Понятие и разновидности стабилизаторов напряжения, их функциональные особенности и сферы применения, принцип работы. Сравнение различных схем и выбор лучшего варианта. Расчет параметров элементов для удовлетворения ограничений, моделирование схемы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Разработка и исследование компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием и входным фильтром

• Введение
• Стабилизатор напряжения - это устройство, которое поддерживает на определенном уровне с определенной погрешностью напряжение у себя на выходе при значительных колебаниях напряжения на входе.
• Почти любая электронная схема - от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем - требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников питания постоянного тока. Простые нерегулируемые источники питания типа трансформатор - мостовой выпрямитель - конденсатор, не годятся, так как их выходное напряжение, зависит от тока нагрузки и напряжения в сети, хотя, они и входят в состав источников питания; Для поддержания стабильного заданного напряжения используются стабилизаторы. Существуют как простые стабилизаторы, состоящие из пары простых элементов, так и более сложные, способные сравнивать выходное напряжение с опорным (эталонным).
• Целью выполнения данной работы является рассмотрение различных видов стабилизаторов, разбор принципа их работы, сравнение различных схем и выбор лучшего варианта. Также, в данной работе производится расчет параметров элементов для удовлетворения ограничений исходных данных технического задания. В качестве проверки проводится моделирование схемы с использованием полученных параметров.
• Анализ технического задания, обоснование выбора схемы
• Основные виды стабилизаторов:

· Параметрические

· Компенсационные

Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей - стабилитрона. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода.

Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Параметрический стабилизатор напряжения

стабилизатор схема напряжение моделирование

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.

Большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали следующую схему с усилителем мощности:

Рисунок 2 - Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Часто, когда ток нагрузки велик, применяют составной транзистор (рисунок 3).

Рисунок 3 - составной транзистор

Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в которых регулируемый транзистор постоянно (непрерывно) находится в открытом состоянии, называются линейными или с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в ключевом режиме.

На рисунке 4 приведена структурная схема компенсационного стабилизатора.

Рисунок 4 - структурная схема компенсационного стабилизатора

РЭ - это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ - схема управления - управляет работой РЭ. Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д - делитель напряжения, ИОН - источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ).

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. К примеру, напряжение на входе резко возросло, оно, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным.

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

· меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;

· значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98%) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (т.е. либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;

· меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;

На рисунке 5 изображена структурная схема компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием.

Рисунок 5 - Структурная схема импульсного стабилизатора

РЭ - регулирующий элемент. Его функции в импульсных стабилизаторах выполняет ключ на биполярном транзисторе. Когда он открыт, он находится в насыщении, поэтому падение напряжения ан нем мало, что обеспечивает малую мощность рассеивания. Другое его состояние соответствует отсечке. В этом случае ток транзистора практически равен нулю, и мощность рассеивания также равна нулю. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения частоту переключения элемента необходимо выбирать как можно больше, однако при этом возрастает время, в течение которого транзистор находится в переходном (активном) режиме, когда имеет место относительно большое падение напряжения на транзисторе и относительно большой ток, и, соответственно, рассеивается повышенная мощность. Поэтому рабочая частота импульсного стабилизатора является результатом некоторого компромисса и находится в пределах от 5кГц до 20кГц. В данной работе частота преобразования равна 20кГц, что удовлетворяет этому условию.

УС - устройство сравнения. Оно сравнивает выходное напряжение с опорным. В компенсационных стабилизаторах с импульсным регулированием устройство сравнения выполнено на компараторе. Компаратор напряжения - это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов. При их равенстве компаратор резко меняет состояние своего выхода.

НЭ - накопительный элемент. Его роль выполняет конденсатор. Он заряжается, когда транзистор ключевого элемента находится в насыщении, и питает нагрузку, когда транзистор находится в отсечке.

R₁ и R₂ - делитель напряжения для согласования уровней выходного и опорного напряжений.

(1).

Базовый вариант схемы компенсационного стабилизатора напряжения с импульсным регулированием приведен на рис. 6.

Рисунок 6 - Базовая схема импульсного стабилизатора

Однако в задании говорится о том, что в данной схеме необходим входной фильтр. Роль фильтра выполняет конденсатор. Для подачи U_оп. на компаратор можно использовать отдельный источник питания, но это не очень удобно, т.к. в этом случае нужен дополнительный источник питания. Вместо этого можно использовать один источник U_вх., поставив между ним и входом компаратора простейший параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона и резистора. Таким образом схема, которую я выбрал для расчета выглядит так, как показано на рисунке 7.



Рисунок 7 - Выбранная схема для расчета

Назначение элементов и принцип работы схемы

VT₁, R₁, R₂, R₃ - ключ на биполярном транзисторе. В нем R₁ обеспечивает второй способ надежного закрывания ключа. R₂ задает входной базовый ток. R₃ ограничивает ток коллектора транзистора в режиме насыщения.

А₁ - интегральный компаратор напряжения, необходимый для сравнения выходного и опорного напряжений.

С₁ - конденсатор, выполняющий роль входного фильтра.

С₂ - конденсатор, выполняющий роль накопительного элемента.

R₄ - резистор, обеспечивающий положительную обратную связь для быстрого и устойчивого переключения компаратора.

V...