Электронные стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения. Принцип стабилизации и основные определения. Параметрические стабилизаторы. Стабилизаторы на основе ОУ. Импульсные стабилизаторы.

Принцип работы электронных стабилизаторов напряжения в большой степени подобен электронным стабилизаторам тока.

Различают две схемы стабилизации:

• с последовательно включенной регулирующей лампой
• параллельно включенной регулирующей лампой

При последовательном включении регулирующей лампы Л₁ с нагрузкой R_н, приложенное ко входу схемы напряжение U_вх делится пропорционально сопротивлениям R_н и R_i1, где R_i1 – внутреннее сопротивление лампы Л₁ постоянному току.

 

Поэтому в сопротивлении R_н выделяется стабилизируемое напряжение U_вых, прикладываемое к нагрузке. В сопротивлении R_i1 подобно балластному сопротивлению в схеме со стабилитроном, выделяется колеблющееся по величине напряжение U_a1.

Для получения стабилизации колебания напряжения U_a1, должны компенсировать колебания входного напряжения U_вх, чтобы в пределах зоны стабилизации соблюдалось равенство U_вых = U_вх – U_a1 = const.

Следовательно, для осуществления стабилизации внутреннее сопротивление R_i1 лампы Л₁ должно автоматически изменяться при изменении напряжения U_вх. При увеличении U_вх сопротивление R_i1 возрастает, а при уменьшении U_вх – уменьшается.

Для изменения R_i1 параллельно сопротивлению R_н включается цепь из сопротивления R₄, лампы Л₂ и стабилитрона Л₃. Эта цепь находится под воздействием выходного напряжения.

Возникающий в цепи ток создает на сопротивлении R₄ падение напряжения U_c1, которое является напряжением смещения для лампы Л₁. Чем больше ток через лампу Л₂, тем больше напряжение смещения U_c1 и наоборот, с уменьшением тока через лампу Л₂ напряжение U_c1 уменьшается.

Таким образом, ток в цепи R₄, Л₂, Л₃ будет определять величину напряжения смещения на лампе Л₁; напряжение смещения U_c1 определяет в свою очередь величину ее внутреннего сопротивления R_i1, так как чем больше –U_c1 тем меньше анодный ток через лампу и больше ее R_i1.

Для того чтобы обеспечить достаточные для стабилизации выходного напряжения пределы изменения сопротивления R_i1 и хорошую чувствительность схемы к изменениям входного напряжения, необходимо обеспечить достаточно большие колебания тока в сопротивлении R₄ при возможно малых изменениях выходного напряжения. Это достигается с помощью ламп Л₂, Л₃ и ряда сопротивлений (R₁, R₂, R₃). Величина тока в цепи R₄, Л₂, Л₃ зависит от напряжения U_вых и сопротивления цепи, которое складывается из сопротивлений R₄, R_i2 и R_i3 (R_i2 и R_i3 – внутренние сопротивления ламп Л₂ и Л₃, причем сопротивление R_i3 мало, сопротивление R₄ постоянно).

Внутреннее сопротивление R_i2 лампы Л₂ постоянному току изменяется и зависит главным образом, от напряжения смещения U_c2, которое подается со специального делителя напряжения R₁–R₂, включенного параллельно рассматриваемой цепи (R₄, Л₂, Л₃) и нагрузке R_н. Катод лампы Л₂ включен между анодом стабилитрона и сопротивлением R₃, которое обеспечивает зажигание стабилитрона при включении схемы и устойчивую работу в процессе стабилизирования. Таким образом, напряжение смещения U_c2 на лампе Л₂ будет равно напряжению между движком потенциометра R₁–R₂ и анодом стабилитрона Л₃. Параметры схемы стабилизации и тип ламп Л₂ и Л₃ выбираются такими, чтобы:

• при номинальном значении входного напряжения ток в цепи был равен среднему значению рабочего тока стабилитрона;
• при колебаниях входного напряжения в пределах стабилизации ток в цепи R₄, Л₂, Л₃ не должен выходить из рабочей области токов стабилитрона Л₃.

При выполнении этих условий потенциал катода лампы Л₂ не будет зависеть от колебаний входного напряжения, так как он равен падению напряжения на стабилитроне, которое остается постоянным. Потенциал сетки лампы Л₂, равный потенциалу точки б потенциометра R1–R2, будет изменяться пропорционально выходному напряжению. Поэтому напряжение смещения на сетке лампы Л₂, равное –U_с2 = U_эт – U_R2, также будет изменяться пропорционально изменениям выходного напряжения.

Известно, что потенциал управляющей сетки в μ раз (коэффициент усиления) сильнее влияет на анодный ток лампы, чем потенциал ее анода. Поэтому даже весьма малые изменения выходного напряжения приведут к таким изменениям напряжения смещения U_с2, которые вызовут в цепи раскачку тока, достаточную для того, чтобы изменить U_с1 и R_i1 в пределах, необходимых для компенсации колебаний входного напряжения. Начальный режим лампы Л₂, т. е. начальное смещение U_c2 на ее сетке, выбирают при настройке стабилизатора с помощью движка потенциометра R₁–R₂.

Рассмотрев назначение отдельных элементов стабилизатора и установив взаимосвязь между ними, остановимся на порядке работы схемы при колебаниях входного напряжения и тока нагрузки.

При уменьшении напряжения U_вх или увеличении тока нагрузки выходное напряжение также начнет уменьшаться. Это вызовет увеличение отрицательного напряжения смешения U_c2 на управляющей сетке лампы Л₂, уменьшение тока в цепи R₄, Л₂, Л₃; уменьшение отрицательного напряжения смещения U_c1 на сетке лампы Л₁; уменьшение внутреннего сопротивления лампы Л₁ и уменьшение падения напряжения U_a1 на лампе Л₁ примерно на такую же величину ΔU_a1 на какую уменьшилось напряжение U_вх. В результате срабатывания схемы напряжение U_вых уменьшится на незначительную величину ΔU_вых << ΔU_вх и далее (при наступлении в схеме динамического равновесия) останется постоянным.

При увеличении входного напряжения (или уменьшения тока нагрузки) выходное напряжение начинает возрастать. Это вызовет уменьшение –U_c2, и увеличение тока в цепи R₄, Л₂, Л₃; увеличение –U_c1, и R_i1, и увеличение падения напряжения U_a1 на лампе Л₁ примерно на такую величину ΔU_a1, на какую увеличилось напряжение U_вх.

Так как U_вых = U_вх – U_a1, то выходное напряжение, как и в предыдущем случае, практически останется постоянным.

Для получения лучшей стабилизации в качестве лампы Л₂, выполняющей функции усилителя постоянного тока, используют триоды или пентоды с большим коэффициентом усиления.

В качестве лампы Л₁ используются триоды или тетроды, а также пентоды в триодном режиме.

Электронный стабилизатор напряжения практически безынерционный прибор, который реагирует не только на медленные, но и на быстрые (периодические и апериодические) изменения входного напряжения, поэтому он является хорошим сглаживающим фильтром. Для увеличения сглаживающего действия электронного стабилизатора сопротивление R₁ шунтировано емкостью C₁ причем величину емкости выбирают такой, чтобы выполнялось условие

Коэффициент стабилизации рассматриваемой схемы может быть определен из выражения

где μ₁ и μ₂ – статические коэффициенты усиления ламп Л₁ и Л₂.

Практически подобная схема может обеспечить коэффициент стабилизации порядка 50–200. Если требуется больший k_c.н, то усилитель постоянного тока выполняется не на одной лампе Л₂, а на двух или трех лампах. При больших токах нагрузки вместо одной регулирующей лампы могут быть включены параллельно две лампы.

Наиболее целесообразно для стабилизации напряжения при больших токах нагрузки и особенно при значительных колебаниях этого тока использовать схему с параллельным включением регулирующей лампы:

 

На приведенной схеме регулирующей является лампа Л₁, усилитель постоянного тока – лампа Л₂. В отличие от предыдущей схемы неизменным поддерживается потенциал не катода лампы Л₂, а ее управляющей сетки (за счет вспомогательного источника постоянного тока с напряжением U_всп). Потенциал катода лампы Л₂ изменяется пропорционально колебаниям выходного напряжения или тока нагрузки.

При уменьшении входного напряжения (или увеличении тока нагрузки) уменьшается падение напряжения на сопротивлении R₂. В результате этого уменьшается отрицательное напряжение смещения на сетке лампы Л₂ и увеличивается ее анодный ток, что вызывает увеличение падения напряжения на сопротивлении R₃. Это, в свою очередь, приводит к увеличению отрицательного потенциала на сетке лампы Л₁ и уменьшению ее анодного тока. Общий ток, потребляемый стабилизатором от сети, уменьшается и уменьшается падение напряжения на сопротивлении R_б, а напряжение на выходе останется почти неизменным. При увеличении входного напряжения (уменьшении тока нагрузки) происходят обратные процессы.

Как видим, в схеме с параллельной регулирующей лампой основной ток протекает только через нагрузку и лишь часть его через лампу Л₁. Это позволяет использовать в таких схемах лампы с малым анодным током при больших токах нагрузки. Схемы с последовательно включенной регулирующей лампой выгодно использовать при небольших токах нагрузки. Большинство радиоприемных, радиоизмерительных и других устройств является слаботочным, поэтому последовательные схемы распространены наиболее часто, чем параллельные.

Электронные стабилизаторы напряжения применяют весьма часто. Они выполняются на стабилизируемые напряжения от единицы вольт до нескольких десятков киловольт, и токи нагрузки от нескольких микроампер до нескольких ампер.

Их основные достоинства – большой коэффициент стабилизации, обеспечивающий высокую точность поддержания выходного напряжения при значительных колебаниях входного напряжения, значительное ослабление пульсаций, возможность плавной регулировки выходного напряжения в широких пределах (с помощью потенциометра R₁R₂).

Основной недостаток электронных стабилизаторов напряжения – их низкий к.п.д.

В последнее время электронные стабилизаторы все чаще и чаще выполняются на полупроводниковых триодах. Такие стабилизаторы значительно экономичней и надежней ламповых.