Материал: Расчет выпрямителей и стабилизаторов методические указания для индивидуальной работы студентов по дисциплине «Электропреобразовательные устройства РЭС». Воробьева Е.И., Юшин А.М

5.Вычисляем величину основного источника напряжения

(2.41)

6.Определяем гасящее сопротивление

(2.42)

7.Находим коэффициенты стабилизации

(2.43)

K_ст1 = (R_r1/R _дпр)(U_вых/Е_вх1), (2.44)

где U_вых = U_ст + U_пр∑

8.Определяем результирующий коэффициент стабилизации

K_ст∑ = (K_ст*K _ст1)/( K_ст+K _ст1) (2.45)

и сравниваем его с допустимым

K_ст∑ > K_стд , (2.46)

определяемым из формулы (2.14).

Если условие (2.46) не выполняется, то следует выбрать другие диоды и стабилитрон, обеспечивающие лучшую стабилиза­ции напряжения.

Расчет остальных параметров стабилизатора следует выпол­нить по формулам (2.20)., (2.23)... (2.32), приведенным в подразделе 2.2.

Варианты заданий для индивидуальной работы студентов приведены в табл. 2.1, где вид расчета обозначен цифрой: I -на максимум коэффициента стабилизации; 2-е оптимальным к.п.д.; З-с цепочкой термокомпенсированных стабилитронов.

2.5. Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования напряжения /3/.

Таблица 2.1

Продолжение табл. 2.1

В связи с этим параметры компенсационных стабилизаторов могут быть рассчитаны общими методами теории автоматического регулирования, и в частности методом разделения стабилизатора на ряд функциональных элементов, характеризуемых определенными параметрами (рис. 2.4).

Р ис. 2.4. Структурная схема компенсационного стабилизатора

напряжения

Управляющий элемент (УЭ) стабилизатора может быть разде­лен на два элемента: схему сравнения (СС) и усилитель постоян­ного тока (УПТ). С IT сигнал подается на регулирующий элемент (РЭ). В схеме сравнения, называемой иногда измерительным приборе, сравниваются выходное и спорков напряжения и выделяет­ся разностный сигнал. В УПТ разностный сигнал усиливается и фазируется. Кроме напряжения U_вх1 для литания УПТ и эле­ментов схемы сравнения могут использоваться напряжения U_вх2, U_вх3 и т.д. При указанном разделении параметры стабилизатора можно найти по параметрам элементов схемы на рис. 2.4, которую в ряде случаев можно упростить за счет объединения СС и УПТ с общим коэффициентом передачи K_ус=K_у*К_с, где К_у - коэффициент усиления УПТ, К_с - коэффициент передачи СС (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Упрощенная структурная схема компенсационного стабилизатора

При изменении входного сигнала на ∆U_вх1 на выходе стабилизатора возникает определенное возмущение, подаваемое, на вход УПТ через СС. При этом с выход УПТ на управляющий вход РЭ подается сигнал, создающий на выходе 'стабилизатора противофазное изменение выходного напряжения, из-за чего вы­ходное напряжение восстанавливается с заданной статической ошибкой регулирования

(2.47) (2.47)

где K_p1 , К_р2 - соответственно коэффициенты передачи регули­рующего элемента со входов возмущающего (U_вх1) и управляющего (U_у) воздействия на выход стабилизатора с учетом выходного сопротивления УПТ R_вх (рис. 2.5).

Коэффициент нестабильности РЭ по U_вх1 можно определить из (2.47) следующим образом

_G1 = ∆U_вых/∆U_вх1 = К_р1/(1+К_ус∙К_р2). (2.48) (2.48)

Рассуждая аналогично, можно показать, что при изменении тока нагрузки на ∆ i_н

(2.49) (2.49)

где R_врэ - выходное сопротивление РЭ с учетом выходного сопротивления УПТ R_вх

Из (2.49)

(2.50) (2.50)

Как видно, при помощи схемы рис. 2.5, зная параметры СС, УПТ РЭ, можно определить G₁- коэффициент нестабильности РЭ до U_вх1 и выходное сопротивление R_вых любых компенсационных стабилизаторов. Влияние же U_вх2 и U_вх3 действующих внутри УПТ и СС, можно оценить при анализе этих схем.

Рассмотрим схему /3/ транзисторного компенсационного ста­билизатора (рис. 2.6).

в компенсационном стабилизаторе последовательным РЭ служит транзистор VTI, элементами схемы сравнения - резистор

Р ис. 2.6.Принципиальная схема транзисторного стабилизатора напряжения с УПТ

R_r и стабилитрон VD образующие параметрический стабилиза­тор опорного напряжения, резисторы целителя выходного напряже­ния R_д1 и R_д2 базовые цепи транзисторов VT 2 и VT 3, формирующие совместно с резистором R_э дифференциальную схе­му сравнения; транзисторы VT 2 и VT 3 совместно с нагрузкой R_у работают одновременно в качестве элементов УПТ, нагруз­ка которого может питаться от дополнительного источники U_вхz или от источника питания РЭ U_вх1 (штриховые линии на рис. 2.6). Конденсатор С_к обеспечивает устойчивость стабили­затора, конденсатор C_н повышает устойчивость и улучшает частотные характеристики стабилизатора. На практике VT1 обычно выполнен в виде составного транзистора.

Рассматриваемый стабилизатор работает следующим образом. Опорное напряжение U_оп на базе VT3 сравнивается c частью входного напряжения U_вых*n , где n=R_д2/(R_д1+R_д2). При увеличении любого из напряжений питания U_вх1 , U_вх2 или сопротивления нагрузки R_н напряжение не выходе стаби­лизатора увеличивается, что приводит к увеличению тока кол­лектора транзистора VT2, Из-за падения напряжения на R_y уменьшаются ток базы и напряжение база - эмиттер регулирую­щего транзистора VTI, что приводит к уменьшению тока эмиттера регулирующего транзистора, примерно равного току нагруз­ки стабилизатора. При этом выходное напряжение уменьшается его значение восстанавливается с определенной статической ошибкой регулирования.

Методика расчета отдельных элементов схемы рис. 2.6 под­робно рассмотрена в /3/, задания на компенсационных стабилизаторов выдаются студентам индивидуально.

2.6. Интегральные стабилизаторы напряжения

В стабилизаторах широко используются микросхемы -операционные интегральные усилители /3/, являющиеся УПТ (рис 2,4) и подробно рассмотренные в курсе аналоговые устройства (АЭУ). Поэтому при расчете этих схем надо использовать методику расчета УПТ из курса АЭУ.

Кроме стабилизаторов на стандартных интегральных УПТ разработаны специальные схемы интегральных стабилизаторов на­пряжения в гибридном и полупроводниковом исполнении. Гибрид­ные стабилизаторы выполняю в виде законченных изделий на определенные напряжения и токи. Благодаря особенностям тонкопленочной технологии можно получить минимальную , выходное напряжение можно подгонять с точностью ± 0,05... 0,5 %. Поэтому гибридные микросхемы стабилизаторов, которые обычно дороже полупроводниковых, используют как ста­билизаторы повышенной точности в устройствах специального назначения (измерительных, преобразовательных и т.д.). Подоб­ные стабилизаторы /3/ имеют выходные напряжения 5; 6; 9; 12 и 15 Во точностью ± 0,5 % при токе нагрузки до 0,5 А; темпе­ратурный коэффициент (ТКН) меньше ± 0,001 %/°С, гарантированный дрейф за 1000 ч меньше ± 0,5 %.

Из-за слишком высокой стоимости и невысокой надежности гибридные стабилизаторы находят ограниченное при­менение в качестве стабилизаторов небольшой мощности повышен­ной точности на фиксированные напряжения. Гибридные стабили­заторы отроят на элементах по схемотехнике, рас­смотренной ранее для транзисторных стабилизаторов на дискрет­ных элементах /3/.

Качественно новой ступенью в развитии техники транзисторных стабилизаторов явилась разработка полупроводниковых стабилизаторов на основе опыта изготовления линейных интеграль­ных полупроводниковых схем. К ним относятся, например, трехвыводные стабилизаторы 142EH5, 142EH6. Кроме сравнительно мощ­ных трехвыводных интегральных стабилизаторов разработаны спе­циальные интегральные стабилизаторы /3/; двухполярные, преци­зионные, низковольтные опорные, мощные четырехвыводные с до­полнительным выводом для точной установки напряжения.

В качестве примера на рис. 2.7 приведена схема полупро­водникового стабилизатора 142EHI.

Рис.2.7 Схема стабилиза-тора 142ЕН1

В ней использован двойной составной регулирующий тран­зистор, дифференциальная схема сравнения, работающая в одно-каскадном УПТ, термокомпенсированный источник опорного напря­жения. Для стабилизации тока опорного стабилитрона и коллек­тора транзистора УПТ использованы два стабилизатора тока на полевых транзисторах VT1 и VT2 с изолированным затвором. В схеме имеется транзистор защиты VT9 и выведет средняя точ­ка составного транзистора (вывод 14), что позволяет строить защиту по оптимальной схеме. У транзистора управления VT8 коллектор соединен с базой регулирующего транзистора.

Стабилизатор расположен в 16-выводном плоском корпусе. Максимальный ток нагрузки - до 150 мА, максимальная мощность при 25°С до 0,8 Вт без и до 2 Вт с теплоотводом. Входное и выходное напряжение соответственно 9...20 и 3..12 в, нестабильность при изменении напряжения питания 0, 1...0,3 %/В, при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения 0,2…0,5 %

Подключение внешних элементов при малых токах нагрузки показано на рис. 2.7. Обычно выходного напряжения (R_д1, R_дпер, R_д2), выходной конденсатор C_н(0.1..10 мкФ), фазокорректирующий конденсатор С_к (0,0001... 0,1 мкФ) резистор - датчик тока перегрузки R_з , делитель це­пи защита R₁ и R₂ . Иногда параллельно опорному напряжению включают конденсатор C_оп уменьшающий выходные пульсации.

Выделим из микросхемы /1/ мощный выходной транзистор VT7, а всю остальную часть будем рассматривать как усилитель соответствующими параметрами д_2у (выходная проводимость) и К_у (коэффициент усиления). Через параметры эквивалентной схемы замещения транзистора VT 7 микросхемы ее показатели как напряжения можно выразить следующий образом /1/:

R_вых = (r_rт+ 1/д_э7+1/д_2у)/[(1+β₇)(1+N_yK_yN_c)], (2.51)

где β₇ – коэффициент усилия по току в схеме с общим эмиттером VT7, N_y=д_2у/( д_2у+G_y), G_y=1/(R₁+R₂), N_c=G_д1/(G_д1+G_д2+д_1у), д_1у-