Stabilizatory

Stabilizatorem o pracy ciągłej nazywać będziemy układ analogowy dostarczający napięcie albo prąd o stałej (w pewnych granicach) wartości, niezależnie od zmian napięcia wejściowego, wielkości obciążenia i temperatury otoczenia. Stabilizatory, czerpiąc energię z układów prostowniczych bądź też baterii, zapewniają odpowiednie warunki zasilania urządzeń i układów elektronicznych. Generalnie, działaniu stabilizatorów podlegają wartości średnie napięć czy prądów, ale nie muszą się do nich ograniczać i mogąc reagować na składowe zmienne (np. o częstotliwości tętnień), spełniając funkcje filtrów.

Na typowej charakterystyce stabilizatora napięcia można wyodrębnić: zakres stabilizacji normalnej i zakres przeciążenia. W zakresie stabilizacji układ charakteryzuje się małą zmiennością napięcia, przy zmianach prądu obciążenia (niewielką rezystancją dynamiczną). Widoczny na niej zapas napięcia jest niezbędny dla poprawnej pracy stabilizatora. Zakres ten powinien być większy niż jego wartość minimalna (podana w danych katalogowych), ze względu na możliwe fluktuacje napięcia sieciowego (na zaciskach filtru).

W zakresie przeciążenia występuje znaczna zmienność napięcia w funkcji prądu, tzn. zanikają właściwości stabilizujące układu. Zwiększa się również moc wydzielana w elemencie regulacyjnym,

grozi jego uszkodzeniem. W celu ograniczenia mocy wydzielanej w stabilizatorze stosuje się dodatkowe układy modyfikujące charakterystykę wyjściową, aby poza zakresem stabilizacji moc ta nie zwiększała się lub rosła umiarkowanie

Wielkości opisujące właściwości stabilizatorów napięcia

Stabilizator napięcia stałego, w zakresie stabilizacji, powinien posiadać charakterystykę idealnego źródła napięcia, jednak w rzeczywistości wartości jego parametrów różnią się od idealnych. Wyróżnić można dwie grupy parametrów opisujących właściwości stabilizatorów. Pierwsza z nich to parametry graniczne (maksymalne lub minimalne), takie jak:

• znamionowe napięcie stabilizowane U_N,

• znamionowy prąd obciążenia I_N,

• prąd zwarciowy I_Z,

• moc tracona w stabilizatorze

Do drugiej grupy należą parametry opisujące liczbowo lub za pomocą wykresów najważniejsze właściwości stabilizatorów:

• Współczynnik stabilizacji napięciowej - określa wpływ zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowego

• Współczynnik stabilizacji prądowej - określa wpływ zmian prądu obciążenia na zmiany napięcia wyjściowego

• Temperaturowy współczynnik stabilizacji - określa wpływ zmian temperatury stabilizatora na jego napięcie wyjściowe

• Współczynnik tłumienia tętnień

• Sprawność stabilizatora

• Charakterystyka przejściowa - określa wpływ napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe

• Charakterystyka wyjściowa - obrazuje jak zmienia się napiecie wyjściowe pod wpływem zmian prądu obciążenia

• Zakres regulacji napięcia stabilizowanego

• Maksymalna wartość tętnień

STABILIZATOR PARAMETRYCZNY

Ten rodzaj stabilizatorów stosuje się do zasilania urządzeń elektronicznych które nie wymagają wysokich parametrów stabilizacji. Charakteryzują się one prostą budową, dużą

niezawodnością i niską ceną. Podstawowym elementem parametrycznego stabilizatora jest nieliniowy element o charakterystyce prądowo napięciowej, tak dobranej, by dużym zmianom przepływającego prądu towarzyszą niewielkie zmiany napięcia. Przykładem takiego elementu jest dioda Zenera, spolaryzowana w kierunku zaporowym.

Idea stabilizatora z diodą Zenera jest przedstawiona na rys. 5.3. Każdej zmianie napięcia

wejściowego jak i prądu obciążenia, towarzyszy silna zmiana prądu diody. Zmiana napięcia wejściowego jest równoważona przez zmianę spadku napięcia na rezystancji Rs (wskutek zmiany prądu diody), zaś zmiana prądu obciążenia I_wy równoważona jest zmianą prądu (przy stałym spadku napięcia na rezystancji Rs). W wyniku działania układu napięcie wyjściowe ulega jedynie niewielkim zmianom, wynikającym z nachylenia charakterystyki diody, w zakresie powyżej napięcia Zenera.

Dioda Zenera jest dobierana do mocy pobieranej przez obciążenie (dobór mocy maksymalnej P diody) i do maksymalnego prądu obciążenia (dobór prądu maksymalnego I_Dmax). Wartość maksymalnego prądu diody jest ograniczona rezystancją Rs. Zwiększanie tej rezystancji prowadzi jednak do pogorszenia sprawności układu. Układ stabilizatora parametrycznego ma wiele wad m.in. duże straty mocy na rezystorze i diodzie Zenera, mała dokładność stabilizacji i brak możliwości regulacji napięcia.

Parametryczny stabilizator prądu

Najprostszym parametrycznym stabilizatorem prądu jest układ z termistorem o dodatnim współczynniku zmian temperaturowych, przedstawiony na rys. 18.6.

Warunkiem poprawnej pracy takiego układu jest utrzymywanie zmian napięcia wejściowego w zakresie U_INmin - U_INmax, a co jeszcze ważniejsze, ich częstotliwość musi być mniejsza od odwrotności termicznej stałej czasowej termistora.

STABILIZATOR KOMPENSACYJNY

Schemat blokowy, ilustrujący zasadę działania kompensacyjnego stabilizatora o działaniu ciągłym, przedstawia rysunek 5.4.

Układ zawiera: źródło napięcia odniesienia (np. dioda Zenera), pomiarowy dzielnik napięcia, różnicowy wzmacniacz błędu oraz układ regulacji, którym najczęściej jest tranzystor. Działanie stabilizatora polega za porównaniu napięcia odniesienia Uz z napięciem wyjściowym (mierzonym na rezystancjach R1 i R2) równym:

I odpowiednim sterowaniem tranzystorem (sygnałem wyjściowym ze wzmacniacza błędu) w zależności od wartości różnicy tych napięć. Różnica tych napięć, nazywana jest błędem stabilizacji.

Stabilizator kompensacyjny charakteryzuje się ujemnym napięciowym sprzężeniem zwrotnym. Wszelkie zmiany napięcia wyjściowego względem napięcia odniesienia powodują powstanie na wyjściu wzmacniacza sygnału korygującego, powiększającego przewodzenie tranzystora, gdy napięcie U ma tendencje do zmniejszania się, i zmniejszania przewodzenia tranzystora, gdy napięcie U, się zwiększa. Podobnie zachowuje się układ regulacji, gdy zmianie ulega napięcie wejściowe stabilizatora. Zatem układ śledzi zmiany napięcia wyjściowego i reaguje na odchylenia od jego wartości nominalnej.

Podstawowe równanie, opisującego możliwości regulacyjne napięcia wyjściowego stabilizatora ma postać:

Jak wynika z równania (5.10) napięcie wyjściowe można regulować zmieniając wielkość stosunku rezystancji R1/R2, poprzez zastosowanie potencjometru jako dzielnika regulowanego. Maksymalną wartością napięcia wyjściowego stabilizatora jest napięcia wejściowe Uwe, pomniejszone o konieczną minimalną różnicę między napięciem wejściowym i wyjściowym (zapas napięcia) niezbędną do prawidłowej polaryzacji tranzystora. Najmniejsze napięcia wyjściowe jest równe napięciu odniesienie Uz (napięciu na diodzie Zenera).Ujemne sprzężenie w stabilizatorze kompensacyjnym powoduje ze można go traktować jako wzmacniacz prądu z stopniem wstępnym (wzmacniacz błędu) i stopniem mocy (wtórnik emiterowy).

Na stałość napięcia wyjściowego stabilizatora kompensacyjnego ma głownie wpływ stałość napięcia odniesienia i dokładność wykonania układu pomiaru napięcia wyjściowego. Stabilizatory kompensacyjne mają wyższą sprawność i korzystniejsze parametry pracy niż stabilizatory parametryczne. W przypadku, gdy obciążenie (rezystor R) zostanie podłączone w miejsce rezystora R1 uzyskuje się kompensacyjny stabilizator prądu.

STABILIZATOR WTÓRNIKOWY

W układzie tym dioda Zenera jest źródłem napięcia odniesienia a elementem kompensującym zmiany napięcia na wyjściu jest tranzystor, który pracuje w konfiguracji wspólnego kolektora równocześnie jako wzmacniacz i komparator. W układzie tym nie ma możliwości regulacji napięcia wyjściowego. Jest ono równe napięciu Zenera pomniejszonemu o spadek na złączu baza-emiter tranzystora:

Stabilna praca układu występuje powyżej napięcia Zenera. Wadą układu jest przenoszenie się stłumionych tętnień na wyjście poprzez rezystor Rs. W stosunku do stabilizatora parametrycznego, zastosowanie tranzystora zwiększa 3-krotnie wartość rezystancji obciążenia widzianej przez diodę Zenera i poprzez to zmniejsza zakres zmian napięcia wyjściowego.

Na rysunku 5.6 przedstawiono układ szeregowego stabilizatora kompensacyjnego napięcia z ujemną pętlą sprzężenia zwrotnego, w którym rozdzielono funkcje wzmacniacza i komparatora. Tranzystor T1 jest elementem wykonawczym (regulacyjnym). Tranzystor T2 pracuje w układzie wspólnego emitera i pełni rolę wzmacniacza regulacyjnego oraz komparatora porównującego napięcie odniesienia Uz z napięciem wyjściowym, pobieranym z dzielnika rezystancyjnego. Sygnał błędu wzmacniany przez tranzystor T2 steruje tranzystorem T1 realizując zasadę sprzężenia zwrotnego. Wadą układu jest przenoszenie tętnień napięcia wejściowego na wyjście. Poprawę tłumienia tętnień napięcia wejściowego umożliwia zastosowanie w obwodzie sterującym dodatkowej filtracji poprzez włączenie odpowiedniej dużej pojemności C w sposób pokazany na rys. 5.7 (linia przerywana).

STABILIZATOR SCALONY

Zwiększenie dokładności stabilizatorów wymaga zwiększenia liczby elementów i połączeń między nimi, co zmniejsza ich niezawodność. Poprawę niezawodności uzyskuje się stosując gotowe uniwersalne układy stabilizacyjne. Stabilizatory wykonywane jako scalone układy są dostępne na rynku jako specjalizowane i uniwersalne. Zazwyczaj wykorzystują one zasadę działania stabilizatora kompensacyjnego.

Stabilizatory uniwersalne zapewniają użytkownikowi możliwość dostosowania parametrów stabilizatora do wymaganych potrzeb. Dołączając do układu oprócz kondensatorów, dzielnik napięcia użytkownik ustała wartość napięcia stabilizacji. natomiast przez dołączenie zewnętrznego tranzystora szeregowego można zwiększyć obciążalność prądową stabilizatora.

W stabilizatorach specjalizowanych producent umieszcza w układzie scalonym wszystkie elementy,

określając w ten sposób wartość napięcia stabilizowanego, maksymalny prąd obciążenia i pozostałe parametry stabilizatora. Jedynym zadaniem użytkownika jest dołączenie kondensatorów i zapewnienie odprowadzenia ciepła, jakie wydziela się w stabilizatorze. Przykładem takich układów są stabilizatory Z rodziny 78XX. Posiadają one trzy wyprowadzenia: napięcie wejściowe Uwe, napięcie wyjściowe U, i wspólną masę. Typowe napięcia 5, 12 i 15 woltów powodują że układy te są często wykorzystywane do zasilania podzespołów elektronicznych. Na rysunku 5.7 pokazano sposób podłączenia takiego stabilizatora.

Stosowanie kondensatorów, pełniących rolę filtrów wygładzających napięcie, ma istotne znaczenie dla bezawaryjnej pracy stabilizatorów. Warunek, aby napięcie zasilania było większe od napięcia stabilizacji dotyczy zarówno składowych stałych jak i wartości chwilowych. Dla układu zasilania zawierającego prostownik jednofazowy na wejście stabilizatora musi być włączony kondensator, który wygładza napięcie tak, aby chwilowe wartości minimalne napięć na wejściu stabilizatora były zawsze odpowiednio większe od napięcia stabilizacji. Oprócz kondensatora filtrującego dużej wartości na wejściu stosuje się też dodatkowy kondensator o małej pojemności w celu wytłumienia mogących się pojawić drgań dużej częstotliwości.

Umieszczanie kondensatora na wyjściu stabilizatora ma podwójne znaczenie. Po pierwsze kondensator ma za zadanie utrzymywać żądany poziom napięcia w stanach przejściowych (impulsowy pobór prądu obciążenia), uniemożliwiając szybkie jego zmiany. Po drugie kondensator na wyjściu stabilizatora powinien przejąć energię, mogącą się pojawić w przypadku gdy obciążenie zawiera elementy indukcyjne. Obecność kondensatora na wyjściu stabilizatora ogranicza wzrost napięcia wyjściowego.

Scalone stabilizatory napięcia mogą spełniać również inne funkcje. Przykładowe rozwiązania przedstawiono na rys. 5.8. Jeżeli do wyjścia stabilizatora podłączymy rezystor o stałej wartości a obciążenie włączymy między wspólne wyprowadzenie a masę (rys. 5.8a), otrzymamy stabilizowane źródło prądu. Prąd obciążenia jest sumą prądu rezystora R i prądu wypływającego z wyprowadzenia wspólnego, przy czym w celu utrzymywania w przybliżeniu stałej wartości prądu obciążenia - prąd rezystora powinien być dużo większy niż prąd wyprowadzenia wspólnego.

W przypadku potrzeby uzyskania stabilizatora o regulowanym napięciu wyjściowym. można zastosować układ przedstawiony na (rys. 5.8b). Pomijając minimalne napięcie potrzebne do poprawnej pracy stabilizatora, napięcie wyjściowe zmienia się w zakresie (U_XX - Uwe). Regulację napięcia wyjściowego zapewnia potencjometr R. W celu zapewnienia poprawnej pracy układu prąd potencjometru powinien być co najmniej 5-krotnie większy od prądu wyprowadzenia wspólnego. Aby zwiększyć sprawność takiego stabilizatora, zamiast bezpośredniego przyłączenia wspólnego wyprowadzenia stabilizatora do suwaka potencjometru można zastosować połączenie poprzez wtórnik napięciowy, pozwala zwiększyć rezystancję potencjometru.

Rodzaje zabezpieczeń

Szeregowe stabilizatory napięcia, jak już wspominano, są wrażliwe na wystąpienie zwarcia na wyjściu układu. Wtedy przebiciu cieplnemu może ulec element regulujący. W przypadku bardziej skomplikowanych urządzeń profesjonalnych stosowane są specjalne układy zabezpieczeń ograniczających prąd zwarcia. Jednym z nich może być wcześniej omówiony układ parametrycznego stabilizatora prądu z rys. 18.7. Stosowane są również zabezpieczenia nadnapięciowe oraz zabezpieczenia termiczne (chroniące przed nadmiernym nagrzewaniem elementów układu).

• Układ z ograniczeniem prądu obciążenia

Układ ogranicznika tworzą rezystory R₃ - R₅, tranzystor T₃ oraz diody D i D_Z2. Elementem próbkującym prąd wyjściowy jest rezystor R₅. Dopóki spadek napięcia na nim jest mniejszy od napięcia I_E3R₄ dioda D nie przewodzi. Gdy prąd I_OUT dostatecznie wzrośnie dioda D zaczyna przewodzić i na rezystorze R₅ ustala się napięcie równe

U_R5 =U_Z2+U_D-U_BEp3 =U_Z2

Ponieważ napięcie U_Z2 ma w przybliżeniu stałą wartość, to prąd wyjściowy już dalej nie może wzrosnąć i wynosi

Prądowo-napięciową charakterystykę stabilizatora z przedstawionym ogranicznikiem przedstawiono na rys.18.17b. Mimo, że w układzie jest zastosowany ogranicznik prądu nadal należy przestrzegać, aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy strat P_Cmax tranzystora regulacyjnego T_x

• Układ z redukcją prądu zwarcia

Na rys.18.18a przedstawiono schemat układu z redukcją prądu zwarcia. Układ zabezpieczenia tworzą rezystory R₅ - R₇ oraz tranzystor T₄. Przy normalnym obciążeniu jest on zatkany, a stan ten jest wymuszany przez dzielnik R₆- R₇. Elementem śledzącym prąd wyjściowy I_OUT jest rezystor R₅. Gdy spadek napięcia na nim wzrośnie powyżej wartości U_R5 > U_R6 - U_BEP4, tranzystor T₄ zaczyna przewodzić. Wtedy zmniejsza się prąd bazy tranzystora T_x, co w konsekwencji przeciwdziała dalszemu wzrostowi prądu wyjściowego.

Charakterystyka napięciowo-prądowa ma postać przedstawioną na rys.18.18b. Nosi ona nazwę charakterystyki z redukcją prądu zwarcia - typu foldback.

• Ogranicznik prądu ze sprzężeniem zwrotnym

Prąd wyjściowy I_OUT, płynąc przez rezystor R_E, wytwarza na nim nieduży spadek napięcia. Rezystor R_C2 jest tak dobrany, aby tranzystor T_x był w stanie nasycenia, tzn. R_C2 < β Rei- Tranzystor T₂ równocześnie jest utrzymywany w stanie zatkania. Kiedy spadek napięcia na rezystancji R_E wzrośnie ponad ustalony poziom, to tranzystor T₂ zaczyna przewodzić, przez co zmniejsza się prąd bazy tranzystora T_x iwychodzi on z nasycenia. Gdy oba tranzystory znajdą się w stanie aktywnym zamknięta zostaje pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego przyspieszając proces zamiany stanu. Po nasyceniu się tranzystora T₂ przez układ płynie prąd wynikający z wielkości napięcia wejściowego i rezystora R_C2. Opisany stan układu jest stabilny i nie powraca on do stanu początkowego nawet po usunięciu zwarcia. Dla ponownego włączenia konieczne jest albo zwarcie tranzystora T₁ albo wyłączenie napięcia wejściowego.

• Zabezpieczenie nadnapięciowe

• Zabezpieczenie termiczne

Zabezpieczenie termiczne stosowane jest głównie w stabilizatorach monolitycznych. Chroni ono układ monolityczny przed nadmiernym nagrzaniem, które może doprowadzić do jego nieodwracalnego uszkodzenia. Ogólną koncepcje realizacji zabezpieczenia termicznego przedstawiono na rys. 18.22. Tranzystor T₂ pracuje jako czujnik temperatury. Napięcie U_R2 jest tak dobrane, że tranzystor T₂ znajduje się na granicy zatkania. Ze wzrostem prądu wyjściowego wzrasta moc strat w tranzystorze regulacyjnym, wzrasta temperatura podłoża i dzięki silnemu sprzężeniu termicznemu, maleje napięcie U_BE tranzystora T₂. Powoduje to przewodzenie tranzystora T₂, zmniejszenie prądu bazy tranzystora , a tym samym zmniejszenie prądu I_OUT.

---