, практично вся зміна напруги на вході буде падати на регулюючому транзисторі VT 1, і вихідна напруга повернеться до номінального значення.

Рис. 8.5. Принципова схема компенсаційного стабілізатора

У випадку зменшення вхідної напруги, процеси будуть дуальними.

Коефіцієнт стабілізації розглянутої схеми компенсаційного стабілізатора залежить від коефіцієнта підсилення підсилювача на транзисторі VT 2 і досягає значень .

Компенсаційні стабілізатори мають хороші якісні показники і знаходять найбільш широке застосування. Недоліком розглянутого стабілізатора є невисокий коефіцієнт корисної дії (порядку (40...60)%), що обумовлено виділенням значної потужності на регулюючому транзисторі. Для розсіювання цієї потужності регулюючий транзистор встановлюють на тепловідвідний радіатор, що в свою чергу призводить до збільшення габаритних розмірів і маси подібних стабілізаторів. Перевагою компенсаційних стабілізаторів є те, що їх ККД мало залежить від струму навантаження і приблизно визначається як: .

З метою мініатюризації пристроїв, побудованих з використанням стабілізаторів, застосовуються інтегральні стабілізатори.

Перевагами інтегральних стабілізаторів є: високі якісні і масогабаритні показники; універсальність; надійність; повторюваність параметрів; порівняно низька вартість.

Контрольні питання

1. Як ви розумієте принцип стабілізації напруги?

2. Чому напівпровідниковий стабілітрон можна застосовувати для стабілізації напруги?

3. Яким чином має бути увімкнений стабілітрон в електричне коло, аби він міг стабілізувати напругу?

4. Від чого залежить номінальне значення вихідної напруги параметричного стабілізатора?

5. Що буде, якщо струм через стабілітрон стане меншим або більшим за ? Який з цих випадків є більш небезпечним?

6. Навіщо в схемі параметричного стабілізатора потрібен резистор R_б?

7. Як можна збільшити коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора?

8. Чому вихідний опір параметричного стабілізатора дорівнює динамічному опору стабілітрона зі знаком мінус?

9. Пояснити призначення основних функціональних вузлів схеми, показаної на рис. 8.4.

10. Завдяки чому в компенсаційних стабілізаторах можливо досягти коефіцієнтів стабілізації більших, ніж в параметричних?

11. Що є сигналом помилки в схемі компенсаційного стабілізатора рис. 8.5?

12. Як повинна змінитися вхідна напруга, щоб транзистор VT 2 почав привідкриватися? Обґрунтувати відповідь.

13. Пояснити принцип дії схеми порівняння компенсаційного стабілізатора рис. 8.5.

14. Яким чином здійснюється підсилення сигналу помилки в схемі рис. 8.5?

15. Як впливає величина падіння напруги на резисторі R1 на стан регулюючого елементу в схемі рис. 8.5?

16. Що потрібно змінити в схемі рис. 8.5, якщо обидва транзистори замінено на транзистори n-p-n типу?

17. Пояснити як експериментально визначається коефіцієнт стабілізації стабілізаторів обох типів. Порівняти коефіцієнти стабілізації досліджуваних схем.

18. На якій ділянці експериментальних характеристик необхідно визначати коефіцієнт стабілізації?

19. За знятими експериментально характеристиками схем розрахувати основні параметри стабілізаторів. Пояснити отримані результати.

20. Чому КПД компенсаційного стабілізатора мало залежить від струму навантаження?

Література