По точности стабилизации выходного напряжения

• на ИВЭП с низкой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность выходного напряжения при воздействии всех дестабилизирующих факторов более 2-5%),

• на ИВЭП со средней стабильностью напряжения (суммарная нестабильность не более 0,5-2%),

• ИВЭП с высокой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность 0,1-0,5%) и прецизионные ИВЭП (суммарная нестабильность менее 0,1%);

По виду стабилизируемого параметра - стабилизаторы напряжения и стабилизатора тока.

В данной работе рассматривается ИВЭП, построенный на полупроводниковой основе с учетом современного развития микроэлектронной техники.

Обзор технической литературы

Качество работы электронной схемы в значительной степени определяются стабильностью источников питания. Напряжение питания должно оставаться постоянным при колебаниях напряжения, частоты сети, изменениях нагрузки, температуры.

Наиболее широкое pаспостpанение получили стабилизаторы постоянного напряжения, включаемые между выпрямителем и потребителем электрической энергии. Транзисторы и кремниевые стабилитроны позволяют создавать простые и совершенные стабилизаторы с широким диапазоном выходных напряжений и токов. Минимальное выходное сопротивление позволяет устранить нежелательное влияние остальных узлов схемы.

По способу регулирования различают две основные группы стабилизаторов напряжения: непрерывные (линейные) и импульсные.

Среди непрерывных стабилизаторов напряжения (НСН) выделяют:

-параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН)

-компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН).

ПСН наиболее простые характеризуются невысоким коэффициентом стабилизации и большим выходным сопротивлением.

R1 R2

VD2

U_П VD1

VD3

Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) (для примера параллельный стабилизатор), в котором управляющий элемент включается между выходом и землей применяется принципиально для генерации напряжения. В таком ИСН транзистор, работающий в режиме импульсного ключа периодически прикладывает к нагрузке полное не стабилизированное напряжение. На каждом импульсе запасается энергия LI²/2, которая передается на конденсатор сглаживающего фильтра (чтобы поддерживать ток и напряжение в нагрузке между импульсами). Выход по обратной связи сравнивается с эталонным и изменяется длина управляющего импульса.

ИСН имеют много преимуществ:

-могут генерировать выходное напряжение, превышающее нестабилизированное входное, а также напряжение противоположной полярности;

-имеют высокий коэффициент стабилизации;

-малое выходное сопротивление;

Но ИСН имеют и свои недостатки:

-выход по постоянному току имеет некоторый “шум”, который может попасть на

вход;

-имеют плохую репутацию в отношении надежности (при катастрофическом отказе могут возникать пиротехнические эффекты);

-относительная сложность схемы;

- повышенный уровень пульсаций выходного напряжения;

-худшие, по сравнению со стабилизаторами непрерывного действия, динамические характеристики;

Все это несколько ограничивает область применения импульсных стабилизаторов напряжения.

В данной работе мы откажемся от разработки источника такого типа

в виду отсутствия, как - то материальной базы, так и острой необходимости

в стабилизаторе такого типа. Данные, заданные в Т.З. вполне удовлетворяют схема компенсационного стабилизатора напряжения (КСН).

Такие стабилизаторы кроме функции стабилизации выходного напряжения обеспечивают возможность плавной регулировки и точной установки требуемого значения выходного напряжения; их входная мощность и К.П.Д. значительно выше, чем у параметрических стабилизаторов.

К КСН относятся стабилизаторы напряжения непрерывного действия и представляют собой устройство автоматического управления, которое с заданной точностью поддерживает напряжение на нагрузке независимо от входного напряжения и тока нагрузки. Такие стабилизаторы отличаются от параметрических большим коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением. Структурная схема последовательного типа представлена на рисунке.

РЭ

U_П Rн

УПТ ИЭ

РЭ – регулирующий элемент;

УПТ – усилитель постоянного тока;

ИЭ – измерительный элемент.

Схему КСН обычно строят из полупроводникового РЭ, включенного последовательно или параллельно нагрузке.

Рассмотрим КСН последовательного типа. Такой КСН представляет собой эммитерный повторитель на транзисторе VT с фиксирующим напряжением базы. Эта схема работает без усилителя в цепи ОС. Применив каскад усиления, можно значительно увеличить коэффициент стабилизации и уменьшить входное сопротивление. Обычно РЭ представляет собой каскадное соединение транзисторов, называемое составным транзистором. В таком случае удобно соединять все транзисторы одним эквивалентным. Применение составного регулирующего транзистора позволяет существенно улучшить параметры стабилизатора и согласованность мощный регулирующий транзистор с маломощным транзистором УПТ. КСН последовательного типа получили наибольшее распространение, т.к. позволяют получить больший КПД схемы.

Схема КСН последовательного типа показана на рисунке:

Структурная схема стабилизатора напряжения параллельного типа показана на рисунке:

ИЭ

РЭ

УПТ

СС

U _П R_H

ИЭН

ИЭН – источник эталонного напряжения;

CC – схема сравнения.

КСН параллельного типа представляет собой делитель напряжения, одно плечо которого образует балластный резистор R_б, а другое регулирующий элемент.

С хема простейшего КСН параллельного типа показана на рисунке:

В схеме КСН параллельного типа, как и в схеме КСН последовательного типа можно добиться улучшения характеристик применением усилителя в цепи обратной связи.

Сравним основные характеристики стабилизаторов непрерывного действия последовательного и параллельного типов. КСН последовательного типа имеют больший КПД, коэффициент стабилизации и экономичны в режиме холостого хода. Существенным их недостатком является низкая надёжность при перегрузках и в режиме короткого замыкания. Такие стабилизаторы снабжены схемой защиты от перегрузок, что приводит к их усложнению. Важнейшим преимуществом стабилизаторов параллельного типа является высокая надёжность при перегрузках и коротком замыкании на выходе. Основным недостатком стабилизатора параллельного типа является относительно низкий КПД, особенно при работе с малыми токами нагрузки, что ограничивает их область применения. Стабилизирующие качества у стабилизаторов обоих типов примерно одинаковы.

Рассмотрим достоинства и недостатки импульсных стабилизаторов напряжения ИПН. Преобразование электрической энергии импульсными методами – наиболее эффективное направление миниатюризации ИВЭП. Эти методы позволяют получить высокие удельные показатели устройств при минимальных потерях энергии. Основная схема нерегулируемого транзисторного ИПН представляет собой двухтактный автогенератор с индуктивной ОС.

Основная схема ИПН представлена на рисунке:

Управляющий элемент ИПН либо выключен, либо насыщен, рассеивается очень маленькая мощность, поэтому такие стабилизаторы очень эффективны. ИПН могут генерировать выходное напряжение, превышающее нестабилизированное входное напряжения, они позволяют также довольно просто генерировать напряжение противоположной полярности. И, наконец, ИПН можно сделать без цепи постоянного тока между входом и выходом, т. е. Они могут работать прямо от сети питания с выпрямленным напряжением без сетевого трансформатора. В результате ИВЭП получается компактным. Но ИПН имеют и свои недостатки. Вход по постоянному току содержит некоторый шум переключения, который может попадать в шину питания. У него также невысокая надежность при перегрузке и КЗ. Из-за этих недостатков и сложности исполнения в данной работе ИНП использоваться не будет.

Часто компенсационные стабилизаторы строят на операционных усилителях. Операционный усилитель является популярным и универсальным узлом, используемым в электронной схемотехнике. Этот прибор обеспечивает решение многочисленных и разнообразных задач по линейной и нелинейной обработке электрических сигналов. Компенсационные стабилизаторы на операционных усилителях с различными выходными напряжениями и токами нагрузки предназначены для электропитания самых разнообразных радиолюбительских конструкций. Операционные усилители хорошо подходят для построения источников питания благодаря своим почти идеальным характеристикам при наличии отрицательной обратной связи. В данной работе мы используем ОУ для построения ИВЭП. Пример простейшей схемы ИВЭП на ОУ представлена на рисунке.

К онкретная схема ИВЭП на ОУ, взятая из [1] /стр.63/:

Данная схема имеет U_вых=10 В. при нагрузке 3А. диапазон рабочих температур 0…+50^оС.

Выводы по обзору технической литературы.

С развитием электронной техники данная схема получится наиболее простой (по затрате аппаратных средств). В качестве регулирующего элемента используется транзистор, включенный по схеме с ОК, а рабочее смещение задает резистор R_см, шунтирующий его коллекторный переход.

Синтез структурной схемы ИВЭП

С табилизатор напряжения содержит регулирующий (РЭ) и измерительный элементы (ИЭ), а также усилитель сигнала ошибки (УСО), в функции которого входит согласование выходных сигналов ИЭ с требуемым уровнем входных напряжений РЭ. ИЭ, как правило, включает в себя датчик выходного напряжения ДВН, схему сравнения (СС) и источник эталонного напряжения (ИЭН).

Определяющими факторами при выборе РЭ и ИЭ являются массообъемная характеристика, КПД, надежность, условия эксплуатации стабилизатора и.т.д. В этих условиях практическая задача синтеза сводится к такому выбору параметров УСО, при котором будут обеспечены заданные техническим заданием (ТЗ) показатели выходного напряжения. При такой постановке синтез ИВЭП может быть выполнен в следующей последовательности:

1. уменьшение амплитуды переменного напряжения с помощью входного трансформатора;

2. преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямление и фильтрация);

3. поддержания постоянной величины питающих напряжений при изменении амплитуды входного напряжения, величины нагрузки, температуры (стабилизация выходных напряжений)

4. защиты схем устройства при аварийном изменении величин входных/выходных напряжений (токов)

Однозначность полученного результата может быть получена лишь при определении некоторых требований, к которым можно отнести, например, требование минимизации массообъемных показателей или применение той или иной элементной базы, что обусловлено стоимостными, технологическими или другими показателями, а также условиями эксплуатации. Такой порядок синтеза позволяет гарантировать требуемое качество выгодных параметров стабилизатора. Вопрос его технической реализации, как правило, определяется практическим опытом разработчика. На основании выше перечисленного составим структурную схему стабилизатора:

где

Тр - трансформатор;

В - выпрямитель;

Ф - фильтр;

РЭ - регулирующий элемент;

УСО - усилитель сигнала ошибки;

СС - схема сравнения;

ИЭН - источник опорного напряжения;

ДВН - делитель выходного напряжения (измерительный элемент);

СС, ИЭН и ДВН вместе представляют собою измерительный элемент (ИЭ);

З - схема защиты по току;

Н - нагрузка.