а-Г-образный фильтр; б- П-образный фильтр
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Рисунок 47 – Фильтры сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения

Однако, каково бы ни было качество фильтрации, в подобном виде напряжение используется крайне редко и его необходимо подвергнуть еще одной процедуре – стабилизации.

 

ЛЕКЦИЯ 15

Стабилизаторы напряжения

 

Стабилизаторы напряжения - это устройства, которые должны поддерживать постоянным выходное напряжение при изменении постоянного напряжения на входе,  при изменения тока нагрузки или одновременном их изменении. Основным параметром стабилизаторов напряжений является коэффициент стабилизации, определяемый из выражения

 

По принципу действия стабилизаторы делятся на: параметрические и компенсационные, которые в свою очередь бывают параллельными или последовательными.

Параметрические стабилизаторы напряжения основаны на принципе использования особенностей ВАХ стабилитрона. Стабилитрон в схемах стабилизаторов играет роль опорного (эталонного) напряжения Uст. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рисунке 48а.

 В стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Участок 1-2 на рисунке 48,а является рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона. Основным параметром прибора является напряжение стабилизации Uст, обычно сопровождаемое указанием тока Iст, при котором оно измерено. На рис. 48,б этому соответствует Uст тест при токе Iст тест. Нередко этой точке соответствует минимальная температурная зависимость напряжения стабилизации. Точке 1 соответствует минимальный ток стабилитрона Iст. мин, при котором наступает пробой и, собственно, с которой начинается стабилизация. Обычно эта величина составляет около 3 мА. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона Iст. мак, достижение которого еще не приводит к тепловому пробою p-n перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина Iст. мак может быть от нескольких миллиампер до 1,5 А.

 

 

Рисунок 48- Вольтамперная характеристика полупроводникового

стабилитрона

 

Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона:

rд  = (U2 - U1) / (I2 - I1) = DUст / DIст .                   

Эта величина для низковольтных стабилитронов находится в пределах 1–30 Ом, а для высоковольтных — 18–300 Ом [ ].

На указанных свойствах  стабилитрона строятся параметрические стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рисунке  42. Она состоит из добавочного сопротивления R1 и стабилитрона VD. Выходное напряжение Uвых на нагрузке Rн совпадает с напряжением стабилизации Uст стабилитрона.

 

 

Рисунок 49 - Параметрический стабилизатор

При  проектирование стабилизатора могут быть заданы:

1) стабилизированное напряжение Uст = Uвых при номинальном сопротивлении нагрузки Rн;

2) значения тока нагрузки Iн мин и Iн мак

3) наибольшие относительные ожидаемые отклонения δ+ и δ входного напряжения стабилизатора от его номинального значения Uвх ном.

Расчет строится на соотношениях следующих из  законов Кирхгофа:

I = Iст + Iн ;

Uвх = I*Rд + Uвых .

Отсюда для тока стабилитрона можно получить:

Iст = (Uвх – Uвых) / R1 – Uвых / Rн     .                        

В условиях нормальной работы стабилизатора напряжение на нагрузке Uвых = Uст  изменяется незначительно, так что для простоты можно считать его постоянным. Тогда Iст будет изменяться только от изменения Uвх  и сопротивления нагрузки Rн.

Расчет стабилизатора фактически сводится к определению номинального значения входного напряжения Uвх и выбору сопротивления R1 так, чтобы при наихудших условиях ток через стабилитрон не становился меньше минимального и больше максимального:

Iст. мин ≤ Iст ≤Iст. макс    .

Номинальное значение напряжения питания стабилизатора Uвх ном (обычно это напряжение выпрямителя) вычисляется по формуле:

 

.

 

Если знаменатель получается отрицательным, то необходимо уменьшить пределы нестабильности входного напряжения или/и диапазон изменения тока нагрузки или использовать стабилитрон с большим Iст мак.

Сопротивление резистора R1 вычисляют по формуле:

.

Максимальные мощности, рассеиваемые резистором и стабилитроном, рассчитывают по формулам:

;

Pст мак = Uвых*Iст. мак .

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации Kст, показывающий во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения:

Kст  =δUвхδUвых = (DUвх / Uвх ном) / (DUвых / Uвых ном)

Если известно динамическое сопротивление стабилитрона, то коэффициент стабилизации можно вычислить по формуле

.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора обычно не превышает 20 –50.

Параметры стабилизатора можно улучшить, если для обеспечения постоянства выходного напряжения включить между входным напряжением и сопротивлением нагрузки какой-нибудь элемент с регулируемым сопротивлением. Устроенные таким образом стабилизаторы называют последовательными стабилизаторами.

Простейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения, как это показано на рисунке 50,а.

 

 

 

Рисунок 50 - Последовательный стабилизатор напряжения

 

 

Из рисунка 50,а видно, что выходное напряжение Uвых определяется выражением:

Uвых = Uст – Uбэ .

 

Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база–эмиттер открытого транзистора (около 0,5 – 0,7 В). Из-за наличия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало и может составлять доли Ом.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра. Сопротивление потенциометра обычно в (2 – 5) раз больше, чем R1.

 

Для повышения качества стабилизации и расширения динамического диапазона регулирования выходного напряжения, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока, который играет, к тому же, роль обратной отрицательной связи. Одна из схем подобного стабилизатора приведена на рисунке 51. такие стабилизаторы называются компенсационными [ ].

Рисунок 51– Схема компенсационного стабилизатора

 

Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (UOC). Из рисунка видно, что UOC=U+ UЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение UКЭ.МАКС должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (UВХ.МАКС), а максимально допустимый ток коллектора IK.МАКС - быть больше предельного значения тока нагрузки.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности транзистора РК.МАКС, приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор с большим значением РК.МАКС.

Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы h21E, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:

Поскольку ток IБ макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:

(Uвх.макс-Uст.мин)/Iст.мах ≤ R1 ≤ (Uвх.мин-Uст.мин)/(Iст.мин-IБ.макс)
Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:

R2=Uвых/Iн*(0,05...0,1)

Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. –Л.:, «Энергия»,1970. -360 с.

2 Аринова Н.В. Основы электроники: Рабочая программа, задания и ме­тодические указания к контрольным работам для студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения. ВКГТУ. - Усть-Каменогорск, 2007. – 51с.

3 Бочаров Л.Н. и др. Расчет электронных устройств на транзисторах / Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. – М.: Энергия, 1978. – 208с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 963).

4 Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. Школа, 1982. – 496 с., ил.

5 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1986.

6 Матвеев………………………………

7 Шадрин Г.К. Основы электроники: Курсовая работа, задания, методические указания для студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения / Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова / ВКГТУ.-Усть-Каменогорск, 2007. – 35 с.

8. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. – М.: Высшая школа, 1987. – 416 с.

9. Цыкина..

10. Лавриненко В.Ю. Полупроводниковые приборы. Справочник. – Киев: Техника, 1984.

 

 

Приложение 1

 

Входная характеристика транзистора КТ315Б

 

 

 

.

Выходная характеристика транзистора КТ315Б.

 

 

 

 





Дата: 2019-02-19, просмотров: 297.