2.7.8 Стабилизаторы постоянного напряжения с двумя регулирующими элементами

В стабилизаторах напряжения, где требуются широ­кие пределы регулировки выходного напряжения и предъявляются жесткие требования к стабильности

Рисунок 2.63 - Структурная схема стабилизатора постоянного напряже­ния с двумя

регулирующими элементами

Структурная схема комбинированного компенсацион­ного стабилизатора постоянного напряжения с двумя по­следовательно включенными регулирующими элемен­тами изображена на рисунке 2.63. Выходное напряжение по­дается на схему сравнения СС, сравнивается с опорным, и сигнал рассогласования через усилитель УПТ воздей­ствует на регулирующий элемент 1РЭ, включенный на стороне постоянного тока после выпрямителя В. Регули­рующий элемент 1РЭ изменяет свои параметры и воз­действует на второй регулирующий элемент, включенный на стороне переменного тока 2РЭ. В качестве первого эле­мента 1РЭ используется транзистор (или электронная лампа), в качестве второго 2РЭ — магнитный усилитель. Такое включение двух регулирующих элементов умень­шает мощность, рассеиваемую регулирующим элемен­том 1РЭ на стороне

127

постоянного тока, повышает КПД источника электропитания, улучшает стабильность и уменьшает напряжение на регулирующем элементе 1РЭ.

В качестве второго регулирующего элемента могут быть использованы тиристорный регулятор, включенный на стороне переменного тока, управляемый тиристорный выпрямитель, импульсный регулятор на тиристоре и т.д.

Дополнительный материал к лекции 22 для самостоятельной работы

Стабилизатор постоянного тока вторичного электропитания РЕА компенсационные и параметрические

Стабилизаторы тока компенсационного типа находят применения преимущественно в устройствах, предназначенных для возбуждения постоянного магнитного поля. Для работы ламп бегущей волны, ламп обратной волны, клистронов и т.д. применяются «фокусирующие катушки » (соленойды), обмотки которых выполнены из медного провода. Для нормальной работы этих приборов необходимо постоянство магнитного поля и, следовательно, постоянства тока в обмотках соленойда. При отсутствии стабилизации, ток в соленойде может изменяться, как вследствие колебания напряжения сети, так и из-за изменения сопротивления обмотки соленойда, вызванного изменением температуры этой обмотки под действием протекающего по ней тока или изменением температуры окружающей среды.

Для получения более высокой стабильности тока и большего внутреннего сопротивления выполняют стабилизаторы тока с применением обратной связи, как показано на структурной схеме рисунок 2.64.

Рисунок 2. 64 - Структурная электрическая схема стабилизатора тока

Сопротивление нагрузки стабилизатора тока R_н может включаться в одно из трех мест, обозначенных цифрами на схеме рисунок 2.64. Сопротивление нагрузки стабилизатора напряжения обозначено в данном случае R_эт, а выходное напряжение стабилизатора напряжения U_эт. Это связано с тем, что в данном

128

случае сопротивление нагрузки стабилизатора напряжения играет вспомогательную роль эталонного сопротивления, по которому протекает ток нагрузки стабилизатора. Величина U_эт поддерживается неизменной, обеспечивая при постоянном R_эт неизменность тока нагрузки iн стабилизатора тока. Исходя из этих соображений, для формирования стабилизаторов тока могут быть использованы любые рассмотренные стабилизаторы напряжения с последовательным регулирующим транзистором.

В схеме рисунок 2.65 включение 3R_н в цепь эмиттера транзистора VT отличается от включения в цепь коллектора 1R и 2R . Поскольку схема стабилизирует ток эмиттера, то при включении R_н в цепь коллектора ток нагрузки будет отличаться от стабилизирующего тока на величину тока базы. Достоинство включения R_н в цепь коллектора VT состоит в возможности соединения одной из точек нагрузки с плюсом или минусовой шиной U_п.

Рисунок 2.65- Электрическая схема компенсационного стабилизатора тока

В транзисторном стабилизаторе тока в качестве регулирующего элемента используются регулирующий транзистор VT₁, которым управляет усилитель постоянного тока VT₂ и R₁. Сравнивающее устройство состоит из резисторного делителя R₃ и R _ш. и источника эталонного напряжения U_эт резистора R₂ и стабилитрона VD.

Принцип работы стабилизатора заключается в следующем. В режиме стабилизации транзистор VT₁ работает в режиме класса А, а транзистор VT₂ закрыт, так как напряжение U_эт = Uш. Допустим при увеличении тока в нагрузке стабилизатора тока Iн, приводит к увеличению тока протекающего через резистор R_ш и увеличения падения напряжения на нем U_ш. Данное напряжение сравнивается с напряжение U_эт. и оно становится больше U_эт. Транзистор VT₂ открывается и увеличивается по величине коллекторный ток транзистора VT₂. Коллекторный транзистор VT₂ протекает через резистор R_I и увеличивается падение напряжения на резисторе R_I. Это приводит к закрытию транзистора VT_I, увеличивает сопротивление перехода коллектор- эмиттер транзистора VT₁ и

129

уменьшению тока протекающего через транзистор VT₁ и через нагрузку R_н до своего первоначального значения. Индуктивность L препятствует мгновенному изменению тока нагрузки.

Следует отметить, что КПД стабилизатора тока значительно меньше, чем у

компенсационных стабилизаторов напряжения.

Стабилизация тока на микросхеме. Схема источника стабильного тока на ИМС стабилизатора напряжения приведена на рисунке 2.66 .

Рисунок 2.66 - Принципиальная схема стабилизатора тока на ИМС

При использовании в этой схеме ИСН с фиксированным выходным напряжением на резисторе R падает напряжение, равное номи­нальному выходному напряжению стабилиза­тора. Это составляет, например, для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме це­лесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например КР142ЕН12, у которого при такой схеме включения, это напряжение можно уста­новить равным 1.2 В.

Сопротивление резистора R определяется выражением

R = ( U_{вых. Ном}. / I _вых. ) , ( 2.65 )

Стабилизатор переменного напряжения. Стабилизация переменного синусоидального напряжения с сохранением низкого коэффициента гармоник представляет собой сложную техническую за­дачу. Непрерывную стабилизацию величины выходного напряжения практиче­ски без искажений можно осуществить с помощью автотрансформатора с авто­матическим электроприводом. Худшие, хотя и неплохие результаты, дает применение в качестве регулирующих элементов дросселей насыщения, управ­ляемых электронными схемами. Все это сложные дорогие системы, примене­ние которых в дешевых маломощных устройствах не оправдано. В то же время, если не требуется обеспечивать низкий уровень гармонических' искажений, можно легко стабилизировать действующее значение переменного напряжения с помощью двух линейных стабилизаторов. На рисунке 2.67 представлена схема та­кого стабилизатора на ИМС LM317.

130

Рисунок 2.67 – Схема простейшего стабилизатора переменного напряжения

По сути, он представляет собой симметричный двухполярный ограничитель напряжения. Уровень ограничения U_огр. установлен резисторами в примере на схеме рисунка 2.67. Выходное напряжение определяется усовиями

U_вых = [ U_вх, │U_вх│ <U_огр.] ; U_огр. = [ U_огр, │U_вх│ >U_огр.] ( 2.66)

График зависимости действующего выходного напряжения U_огр от амплитудного значения входного напряжения (Uм.вх ) приведен на

р исунке 2.68.

Рисунок 2.68 - График зависимости действующего значения выходного напряжения от максимального значения входного

131

Вопросы для самопроверки

1 Основное условие применения тиристорных стабилизаторов напряжения.

2 Нарисуйте структурную электрическую схему тиристорного стабилизатора

напряжения.

3 Расскажите как работает регулирующий узел в тиристорном стабилизаторе

напряжения .

4 Нарисуйте принципиальную схему тиристорного стабилизатора напряжения и

поясните принцип стабилизации.

5 Нарисуйте структурную схему стабилизатора тока.

6 Нарисуйте принципиальную схему стабилизатора тока и поясните принцип

стабилизации.

7 Нарисуйте структурную схему непрерывно – импульсного стабилизатора

напряжения.

8 Нарисуйте структурную схему стабилизатора постоянного напряжения с

двумя регулирующими элементами.

9 Из каких функциональных узлов состоит непрерывно – импульсный

стабилизатор напряжения ?

10 Каким функциональным узлом переноситься мощность от источника

электропитания в нагрузку ?

11 От какого параметра зависит переменная составляющая непрерывно –

импульсного стабилизатора напряжения ?

12 В каких стабилизаторах напряжения требуются широкие пределы

регулирования выходного напряжения ?

Примеры задач до темы лекции 22

Задача 1

Определите коэффициент стабилизации К_ст стабилизатора напряжения ( рисунок 2.67 ), если входное напряжение U_м.вх = 12 В, пределы изменения напряжения ∆U_вх = ± 1 В.

Решение : По графику ( рисунок 2.68 ) найдем выходное напряжение

U_{вых.ном} =5,3 В., пределы регулирования ∆U_вых = ± 0,05 В

Коэффициент стабилизации переменного напряжения равен

К _ст =( ∆U_вх /U_м.вх ) / (∆U_вых /U_{вых.ном} ),

К _ст = ( 1/12 ) / ( 0,05 /5,3 ) = 8,5

Задача 2

Определите выходное сопротивление источника тока на интегральной микросхеме КР142ЕН5 (рисунок 2.66 ), если R = 5 Ом.

Решение : 1 Величина нагрузочного тока в стабилизаторе тока равен

I_вых = U_{вых.ном}. / R ,

132

По микросхеме КР142ЕН5 находим выходное напряжение U_{вых.ном} =5 В.

I_вых = 5 / 5 = 1 А.

2 Выходное сопротивление стабилизатора тока равно

R_вых. = U_вых/ I_вых,

R_вых = 5 / 1 = 5 Ом.

Задачи для самостоятельной работы

1 Определите выходное сопротивление источника тока на интегральной микросхеме КР142ЕН12 (рисунок 2.66 ), если R = 2 Ом.

2 Определите коэффициент стабилизации К_ст стабилизатора напряжения ( рисунок 2.67 ), если входное напряжение U_м.вх = 11 В, пределы изменения напряжения ∆U_вх = ± 0,5 В.

Литература

1 Артомонов Б.И. , Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоустройств: Учебник для техникумов. – М.: Энергоиздат, 1982. – 296 с. с. 187…209.

2 Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого – цифровых электронных устройств. 2 – е изд. испр. – М.: Издательский дом « Додэка – ХХ1», 2007. – 528с., с.234…235.

3 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.-К.: Выща школа, 1989. с.376…377.