Компенсационный стабилизатор

3.1 Цель работы

Ознакомление с принципом действия и построения схем компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения с использованием пакета Electronics Workbench, а также освоения методики расчета одной из схем стабилизаторов постоянного напряжения.

3.2 Теоретическое введение

Стабилизатором напряжения (СН) называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки.

В качестве стабилизаторов постоянного напряжения (СН) используются непрерывные (линейные) и импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН). В данной работе будут рассмотрены и изучены некоторые схемы непрерывных (линейных) стабилизаторов постоянного напряжения.

Основным параметром, характеризующим работу стабилизатора, является коэффициент стабилизации, равный отношению относительного изменения напряжения на входе к отрицательному изменению напряжения на выходе стабилизатора. Коэффициент стабилизации по напряжению равен:

К_СТ.U = (1)

где: ΔU_ВХ =U_ВХ.МАХ -U_ВХ.МIN , ΔU_ВЫХ =U_{ВЫХ.МАХ} -U_ВЫХ.МIN ;

U_ВХ.НОМ и U_{ВЫХ.НОМ} - номинальное значение напряжения на входе и выходе стабилизатора.

Для различного типа стабилизаторов коэффициент стабилизации может меняться в широких пределах - от единиц до тысяч.

По точности поддержания стабилизируемой величины стабилизаторы подразделяют на группы:

1) низкой точности, с нестабильностью выходной величины более 2,5%

2) средней точности - от 0,5 до 2,5%

3) высокой точности - от 0,1 до 0,5%

4) прецизионные - менее 0,1%

Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение приращения напряжения на входе стабилизатора к вызвавшему его приращению тока нагрузки при постоянстве входного напряжения и других дестабилизирующих факторов

R_i.СТ = - ΔU_Н / ΔI_Н (2)

Знак "-" показывает, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение (напряжение на нагрузке U_Н) уменьшается, и наоборот, с уменьшением тока нагрузки, выходное напряжение увеличивается. Зная внутреннее сопротивление, можно опре-

делить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать значения тысячных долей Ома.

Коэффициент полезного действия (к.п.д) стабилизатора может быть определен как

= (3)

где I_Н - ток нагрузки;

I_ВХ - входной ток стабилизатора;

U_ВХ.НОМ и U_{ВЫХ.НОМ} - номинальные значения входного и выходного напряжения.

Линейные стабилизаторы подразделяют на параметрические и компенсационные.

Среди линейных стабилизаторов постоянного напряжения наибольшее распространение получили так называемые компенсационные стабилизаторы.

Их подразделяют на две основные группы:

1 – с последующим регулирующим элементом

2 – с параллельным регулирующим элементом

Принцип работы компенсационных стабилизаторов может быть описан эквивалентными схемами на рис.1.

а) б)

Рис.1 Эквивалентные схемы последовательного (а) и параллельного

(б) компенсационных стабилизаторов

На рис. 1а приведена эквивалентная схема, соответствующая схеме с последовательным регулирующим элементом, в качестве которого исполь­зуют реостат R_P. Сопротивление реостата регулируют таким образом, чтобы при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки R_Н напряжение на выходе не изменилось. Очевидно, что увеличение вход­ного напряжения или сопротивления нагрузки требует увеличение сопро­тивления R_Р, а их уменьшение соответствующего уменьшения R_Р.

В схеме рис.1б последовательно с нагрузкой включено добавочное сопротивление R_Д, а параллельно нагрузки потенциометр R_Р. Для поддер­жания выходного напряжения неизменным, сопротивление выходной ветви потенциометра должно уменьшаться при увеличении входного напряжения или сопротивления нагрузки, и увеличиваться при их уменьшении. Наличие добавочного сопротивления R_Д в схеме аналогично назначению балласт­ного резистора, в параметрическом стабилизаторе.

Более широкое распространение в промышленной электронике получили схемы компенсационных стабилизаторов с последовательным регули­руемым элементом.

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения (КСН)

с последовательным регулируемым элементом приведена на рис.2. Регули­руемый элемент с управляемым входом включен между источником входного нестабилизированного напряжения (напри­мер с выпрямительного устройства) и нагрузкой, подключаемой к стабилизируемому выходу. Стабилизатор содержит контур отрицательной обратной связи (ООС), представляющий собой усилитель рассогласования, один из выходов которого подключен к измерительному элементу, который реагирует на отклонения выходного напряжения от номинального значения, второй вход усилителя связан с источником опорного напряжения. Выход усилителя непосредственно воз­действует на управляющий выход регулируемого элемента.

Рис. 2 КСН с последовательно – регулируемым элементом.

Усилитель рассогласования реагирует на разность между опорным напряжением и выходным напряжением стабилизатора (или его частью). Эту разность на­зывают сигналом рассогласования. Усиленный усилителем сигнал рассо­гласования, подаваемый на управляющий вход регулирующего элемента, изменяет сопротивление последнего так, чтобы препятствовать любым изменениям выходного напряжения стабилизатора, какими бы причинами оно не вызывалось. Усилитель и источник опорного напряжения (ИОН) образуют схему управления стабилизатора.

В транзисторных электронных стабилизаторах в качестве регулируемых элементов используют транзисторы, сопротивление которых может изменяться в широких пределах при изменении напряжения базы. Усилитель рассогласования также выполняют на транзисторе, а в ка­честве источника опорного напряжения используют параметрический ста­билизатор на стабилитроне. В качестве измерительного элемента используют усилитель выходного напряжения, выполненный на резисторах.

Одна из схем КСН приведена на рис.3

Схема КСН представляет собой эмиттерный повторитель на тран­зисторе VT1, который охвачен цепью обратной связи, состоящий из реостатного делителя R₃, R₄, R₅ и усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на транзисторе VT2 с коллекторной нагрузкой R_К. Ис­точником опорного напряжения в схеме служит параметрический стаби­лизатор напряжения, выполненный на резисторе R_Б и стабилитроне VD1. Входное напряжение для рассматриваемой схемы КСН для его нормальной работы должно превышать его выходное значение на 5÷10В.

Рис. 3 КСН с последовательным регулирующим элементом

Принцип действия стабилизатора следующий:

Выходное напряжение стабилизатора U_ВЫХ поступает на одну из диагоналей моста, в одно плечо которого включен стабилитрон VD1, во второе резистор R_Б, а третье и четвертое плечи образованы резисторами R₃ т R₅ реостат­ного делителя. В диагональ моста включен эмиттерный переход усили­тельного транзистора VT2. Так как напряжение на стабилитроне ста­бильно, то при изменении выходного напряжения U_ВЫХ изменяется падение напряжения между диагоналями моста (между точками подключе­ния эмиттера и базы транзистора.). Если по какой - либо причине напряжение U_ВЫХ увеличивается, то напряжение база - эмиттер транзи­стора VT2 возрастает, возрастает также ток базы VT2 и соответствен­но увеличивается ток его коллектора. Это приводит к увеличению на­пряжения на резисторе R_К и к уменьшению тока базы транзистора VT1. Сопротивление регулируемого транзистора возрастает, также возрастает падение напряжения между его коллектором и эмиттером, и выгодное напряжение стабилизатора уменьшается, т.е. величина выходного напря­жения стабилизатора возвращается к первоначальной. Аналогично происходит процесс и при уменьшении выходного напряжения.

Рассмотрим кратко процесс, происходящий при изменении величины сопротивления нагрузки стабилизатора. Допустим, что величина сопро­тивления нагрузки уменьшилась. Ток нагрузки возрастает, выходное на­пряжение стабилизатора уменьшается. Опять происходит в схеме тот же рассмотренный выше процесс, и выходное напряжение возвращается к номинальной величине, т.е. изменения входного напряжения и сопро­тивления нагрузки в значительной степени компенсируются.

Важным в схеме КСН является возможность точной регулировки его выходного напряжения. Изменяя сопротивление переменного резис­тора R₄, мы тем самым изменяем сопротивление двух плеч моста, изменяем потенциал базы управляющего транзистора VT2 и соответ­ственно выходное напряжение. В схемах параметрических стабилизаторов за исключением отдельных случаев, возможность регулировки выходного напряжения отсутствует. В УПТ (транзистор VT2) используют транзисторы с большим коэффициентом усиления по току (h_21Э), a в качестве регу­лируемого транзистора VT1 необходимо выбирать транзистор, у которого допустимый ток коллектора превышает ток нагрузки стабилизатора. Как и в предыдущей схеме при значительных токах нагрузки, регулируемый транзистор должен ставиться на теплоотвод. Также тепловая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, должна быть меньше, чем мак­симально допустимая мощность регулируемого транзистора. Как и в предыдущей схеме, желательно в качестве регулируемого транзистора использовать составной транзистор.

Следует указать, что схема электронного стабилизатора отличается весьма малой инерционностью и реагирует не только на медленные, но и на быстрые изменения напряжения. Поэтому электронный стабилизатор одновременно выполняет и роль сглаживающего фильтра. Электролити­ческие конденсаторы С₁ - С_З ставятся в схему для дополнительного сглаживания пульсаций напряжения. Конденсатор C₁ не обязателен в схеме, если в выпрямительном устройстве ставится сглаживающий фильтр.

В данной схеме (рис.3) регулируемый элемент (VT1) подключен к отрицательному полюсу входного напряжения. Плюсовая шина в данном стабилизаторе является общей для выхода и входа стабилизатора. Такой стабилизатор называют стабилизатор отрицательного напряжения. В схеме применены транзисторы p-n-p типа. Если же регулируемый элемент подключен к положительному полюсу источника входного напряжения, та­кая схема называется стабилизатор положительного напряжения. В об­щем случае в стабилизаторе положительного напряжения применяются транзисторы n-p-n типа. Коэффициент стабилизации К_СТ схемы может составлять десятки единиц, а для получения больших его значений мож­но применять многокаскадные УПТ. Часто в качестве УПТ в КСН приме­няют ОУ, имеющие большой коэффициент усиления.

Существенным недостатком данной схемы является то, что входное напряжение U_ВХ используется для питания усилителя постоянного тока (усилителя рассогласования). Это резко снижает коэффициент стабили­зации схемы по напряжению из-за прямой связи базы силового тран­зистора VT1 с входным напряжением через резистор R_К.

Поэтому в технике часто применяется схема, где питание УПТ стабилизатора и базовой цепи регулируемого транзистора осуществля­ется стабилизированным напряжением отдельного источника питания U_ВХ (рис.4). В остальном работа схем осуществляется также, как и в предыдущем случае. Применение отдельного источника в схеме КСН поз­воляет повысить К_СТ схемы до сотен единиц.

Отдельный источник стабилизированного питания представляет собой параметрический стабилизатор, выполненный на резисторе R₁ и стабилитроне VD2.

Рис 4. Схема КСН с дополнительным источником питания

Помимо компенсационных стабилизаторов на дискретных элемен­тах, существует ряд стабилизаторов, реализованных в интегральном испол­нении.

Структурная схема одного из интегральных КСН приведена на рис.5. Он имеет тот же принцип работы, что и КСН на транзисторах. Отличия заключается в наличии схем зашиты от перегрева интегральной микросхемы и перегрузки по выходу.

Рис.5. Структурная схема интегрального КСН

В настоящее время находят применение универсальные (рис.6 а) и стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением (рис.6 б).

Универсальные стабилизаторы обладают возможностью регулирования выходного напряжения.

а) б)

Рис.6 Схемы включения интегральных стабилизаторов серии К142

Конденсаторы C₁ и С₂ образуют входной и выходной фильтры, их емкость выбирается в диапазоне 4,7 ÷ 47 мкФ. Входное напряжение схем стабилизаторов на ИМС должно быть на 5 ÷ 15 В выше величины выходного напряжения. Ток нагрузки интегральных стабилизаторов составляет до единиц ампер. При больших токах нагрузки стабилиза­торы должны быть установлены на охлаждающие радиаторы.