Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

2. Стабілізація напруги та струму

                Нестабільність джерел живлення, коливання  температури, зміна вологості навколишнього середовища, старіння елементів та інші чинники є причинами зміни параметрів та характеристик функціональних вузлів електронної апаратури. Зменшення негативного впливу перелічених чинників досягають, з одного боку, ізоляцією функціональних вузлів від навколишнього середовища (наприклад, поміщаючи їх у спеціальні камери з стабільною температурою – термостати), а з іншого боку – застосуванням стабілізаторів напруги та струму. Стабілізатори описують відповідними параметрами. Проілюструємо сказане на прикладі стабілізаторів напруги.

                Стабілізатором напруги називають електронну схему (прохідний чотириполюсник), номінальна напруга на виході якого U_вих підтримується практично незмінною за заданих допустимих відхилень від номінальних значень напруги U_вх на вході стабілізатора, струму І_вих (чи опору навантаження R_н) на виході стабілізатора, а також температури Т навколишнього середовища.

                Отже вихідна напруга стабілізатора залежить від перелічених чинників, тобто U_вих=f(U_вх, І_вих, Т).

                Приріст напруги DU_вих на виході стабілізатора з урахуванням цієї залежності опишемо співвідношенням:

                                                  (5.30)

                Частинні похідні у (5.30) при малих приростах величин DU_вх, DІ_вих, DТ мають такий фізичний зміст:

 – коефіцієнт передавання пульсації вхідної напруги, якщо  І_вих=const, T= const;

 – внутрішній опір стабілізатора, якщо U_вх= const; T= const;

 – температурний коефіцієнт нестабільності вихідної напруги, якщо  U_вх= const; І_вих= const.

                Ці параметри дають змогу сформувати основні характеристики стабілізаторів напруги, які використовують для розрахунку та порівняння різних типів стабілізаторів.

                Стабілізатором струму називають електронну схему, яка забезпечує практично стабільний струм І_вих в опорі навантаження R_н за допустимих змін напруги U_вх на вході стабілізатора, опору навантаження R_н та температури Т навколишнього середовища.

                Отже, І_вих=f(U_вх, R_н, Т). Використовуючи цю залежність, можна визначити параметри стабілізатора струму, як і у випадку стабілізатора напруги.

            Важливим параметром стабілізаторів напруги та струму є коефіцієнт корисної дії (ККД), який числово дорівнює відношенню потужності на виході стабілізатора до споживаної ним потужності на вході від джерела живлення:

                          h=Р_вих/Р_вх=(U_вихІ_вих)/(U_вх І_вх).                        (5.31)

                Найпоширеніші стабілізатори напруги, тому далі переважно розглядатимемо саме їх.

                Обов’язковим елементом схеми стабілізатора є регулюючий елемент (РЕ), який призначений для керування вихідною напругою (струмом) стабілізатора.

                Залежно від призначення, способу під’єднання та режиму роботи регулюючого елемента, наявності чи відсутності зворотного зв’язку стабілізатори поділяють на такі типи:

                – стабілізатори змінної та постійної напруги;

                – послідовні та паралельні стабілізатори;

                – стабілізатори неперервної та імпульсної дії.

                – стабілізатори параметричного та компенсаційного типу.

            Стабілізатори змінної напруги призначені для забезпечення на опорі навантаження змінної напруги заданої форми зі стабільними параметрами (наприклад, гармонічної напруги з стабільною амплітудою). Стабілізатори постійної напруги підтримують на виході постійну за величиною та полярністю напругу.

                Послідовні та паралельні стабілізатори відрізняються способом під’єднання регулюючого елемента до опору навантаження (рис.5.13)

Рис.5.13. Структурні схеми послідовного (а) та паралельного  (б)

стабілізаторів напруги

 Коефіцієнт стабілізації показує, у скільки разів зміна вихідної величини є меншою за  зміну вхідної величини, що стабілізується.

                У схемі послідовного стабілізатора (рис.5.13, а) за умови малого споживання струму схемою керування виконується співвідношення: І_вих»І_РЕ ≈І_вх. . Тому, як випливає з (5.31), ККД навантаженого стабілізатора прямує до значення h»U_вих/U_вх. Якщо ж навантаження відсутнє (І_вих=0), то ККД прямує до 1.

                У схемі паралельного стабілізатора (рис.5.13, б) надлишковий струм, створений у вхідому джерелі живлення, відгалужується у РЕ. Тому за умови малого споживання струму схемою керування можемо записати: І_вих»І_вх - І_РЕ. Внаслідок цього, як бачимо із (5.31), ККД навантаженого стабілізатора _. (U_вих»U_вх) прямує до значення h»1 - І_РЕ/І_вх. У разі відсутності навантаження (І_вих=0, І_РЕ=І_вх) ККД  прямує до нуля.

                Зауважимо, що в схемі послідовного стабілізатора треба передбачати кола захисту РЕ від короткого замикання на виході, бо тоді вся споживана стабілізатором потужність виділяється на РЕ, що може призвести до його перегрівання і виходу з ладу. Паралельний стабілізатор позбавлений цього недоліку.

                У стабілізаторах неперервної дії струм через РЕ протікає неперервно. Тому ККД таких стабілізаторів є низьким (h=0,5...0,7).

                Принцип дії імпульсних стабілізаторів ґрунтується на періодичному (з періодом Т) під’єднанні на час Т₁ до джерела живлення з напругою Е і від’єднанні  на час Т-Т₁. При цьому РЕ працює у ключовому режимі і струм через нього протікає лише протягом інтервалу Т₁. Внаслідок цього постійна складова напруги на навантаженні дорівнює: U_0вих=ЕТ₁/Т і її можна регулювати зміною співвідношення Т₁/Т. ККД таких стабілізаторів сягає значень h=0,85...0,95. Недоліком таких стабілізаторів є значні пульсації вихідної напруги, для усунення яких вмикають у схему стабілізатора фільтр нижніх частот між ключем і навантаженням і використовують достатньо високу (десятки кГц) частоту перемикання ключа.

                У стабілізаторах параметричного типу стабілізація здійснюється завдяки використанню як РЕ нелінійних компонентів з відповідними вольтамперними характеристиками (ВАХ) – кремнієвих стабілітронів, газових стабілітронів, транзисторів, баретерів тощо. Спосіб увімкнення нелінійного елемента у схему стабілізатора залежить від типу його ВАХ. На рис. 5.14 зображено два типи ВАХ: увігнута (І) та опукла (ІІ).

Рис.5.14. Типи ВАХ нелінійних елементів:

І – увігнута, ІІ – опукла

 

                Обидва типи нелінійних елементів істотно відрізняються  значеннями динамічних опорів Rд: у першого типу динамічний опір RдІ дуже малий, а у другого RдІІ– дуже великий. Тому нелінійний елемент першого типу вмикають паралельно до опору  навантаження (рис.5.15, а), а нелінійний елемент другого типу – послідовно з опором навантаження (рис.5.15, б).

Рис.5.15. Способи вмикання нелінійних елементів у схему

стабілізатора параметричного типу

 

                Для забезпечення високих значень коефіцієнта стабілізації значення параметрів елементів повинні задовольняти умови:

– для схеми рис.5.15, а:

–  для схеми рис.5.15, б: Rд>Rн

                У разі виконання наведених умов відхилення вхідної напруги від номінального значення падатимуть відповідно на баластному опорі R_Б та на R_ДП, а вихідна напруга U_вих практично не змінюватиметься.

                Основним недоліком стабілізаторів параметричного типу є низький ККД та недостатньо високий коефіцієнт стабілізації, неможливість плавного регулювання значення стабілізованої напруги чи струму, мала вихідна потужність

                Стабілізатори компенсаційного типу являють собою електронні схеми з від’ємним зворотним зв’язком, який виконує функцію автоматичного регулювання опору РЕ. У ролі РЕ тут застосовують електронні компоненти, опір яких автоматично змінюється під дією сигналу схеми керування. Такими компонентами слугують транзистори, електровакуумні лампи тощо. Сигнал керування являє собою підсилену у К разів різницю  між вихідною напругою стабілізатора U_вих та еталонною (опорною) напругою U_ОП. Сказане ілюструє рис.5.16, на якому показано функціональні схеми компенсаційних стабілізаторів напруги послідовного та паралельного типів.

Рис.5.16. Функціональні схеми компенсаційних стабілізаторів:
 а – послідовного типу;  б –  паралельного типу

 

            Використання у стабілізаторах компенсаційного типу стабільних джерел опорної напруги та підсилювальних елементів з великим коефіцієнтом підсилення забезпечує високу стабільність вихідної напруги, дає змогу плавно регулювати вихідну напругу.

                Для послаблення впливу температури навколишнього середовища вмикають в схему стабілізатора термочутливі елементи (терморезистори), які змінюють свій опір залежно від зміни температури навколишього середовища. Увімкнення таких елементів у коло зворотного зв’язку дає змогу компенсувати зміну вихідної напруги стабілізатора від зміни температури.