Стабилизаторы напряжения и тока , их классификация, назначения основные параметры и характеристики.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций.
Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения

Внутреннее сопротивление

Коэффициент сглаживания пульсаций
где Uвх~, Uвых~ - амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Для стабилизаторов тока важны следующие параметры:
Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению

Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки

Коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активных мощностей

Параметрические стабилизаторы являются простейши­ми устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характери­стики.

Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения и _э (на Δ и _э), а значит, и вход­ного напряжения и _вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину Δ и _вых. Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше Δ и _вых.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Ха­рактерными элементами компенсационного стабилизато­ра являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталон­ным напряжением. В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывает­ся управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практи­чески постоянным.

Последовательный компенсационный стабилизатор (а), параллельный компенсационный стабилизатор (б).

В зависимости от режима работы регулирующего эле­мента стабилизаторы разделяют на непрерывные и им­пульсные (ключевые, релейные). В непрерывных стабили­заторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в режиме ключа.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непре­рывные стабилизаторы. Благодаря применению ключево­го режима работы силовых элементов таких стабилизато­ров, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 + 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 ÷ 50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощ­ность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом со­стоянии ток, протекающий через силовой элемент, мак­симален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий че­рез него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Та­ким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность не­значительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к умень­шению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания отно­сят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилиза­тор напряжения (рис. 2.86). Ключ S периодически вклю­чается и выключается схемой управления (СУ) в зависи­мости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t _вкп / t _выкл, где t _вкл, t _выкл - длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях.

VD

C

Рис. 2.86. Импульсный последовательный стабилизатор напряжения
Чем больше это отношение, тем больше на­пряжение на выходе. В качестве ключа S часто использу­ют биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечи­вает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент ком­мутации. LС-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Усилители постоянного тока особенности их работы, варианты схем построения. Явление дрейфа нуля и способы его устранения.

Усилители постоянного тока – усилители, позволяющие усиливать сигнал низких и сверхнизких частот, включая постоянный ток, т. е. w_н = 0.

На рис. 3.49 представлена схема простейшего дифференциального усилителя. Очевидно, что она аналогична схеме моста на рис. 3.46, если и заменить транзисторами VT 1 и VT 2 и считать, что , .

Рис. 3.49. Схема дифференциального усилителя

Сопротивления и выбирают равными, а транзисторы VT 1 и VT 2 – идентичными. Тогда при отсутствии входного сигнала также равно нулю. Температурное воздействие будет одинаковое на оба идентичных транзистора, поэтому, хотя их параметры и изменятся, но одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале, так как разность и останется неизменной. Если на входы схемы и подать, одинаковые сигналы по величине и фазе, называемые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, соответственно будут изменяться напряжения и , а напряжение по прежнему будет сохраняться равным нулю. Если на входы подать одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе . Изменение температуры, паразитные наводки, старение элементов и др. можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Исходя из этого дифференциальный каскад обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.

Выводы:

1. Дифференциальные усилители предназначены для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0 Гц.
2. Дифференциальный усилитель: имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; высокая степень подавления синфазных помех.
3. Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы.

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигнала при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля. То есть под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рис. 3.50. Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

Рис. 3.50. Условные обозначения операционных усилителей

Параметры операционного усилителя характеризуют его эксплуатационные возможности. Основными параметрами являются:

1. Коэффициент усиления напряжения без обратной связи , показывающий, во сколько раз напряжение на выходе превышает напряжение сигнала, поданного на дифференциальный вход. Типовое значение ;
2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала , показывающий, во сколько раз дифференциальный сигнал сильнее синфазного. Донный параметр определяется свойствами входного дифференциального каскада и составляет ;
3. Напряжение смещения нуля , представляющее собой постоянное напряжение определенной полярности, которое необходимо подать на вход при отсутствии входного сигнала для того, чтобы напряжение на выходе стало равным нулю. Наличие отклонения выходного напряжения от нуля обусловлено, хотя и малым, но неизбежным дисбалансом плеч дифференциального каскада. Практически ;
4. Температурный дрейф напряжения смещения , характеризует изменение напряжения при изменении температуры и составляет ;
5. Входное сопротивление для дифференциального сигнала. Измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой вход соединен с общим выводом. Величина лежит в пределах сотен – единиц Мом;
6. Входное сопротивление для синфазного сигнала. Измеряется между соединенными вместе входами операционного усилителя и корпусом. Данное сопротивление на несколько порядков больше чем сопротивление для дифференциального сигнала;
7. Выходное сопротивление . Величина выходного сопротивления для операционного усилителя составляет десятки – сотни Ом.

Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики УПТ, является дрейф нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе УПТ от начального значения. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.
К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:
нестабильность источников питания;
временная нестабильность ("старение") параметров транзисторов и резисторов;
температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;

низкочастотные шумы;
помехи и наводки.
Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.
С целью снижения дрейфа нуля в УПТ используются:
- Термостабилизация усилительного каскада, стабилизация питающих напряжений. (Требует достаточно больших энергетических затрат и используется в специальных целях).

- Использование усилительных компонентов с улучшенными температурными характеристиками

- Использование структуры усилителя с преобразованием. Входной сигнал постоянного тока на входе преобразуется в переменный ток, усиливается обычным усилителем переменного тока и на выходе вновь преобразуется в постоянный ток. (МДМ – модулятор - демодулятор). Такие усилители имеют самый минимальный дрейф.

- Использование балансных схем включения усилительных элементов, когда усилительные элементы имеют одинаковые характеристики, входной сигнал подается на них балансно (между входами) и снимаются балансно (между выходами). В результате при одинаковом дрейфе в каскадах дрейф вычитается.

Дата добавления: 2015-07-12