Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

Компенсационный стабилизатор – это система автоматического регулирования с ООС.

Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки U e , как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. В зависимости от U e изменяется состояние РЭ, за счет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U ВЫХ . Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого усиления К пет :

где К д — коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К у – коэффициент усиления по току транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия К р =β 1 Ч β 2 Ч Ч Ч βn– к оэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия: , где пм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Если цепь ОС разорвать, то . Поэтому надо иметь как можно меньше! Это является важной предпосылкой для синтеза РЭ.

Если замкнуть цепь ОС, то процесс регулирования можно представить так:

Знак минус в первом уравнении говорит о том, что ОС – отрицательная.

Решим систему относительно :

Это и есть основное уравнение стабилизатора в установившемся режиме. Очевидно, что петлевое усиление должно быть большим и, если , а >> 1.

Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия:

1 Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного или дифференциального усилителя . При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ОС. Включение цепей коррекции (интегро-дифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U 1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U Н . Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U 1 , увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для увеличения коэффициента усиления Ку можно увеличить сопротивление нагрузки УПТ — R1 и, соответственно, напряжение питания, подавая его на УПТ от отдельного внешнего источника U 11 .

2. Введение токостабилизирующего звена в выходной цепи УПТ, при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя.

При возрастании входного напряжения U 1 напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения на резисторе R2. При этом выходной ток стабилизатора тока (I K1 ) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ зависит только от уровня напряжения обратной связи и не зависит от входного напряжения.

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения , которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора, но плавная регулировка выходного напряжения невозможна.

Стабилизатор с выходным напряжением меньше чем можно построить по схеме :

Здесь VD1 подключен к дополнительному источнику . Выходное напряжение

Главное, что бы обеспечивался нормальный режим VT2 по постоянному току. Здесь выходной делитель следит за изменением не выходного напряжения, а за суммой .

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность КСН и малый временной дрейф применяют дифференциальные схемы сравнения (особенно при низких выходных напряжениях).

Здесь VT2 – эмиттерный повторитель. Он создаёт напряжение Uэт’=Uэт – Uэб, а усилительный элемент(VT3) считает его эталоном. В итоге, в диагональ измерительного моста встречно включены два участка э-б, тогда температурный дрейф их токов в одинаковой степени смещает рабочие точки и дестабилизации напряжения на коллекторе VT3 не возникает.

Поскольку КСН – схемы с обратной связью, то они могут возбуждаться, т. е становиться генераторами колебаний. В этом значительную роль играют флуктуации входного напряжения (и токи нагрузки) а также инерционные свойства транзисторных каскадов. Обычно выход КСН шунтируют конденсатором С, что повышает нагрузочную способность при работе на импульсную нагрузку и повышает устойчивость. Конденсатор ограничивает полосу пропускания усилителя цепи ОС, что повышает устойчивость, но и снижает полосу пропускания КСН для дестабилизирующих воздействий. Удобно рассмотреть частотную зависимость выходного сопротивления стабилизатора —

1,2 – области нормальной работы стабилизатора

ω 0 — частота возможного резонанса LC фильтра на вход стабилизатора

ω Р — граничная частота полосы пропускания усилительного элемента (УЭ)

4 – область, определяемая частотными свойствами конденсатора нагрузки С.

Для получения малых выходных напряжений любой полярности обычно используют встречное включение двух стабилизаторов.

Здесь может быть любой полярности и величины. Выходное сопротивление выше, а коэффициент стабилизации ниже, чем у одного стабилизатора.

Стабилизаторы помимо K U , характеризуются ещё и коэффициентом сглаживания пульсаций — q, которые в общем случае не равны. Неравенство может быть в ту или другую сторону. Для повышения q , верхнее плечо следящего делителя шунтируют ёмкостью (см схему) и его коэффициент передачи K Д для пульсаций получается больше, чем для постоянной составляющей и петлевое усиление выше.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (РЭ работает в ключевом режиме).

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель(R5,R6), усилительный элемент (DA1) и ШИМ (DA2 ).

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет два состояния. При подаче управляющего импульса (U ШИМ ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U 1 через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно-модулированного сигнала) энергия дросселя передается через обратный диод VD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то возникает режим прерывистого тока дросселя, при котором конденсатор разряжается в нагрузку.

Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом передачи Kд = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования DA1 с коэффициентом передачи Kу (U e = U ОС – U ЭТ ); компаратор напряжения DA2, который формирует ШИМ — сигнал. Он равен “1”, если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения U ОС . При возрастании входного напряжения U 1 уменьшается площадь между уровнем напряжения “пилы” и U ОС , что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U 2 восстанавливается.

Источник

Стабилизаторы напряжения и тока

1 Общая классификация

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания питающих напряжений; изменения потребляемой нагрузкой мощности.

Стабилизаторы разделяют в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет нелинейности их вольт-амперных характеристик.

Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели с насыщенным ферромагнитным сердечником. Для стабилизации постоянного напряжения находят широкое применение кремниевые стабилитроны, стабисторы. В стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока – функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные стабилизаторы.

Основным параметром как параметрических, так и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока является коэффициент стабилизации.

Коэффициент стабилизации для стабилизаторов напряжения – отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора:

где ∆U_вх и ∆U_вых – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки;

соответственно U_вх, U_вых – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

Коэффициент стабилизации для стабилизаторов тока:

1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

где I_н, ∆I_н – ток и приращение тока в нагрузке соответственно.

Коэффициент К_ст.т определяется при постоянном сопротивлении нагрузки (R_н = const).

1. Коэффициент стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки

где R_н, ∆R_н – сопротивление нагрузки и приращение сопротивления нагрузки стабилизатора при постоянном входном напряжении соответственно; r_i – внутреннее сопротивление стабилизатора.

Коэффициент К_Rн определяется при постоянном входном напряжении (U_вх = const);

2 Параметрические стабилизаторы напряжения

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного напряжения используют нелинейные элементы, напряжение которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких нелинейных элементов чаще всего применяют кремниевые стабилитроны и стабисторы.

Кремниевые стабилитроны – это плоскостные диоды, изготовленные по особой технологии. Cтабилитроны работают на обратной ветви вольтамперной характеристики в области пробоя. В области пробоя незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. Однако «пробой» р—n-перехода не приводит к повреждению стабилитрона, если ток не превышает предельно допустимый.

Стабистор отличается от стабилитрона тем, что он работает на прямой ветви вольт-амперной характеристики и поэтому включается в цепь стабилизации в прямом направлении. Конструктивно стабистор представляет собой алюминиевый диск, на одну из плоскостей которого нанесен слой сплава олова с висмутом и кадмием. Селеновые стабисторы применяют для стабилизации напряжения менее 3 В. В последнее время промышленность выпускает стабисторы на основе кремния.

На рисунке 1 представлена схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне. Схема стабилизатора состоит балластного резистора R_Б (гасящего резистора), включенного последовательно с нагрузкой. Параллельно нагрузке включается стабилитрон VD.

Рисунок 1 – Схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используются нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор.

Широкое распространение получила схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе, когда затвор и исток закорочены (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе

Полевой транзистор включен последовательно с сопротивлением нагрузки. Из характеристик полевого транзистора видно, что если напряжение затвор-исток неизменно, то и ток стока полевого транзистора изменяется незначительно при изменении напряжения сток-исток.

3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием

Наиболее широкое применение получили схемы непрерывных стабилизаторов напряжения с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента в цепи постоянного тока.

В качестве основной элементной базы в стабилизаторах с непрерывным регулированием используют транзисторы и интегральные схемы в виде операционных усилителей. В настоящее время промышленность выпускает также маломощные непрерывные стабилизаторы напряжения в виде полупроводниковых микросхем.

Рисунок 3 – Структурная (а) и принципиальная (б) схемы транзисторного стабилизатора напряжения

Структурная и принципиальная схемы транзисторного стабилизатора напряжения приведены на рисунке 3. Регулирующий элемент 1 (рисунок 3, а) включается последовательно с нагрузкой на выходе. Выходное напряжение сравнивается в элементе 3 с напряжением эталонного источника 4. Отклонение напряжения от заданного значения с выхода элемента 3 воздействует через усилитель 2 на регулирующий элемент 1. С делителя напряжения R₂, R_п, R₃ (рисунок 3, б) снимается напряжение выхода, которое прикладывается к базе транзистора VT2. Одновременно с параметрического стабилизатора, составленного из сопротивления R₄ (играющего роль балластного) и кремниевого стабилизатора VD, снимается эталонное напряжение, которое подается в эмиттерную цепь транзистора VT2. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером U_б.э2 транзистора VT2 равно разности напряжений выходного и эталонного. Транзистор VT2 включен как обычный усилитель постоянного тока с общим эмиттером, где в качестве коллекторной нагрузки используется сопротивление R₁. С увеличением напряжения выхода увеличивается напряжение U_б.э2 и транзистор VT2 увеличивает коллекторный ток I_к. Соответственно уменьшается напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1, являющегося регулирующим элементом. При этом его внутреннее сопротивление увеличивается, а напряжение на выходе стабилизатора снижается. Конденсатор C₁ обеспечивает гибкую отрицательную обратную связь и служит для устранения возможных автоколебаний в системе. Конденсатор C₂ улучшает динамические свойства стабилизатора при быстрых изменениях тока нагрузки.

Стабилизатор тока (рисунок 4) имеет большое внутреннее сопротивление и его применение эквивалентно включению в коллекторную цепь транзистора VT_y очень большого сопротивления.

Рисунок 4 – Схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе

При изменении напряжения на входе, например увеличении, в первый момент увеличивается напряжение на выходе. Увеличение напряжения U_вых ведет к увеличению напряжения на нижнем плече делителя U_RII. Это, в свою очередь, приводит к увеличению положительного потенциала на базе усилительного транзистора VT_y и его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Так как ток коллектора транзистора VT2 равный сумме токов I_б1+I_ку, величина постоянная, то увеличение тока I_ку приводит к уменьшению тока базы регулирующего транзистора I_б1. Уменьшение тока I_б1, приводит к увеличению напряжения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора, и выходное напряжение уменьшается до своего первоначального значения.

Аналогично схема работает при изменении тока нагрузки и регулировки выходного напряжения.

4 Феррорезонансные стабилизаторы тока и напряжения

В качестве параметрических стабилизаторов широко применяют феррорезонансные стабилизаторы тока и напряжения, представляющие собой цепи из различных комбинаций насыщенных и ненасыщенных дросселей и трансформаторов, сопротивлений и емкостей. Их работа основана на том, что напряжение на насыщенном дросселе мало возрастает при увеличении тока, протекающего через дроссель. Индукция в ненасыщенном дросселе обычно 0,8—0,9 Тл, а в насыщенных 1,6—1,8 Тл. Нелинейная вольт-амперная характеристика таких стабилизаторов представлена на рисунке 5, а.

Рисунок 5 – Нелинейная характеристика феррорезонансного стабилизатора напряжения (а) и его схема (б)

Одна из схем феррорезонансного стабилизатора напряжения, приведена на рисунке 5, б. В этой схеме компенсационная обмотка w_комп включена таким образом, что ее напряжение вычитается из напряжения, снимаемого с автотрансформатора Т. Это приводит к уменьшению динамического сопротивления R_дин = dU/dI вольт-амперной характеристики и к улучшению стабилизационных свойств.

Феррорезонансные стабилизаторы применяют в различных системах электроавтоматики, электронной микроскопии, радиотелевизионных установках, телеметрии и т.д. Их достоинствами являются небольшая стоимость, высокая надежность в работе, легкость изготовления на широкий диапазон мощностей и отсутствие частей, которые быстро приходят в негодность при эксплуатации.

В качестве недостатка следует отметить зависимость стабилизированного напряжения от частоты питания и от cosφ нагрузки, а также несинусоидальность стабилизированного напряжения.

Источник