Teoria Stabilizatory Rodzaje stabilizatorów - Parametry stabilizatorów - Stabilizatory liniowe Prawie wszystkie układy czy urządzenia elektroniczne wymagają zasilacza, w którym jest przynajmniej jedno źródło napięcia stałego o bardzo dobrych parametrach, co zwykle oznacza, że napięcie takiego źródła nie zmienia się ani pod wpływem zmian napięcia w sieci (220V), ani pod wpływem zmian obciążenia. Oczywiście pewne zmiany zawsze będą (nazywa się je tętnieniami) ale dąży się do tego aby były jak najmniejsze. Cel taki uzyskuje się przez stosowanie stabilizacji napięcia układami, które nazywają się stabilizatorami. Jak można krótko wyjaśnić na czym polega mechanizm stabilizacji? Otóż dzięki twórcom teorii sprzężenia zwrotnego (w 1928 roku Harold S. Black próbował opatentować zasady ujemnego sprzężenia zwrotnego) oraz dzięki dalszemu rozwojowi tej jakże użytecznej techniki, możliwa jest obecnie realizacja stabilizatorów o bardzo dobrych parametrach. W stabilizatorach stosowane są właśnie obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego, w których następuje porównanie wyjściowego napięcia stabilizowanego z wzorcowym źródłem napięcia (o bardzo dużej stałości), w wyniku porównania wypracowany zostaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom. I tak jeżeli z jakichś powodów napięcie na wyjściu stabilizatora miałoby się zmienić to sygnał uzyskany z obwodu sprzężenia zwrotnego będzie przeciwdziałać tym zmianom. Rodzaje stabilizatory. Stabilizatory można najogólniej podzielić na: stabilizatory liniowe (linear regulators) lub inaczej stabilizatory o regulacji ciągłej, stabilizatory impulsowe - zmniejszające wartość napięcia (step-down) - zwiększające wartość napięcia (step-up). Oczywiście to nie wyczerpuje wszystkich możliwości gdyż pozostaje jeszcze podział na stabilizatory regulowane, stałe, dodatnie, ujemne itd. Stabilizator liniowy (przykład) Parametry stabilizatorów. Do najważniejszych parametrów stabilizatory, na które trzeba zwracać szczególną uwagę należy zaliczyć: nominalna wartość napięcia wyjściowego Uwy i jego tolerancja maksymalny prąd wyjściowy Iwy maksymalny prąd zwarcia Izw zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego Uwemin do Uwemax minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem, a wejściem potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego (dropout voltage - niektóre określenia angielskie są naprawdę bardziej zwięzłe) współczynnik stabilizacji napięciowej (line regulation) Su=DUwy/DUwe (im mniejsza jego wartość tym lepiej) współczynnik stabilizacji prądowej lub jak kto woli obciążeniowej (load regulation) rezystancja wyjściowa Rwy=DUwy/DIwy sprawność energetyczna h=(Uwy· Iwy)/(Uwe· Iwe) Poniżej przedstawiona jest tabelka porównująca niektóre parametry i własności stabilizatorów liniowych oraz impulsowych (tabelkę przysłał Pedro), myślę że pomoże ona przy podjęciu decyzji o wyborze stabilizatora. Własność Stabilizator liniowy Stabilizator impulsowy Sprawność 25% ÷ 60% 75% ÷ 95% Powierzchnia radiatorów 100% 10% ÷ 20% Stosunek mocy do masy 20 W/kg 110 W/kg Pojemność kondensatora wyjściowego mała bardzo duża Parametry stabilizacji bardzo dobre dobre Odpowiedź impulsowa (czas odpowiedzi na nagłe zmiany obciążenia) 5 ÷ 50 µs bardzo dobrze 100 ÷ 1000 µs słabo Tłumienie szumów i tętnień bardzo dobre 0,2 ÷ 2 mV słabe 10 ÷ 60 mV Zdolność utrzymania napięcia przy krótkotrwałym zaniku napięcia wejściowego (czas podtrzymania tc) słaba 1 ÷ 10 ms bardzo dobra 20 ÷ 50 ms (400 ms dla małych Iwy) Tłumienie zakłóceń radioelektrycznych bez problemu (kondensatory przeciwzakłóceniowe) konieczne dodatkowe konstrukcje, środki (ekranowanie, filtry) Stabilizatory liniowe Układy parametryczne Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku 11.1. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi. Rysunek 11.2 doskonale ilustruje właściwości układu z rysunku 11.1 jako stbilizatora. Jak działa dioda zenera możesz zobaczyć w dziale Diody. Z rys.11.2 widać że zmiany napięcia wejściowego DUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody DID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego DUwy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera UZ. Małe zmiany napięcia wyjściowego można wytłumaczyć jeszcze inaczej. Układ z rysunku 11.1 można potraktować jako dzielnik napięcia składający się z rezystancji R i rezystancji diody RD (układ ten rozpatrujemy jako nie obciążony rezystancją RL). Rezystancja RD określana jest jako rezystancja przyrostowa gdyż zależy od DUwy i DID i można ją przedstawić wzorem RD=DUwy/DID Rozpatrują więc ten układ jako dzielnik napięcia można powiedzieć, że znikomy przyrost napięcia wyjściowego DUwy jest wynikiem podziału przyrostu napięcia wejściowego DUwe w stosunku wyznaczonym przez rezystancje R i RD, co można przedstawić wzorem DUwy=DUwe· (RD/(R + RD)) Przekształcając ten wzór można wyliczyć współczynnik stabilizacji napięcia oznaczony symbolem Su Su=DUwy/DUwe=RD/(R + RD) Z przedstawionego wyżej wzoru widać, że aby uzyskać dobrą stabilizację, a więc mały współczynnik Su, to rezystancja R powinna być znacznie większa w stosunku do RD. Dla większości diod Zenera wartość rezystancji RD wynosi od kilku do kilkudziesięciu W i do tego jeszcze zależy od prądu płynącego przez tą diodę czyli ID. Zwiększając rezystancję R poprawi się współczynnik stabilizacji ale jednocześnie zmniejszeniu ulegnie wartość prądu wyjściowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie układu z rysunku 11.1 jako stabilizatora. Układy takie mają więc zastosowanie jako źródła napięcia referencyjnego. Lepszym rozwiazaniem układu z rysunku 11.1 jest jego modyfikacja przedstawiona na rysunku 11.3. Jest to układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe Uwy=UZ- UBE Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy IB, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy Iwy jest duży i można go przedstawić wzorem (patrz dział Tranzystory - bipolarne) Iwy=IB· (b + 1) Układ z rysunku 11.3 jak widać jest trochę lepszym układem niż ten z rys. 11.1, lecz jego zastosowanie ogranicza się również do prostych i nie wymagających układów. rys. 11.1 rys. 11.2 rys. 11.3 Układy ze sprzężeniem zwrotnym Na rysunku 11.4 przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówne w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków: elementu regulacyjnego wzmacniacza błędu źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego) układu próbkującego Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające. Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Jak to się dzieje? Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Ukłądem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Napięcie na wejściu wzmacniacza błędu wynosi więc UR3=g · Uwy gdzie g=R3/(R2 + R3) Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie wzorcowe Uref (lub jak kto woli referencyjne czy też odniesienia). Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora "chce" z jakichś powodów zwiększyć się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie UCE zmniejsza się). Tak właśnie działa ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne zastosowane w układach stabilizatorów liniowych (ze sprzężeniem zwrotnym oczywiście). Patrząc na schemat blokowy można ułożyć równanie, które będzie podstawą do projektowania (obliczania) elementów składowych stabilizatora działającego zgodnie z powyższym opisem. Aby to równanie ułożyć należy przyjąć, że wzmacniacz błędu posiada wzmocnienie równe -ku (znak minus wynika z ujemnego sprzężenia zwrotnego). Wystarczy teraz porównać napięcie otrzymane na wyjściu wzmacniacza błędu, pomniejszone o napięcie UBE tranzystora regulacyjnego z napięciem wyjściowym, aby otrzymać następujące równanie -ku· (g · Uwy- Uref) - UBE=Uwy Z tego równania na drodze przekształceń matematycznych można wyliczyć napięcie wyjściowe Uwy=(ku· Uref- UBE)/(1 + g · ku) jeżeli założyć, że wzmacniacz błędu ma wzmocnienie o dużej wartości i podzielimy licznik i mianownik powyższego wzoru przez ku to otrzyma się wzór przybliżony opisujący napięcie wyjściowe stabilizatora Uwy=Uref· (1 + R2/R3) Otrzymane równanie pokazuje, że napięcie wyjściowe stabilizatora Uwy musi osiągać taką wartość aby napięcie na rezystorze R3 miało wartość równą napięciu referencyjnemu Uref UR3=g · Uwy=Uref wtedy napięcie wyjściowe jest stałe i nie zmienia się i to jest to o co chodzi w stabilizatorze. rys. 11.4
