Линейные стабилизаторы напряжения
План лекции
-
Общие принципы работы линейного стабилизатора -
Принцип действия компенсационного стабилизатора -
Системы защиты компенсационных стабилизаторов
Общие принципы работы линейного стабилизатора
Как было показано ранее, схемы источников вторичного питания, в зависимости от наличия сетевого трансформатора, работающего на частоте первичной сети, можно подразделить на схемы с трансформаторным и бестрансформаторным входом. Основными функциональными узлами трансформаторных ИВП являются трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор. В свою очередь, различают непрерывные (линейные) стабилизаторы и импульсные. Рассмотрим принципы построения и функционирования непрерывных стабилизаторов.
Принцип действия компенсационного стабилизатора
Линейные стабилизаторы, в зависимости от наличия обратной связи, делятся на параметрические и компенсационные.
Непрерывный параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабистора, дросселя насыщения. При этом стабильность выходного напряжения определяется наклоном вольтамперной характеристики и, как правило, является невысокой. Поэтому непосредственное применение стабилизаторов такого типа в качестве источников вторичного питания в вычислительной технике не используется.
В отличие от параметрического, компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) обеспечивает необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи цепи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения регулирующего элемента подобные компенсационные стабилизаторы разделяются на последовательные (рис. 21.1) и параллельные (рис. 21.2).
Рис.21.1. Последовательный линейный КСН
Рис.21.2. Параллельный линейный КСН
На рис.21.1,2: РЭ – регулирующий элемент; УПТ – усилитель постоянного тока (обратной связи); ИЭ – измерительный элемент; Rн – сопротивление нагрузки; Rг – гасящий резистор.
В состав любого КСН входят следующие основные функциональные узлы:
– регулирующий элемент (РЭ);
– устройство сравнения (УС);
– усилитель постоянного тока (УПТ).
Регулирующий элемент выполняется, как правило, на составных транзисторах (рис.21.3).
Рис.21.3. Схемы регулирующего элемента
Для схемы (рис.21.3а), состоящей из двух транзисторов, статический коэффициент передачи тока составного каскада определяется выражением
h21э = h21э1h21э2,
напряжение насыщения
UКЭнас = UКЭнас2 + UЭБ1,
а коэффициент усиления по напряжению при постоянном коллекторном токе IН = const, равен
Т = Т1Т2 / (Т1+Т2).
Для схемы (рис.21.3б) эти величины соответственно равны
h21э = h21э1h21э2h21э3,
UКЭнас = UКЭнас3 + UЭБ1 + UЭБ2,
Т = Т1Т2Т3 / (Т1Т2+Т1Т3+Т2Т3).
Схемы сравнения и усилители постоянного тока выполняются на транзисторах, поэтому они одновременно с формированием сигнала рассогласования осуществляют его предварительное усиление.
Типичная схема сравнения, выполненная на одном транзисторе имеет вид, представленный на рис.21.4.
Рис.21.4.Схема сравнения
Схема содержит делитель напряжения RP, R3, R4, источник опорного (эталонного напряжения), выполняемый на стабилитроне VD, и дополнительный источник напряжения EДОП, необходимый для обеспечения нормального режима работы транзистора.
Для достижения более высоких характеристик стабилизатора применяются дифференциальные схемы сравнения, выполняемые на двух транзисторах (рис.21.5).
Рис.21.5. Дифференциалльная схема сравнения
В тех случаях, когда предварительного усиления недостаточно для получения заданного коэффициента стабилизации, включают дополнительные каскады усиления.
В настоящее время промышленность выпускает широкую номенклатуру линейных стабилизаторов в интегральном исполнении.
Системы защиты компенсационных стабилизаторов
В компенсационных стабилизаторах наиболее часто применяются три вида защиты:
– от повышения выходного напряжения;
– от понижения выходного напряжения;
– от перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке.
Защита от превышения и понижения выходного напряжения реализуется за счет введения в стабилизатор дополнительных устройств сравнения (УС) и исполнительного элемента. Устройство сравнения имеет такое же схемное построение, как и применяемое в КСН. А в качестве исполнительного элемента применяется реле или полупроводниковый прибор – транзистор или тиристор. Типовая схема защиты от повышения выходного напряжения имеет вид, показанный на рис.21.6.
Рис.21.6. Схема защиты источника питания
Если в некоторый момент времени выходное напряжение, формируемое КСН, превысит значение UН max, задаваемое резистором RP, то транзистор VT откроется, что повлечет срабатывание исполнительного элемента – реле SA, которое одновременно снимает своими контактами 1-2 напряжение питания UП со входа КСН и блокирует контактами 3-4 коллектор транзистора VT.
Достоинство подобной схемы заключается в возможности гальванического отключения одной (или обеих) шин потребителя. А основной недостаток состоит в значительной ее инерционности. Время реакции схемы защиты в данном случае в основном определяется временем срабатывания электромеханического реле и составляет обычно несколько миллисекунд.
Для сокращения времени срабатывания защиты в качестве исполнительного элемента применяются транзисторы. При этом возникающая задержка измеряется единицами микросекунд.
Защита от перегрузки по току в стабилизаторах может быть выполнена с ограничением на постоянном уровне IК.З., превышающем номинальное значение IНОМ (рис. 21.7а), или же с резким уменьшением тока потребления до IК.З0 в режиме короткого замыкания (рис. 21.7б).
В первом случае режим перегрузки по току характеризуется большей мощностью, выделяемой на регулирующем транзисторе КСН. Поэтому в таких случаях обычно выключают напряжение питания на входе КСН при помощи реле. Во втором случае потребляемая от источника мощность значительно меньше мощности, выделяемой на силовом транзисторе КСН при IНОМ. Поэтому выключение питания в такой схеме необязательно.
Рис.21.7. Характеристика устройства защиты
Схема с ограничением тока короткого замыкания на постоянном уровне и последующим выключением напряжения питания Показана на рис.21.8.
Рис.21.8. Схема с ограничением тока короткого замыкания
Резистор R1 является датчиком тока, а делитель R2-RP служит для установки порога срабатывания IК.З. В рабочем состоянии КСН транзистор VT1 закрыт. При перегрузке по току VT1 открывается и подает одновременно запирающее напряжение на базу регулирующего транзистора VT2-VT3 КСН и на обмотку реле SA, которое включается и снимает напряжение с входа стабилизатора.