Stabilizátory napětí a proudu


Stabilizátory jsou obvody, které automaticky vyrovnávají napěťové nebo proudové změny na zátěži. Používají se tam, kde jsou přísné požadavky na minimální zvlnění nebo při požadavku na zachování konstantní velikosti napětí na zátěží při kolísajícím napětí (proudu) zdroje.

Stabilizátory dělíme podle zapojení regulačního prvku na: paralelní a sériové; a podle řízení regulačního prvku na: parametrické (bez zpětné vazby) a degenerativní (se zpětnou vazbou).


Stabilizátory napětí

Stabilizátor napětí si můžeme představit jako čtyřpól, na jehož výstupních svorkách jsou změny výstupního napětí menší, než jsou změny napětí na vstupních svorkách.

Měřítkem jakosti stabilizátoru je tzv. činitel stabilizace napětí Ku:

U1 U2 U1 ... napětí na vstupu

Ku = ---------*----------- při Rz = konst. U2 ... napětí na výstupu

U2 U1

Z povahy použitých veličin plyne, že činitel stabilizace K má být pokud možno velký a vnitřní odpor stabilizátoru naopak malý.


a) parametrické:

Parametrické stabilizátory napětí využívají ke stabilizaci napětí vhodného průběhu VA charakteristik některých elektronických součástek (např. Zenerova dioda, doutnavka,...). Tyto stabilizátory se používají pro zatěžovací proudy maximálně desítky mA. Pro stabilizaci napětí několik desítek V slouží doutnavka, pro jednotky až desítky V Zenerova dioda a pro jednotky V obyčejné diody v propustném směru.

Činnost parametrických stabilizátorů napětí se Zenerovou diodou, kde je zátěž Rz je připojena paralelně k Zenerově diodě ZD, a celek je napájen ze zdroje napětí U1 přes velký sériový rezistor Rs (na obr. přímka rs). Tento rezistor určuje polohu pracovního bodu P. Pro správnou činnost stabilizátoru je třeba zajistit, aby zatěžovací proud I2 byl několikrát menší než proud Iz procházející stabilizační diodou, čímž má odpor Rz a jeho změny na činnost stabilizátoru jen malý vliv. Při změně vstupního napětí U1 dojde i k posunu pracovního bodu, ale změna výstupního napětí U2 bude malá, a bude tím menší, čím bude větší odpor Rs.

Velikost činitele stabilizace K je okolo 10. Pracovní podmínky stabilizačního prvku musí být zvoleny tak, aby pracovní bod neopustil při činnosti stabilizátoru omezenou oblast (u ZD nad bodem A - nestabilizuje a pod bodem B - přetížení). Pro stabilizaci vyšších napětí lze součástky řadit do série.

Nevýhodou parametrických stabilizátorů je jejich poměrně velký vnitřní odpor, malý činitel stabilizace a velmi malá energetická účinnost (velký Rs - velké ztráty, a Iz >> I2).















b) degenerativní (se zpětnou vazbou):

Stabilizátory napětí se zpětnou vazbou obsahují regulační součástku (obvykle tranzistor), která je ovládána odchylkou výstupního napětí stabilizátoru od referenčního napětí. tyto stabilizátory dosahují větší velikosti činitele stabilizace a menšího vnitřního odporu a navíc dovolují výstupní stabilizované napětí regulovat.

Pří větších zatěžovacích proudech I2 by byly u parametrického stabilizátoru kladeny velké nároky na rezistor i na stabilizační diodu, proto používáme např. následující degenerativní zapojení:


A) Jednoduchý stabilizátor napětí s pomocným tranzistorem B) Blokové zapojení stabilizátoru napětí se zpětnou vazbou C) Zapojení složitějšího stabilizátoru napětí se zpětnou vazbou


Jednoduchý stabilizátor napětí s pomocným tranzistorem (obr. A). Výstupní napětí U2 je určeno následujícím vztahem: U2 = Uzd - Ube. Zenerova dioda ZD zde slouží jako zdroj referenčního napětí. Rezistorem R prochází takový proud, aby pracovní bod diody ZD ležel za Zenerovým napětím. Dioda ZD je zatížena jen malým proudem báze tranzistoru, a proto je na ní referenční napětí Uzd velmi stabilní - konstantní. Báze tranzistoru je polarizována do propustného směru.

Zvětší-li se vstupní napětí U1, je napětí Ube (= Uzd - U2) menší a tranzistor se přivře tak, že přírůstek vstupního napětí U1 se projeví jako stejný přírůstek napětí Uce , a U2 tím zůstane téměř konstantní. Pro opačnou změnu se obvod chová tak, že napětí Ube se zvětší, tranzistor se otvírá a prochází jím větší proud I2 přes zátěž Rz , který vyvolá ne zátěži úbytek napětí U2 , který zůstává téměř konstantní.

Komplikovanější stabilizátory napětí obsahují následující bloky (obr. B): regulační součástku (RS), zdroj referenčního napětí (ZR), snímač odchylky (SO) a rozdílový zesilovač (RZ). Při činnosti je regulační součástka ovládána zesílenou odchylkou výstupního napětí od referenčního. Příklad konkrétního zapojení zapojení (obr. C):

Tranzistor T1 je regulační tranzistor (RS). Zdroj referenčního napětí (ZR) tvoří Zenerova dioda ZD s rezistorem Rs (parametrický stabilizátor napětí napájený z výstupního napětí degenerativního stabilizátoru). Odchylka je snímána (SO) potenciometrem P a zesilována zesilovačem (RZ) tvořeným tranzistorem T2 s pracovním rezistorem Rp. Zátěž představuje rezistor Rz.

Činnost obvodu: Poklesne-li např. napětí U1, napětí Up na odbočce potenciometru se zmenší, tranzistor T2 se přivře, zmenší se proud rezistorem Rp a napětí na kolektoru tranzistoru T2 se zvětší. Toto napětí otevírá regulační tranzistor T1 a průchodem proudu do zátěže se zmenšuje i napětí mezi jeho kolektorem a emitorem, což způsobí zvětšení (vyrovnání) napětí na zátěži. Analogicky pracuje obvod i pro zvětšení napětí U1 nebo při změně zátěže Rz.

Degenerativní stabilizátory napětí jsou dnes již především v integrované podobě. Mimo základních bloků obsahují ještě další jako např.: elektronická pojistka proti proudovému přetížení, tepelná pojistka proti ztrátovému výkonu,... Tyto stabilizátory pracují s minimem vnějších součástek a dosahují výborných stabilizačních účinků.


Stabilizátory proudu

Stabilizátor proudu si můžeme představit jako čtyřpól, na jehož výstupních svorkách jsou změny výstupního proudu menší, než jsou změny proudu na vstupních svorkách.

Měřítkem jakosti stabilizátoru je tzv. činitel stabilizace proudu Ki:

I1 I2 I1 ... proud na vstupu

Ki = ---------*----------- při Rz = konst. I2 ... proud na výstupu

I2 I1

Z povahy použitých veličin plyne, že činitel stabilizace proudu Ki má být pokud možno velký a vnitřní odpor stabilizátoru musí být taktéž veliký.








  1. parametrické:



Parametrické stabilizátory proudu využívají ke stabilizaci napětí vhodného průběhu VA charakteristik některých elektronických součástek, zpravidla bipolární tranzistor zapojený se společnou bází (obr. A-b) nebo unipolární tranzistor.

Příklad zjednodušeného konkrétního zapojení např. s bipolárním tranzistorem zapojeným se společnou bází (obr. A-a,b): Stabilizátor je napájen ze zdroje napětí U. Stabilizovaný výstupní proud je kolektorový proud Ic. Je určen proudem emitoru Ie , nastavovaným odporem R v obvodu pomocného napětí Up. Pro výstup platí: Ucb = U - Ic*Rz. Předpokládáme-li pro jednoduchost U = konst., a dojde-li nyní ke změně zátěže Rz , změní se i napětí Ucb. A pak jak je patrné z grafu (viz obr. A-b), změní se i proudu o Ic , avšak jen velmi malo.

b) degenerativní (se zpětnou vazbou):

Stabilizátory proudu se zpětnou vazbou obsahují (shodně se stabilizátory napětí) následující bloky (viz obr. B): regulační součástku (RS), zdroj referenčního napětí (ZR), snímač odchylky (SO) a rozdílový zesilovač (RZ). Při činnosti je regulační součástka ovládána odchylkou napětí, získanou porovnáním referenčního napětí s napětím vznikajícím průchodem zatěžovacího proudu pomocným snímacím rezistorem Rs , zapojeným do série se zátěží. Činností stabilizátoru je udržováno toto napětí konstantní, a tím je konstantní též odebíraný proud I2 při změnách zatěžovacího odporu i změnách vstupního napětí.

Degenerativní stabilizátory proudu jsou dnes již především v integrované podobě. Mimo základních bloků obsahují ještě další jako např.: elektronická pojistka proti proudovému přetížení, tepelná pojistka proti ztrátovému výkonu,... Tyto stabilizátory pracují s minimem vnějších součástek a dosahují výborných stabilizačních účinků.

dlabos.wz.cz