43. Компенсаційні стабілізатори напруги і струму з беззупинним регулюванням. Принцип побудови і регулювання. Область застосування.

Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.

Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и нагрузку (R_Н). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U₂. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (U_ЭТ). Напряжение обратной связи (U_ОС) снимается с нижнего плеча ДН (R_Д2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение U_ОС и U_ЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение ( сигнал ошибки Ue=U_ОС-U_ЭТ), что приводит к изменению тока управления (I_У) и изменению падения напряжения на РЭ (U_РЭ). Напряжение на выходе (U₂) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U₁) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Ue), уменьшение тока управления (I_У) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.

Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из-за возможных перегрузок РЭ по току.

Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ:

При возрастании входного напряжения U₁ в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U₂ и, следовательно U_ОС. Последнее приводит к возрастанию напряжения ошибки Ue, тока управления I_У и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе U_Rб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД изза потерь на балластном резисторе R_б, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.

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 усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции (интегродифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U₁ 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 U₁, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R₁ и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для увеличения коэффициента усиления УПТ можно увеличить сопротивление нагрузки R₁ и, соответственно, напряжение питания и подавать его на УПТ от отдельного внешнего источника с большим уровнем напряжения.

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

При возрастании входного напряжения U₁ напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения между базой и эмиттером транзистора VT1. При этом выходной ток стабилизатора тока (I_K1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня напряжения обратной связи.

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

44. Компенсаційні стабілізатори напруги і струму з імпульсним регулюванням. Принцип побудови і функціонування. Понижуючі, що підвищують і полярно-інвертуючи схеми: принцип дії, часові діаграми, розрахункові співвідношення.

Существуют три схемы, используемые для а) понижения (выходное напряжение меньше входного), б) повышения (выходное напряжение больше входного) и инвертирования (полярность выходного напряжения противоположна полярности входного) напряжения. Затем мы сделаем радикальный шаг - опишем «еретические» (и наиболее широко используемые) схемы, работающие прямо от шины питания с в прямленным напряжением без изолирующего трансформатора. Оба вида источников питания сейчас широко используются, поэтому наш подход достаточно практичен (правда, не совсем педагогичен). В заключение мы дадим массу советов: когда использовать «импульсники», когда следует избегать их; когда проектировать свои собственные и когда покупать их. Короче говоря, мы постараемся развеять все ваши сомнения.

Понижающий стабилизатор. На рис. 3 показана основная понижающая импульсная схема; обратная связь для простоты не показана. Если МОП-ключ замкнут, то к индуктивности прикладывается напряжение U_вых - U_вх , которое вызывает появление линейно увеличивающегося тока (вспомним dI/dt = U/L) в индуктивности. (Этот ток течет, конечно, к нагрузке и конденсатору). Когда ключ открывается, ток индуктивности продолжает протекать в том же направлении (вспомните, что индуктивности не могут сразу же изменить свой ток, как это следует из последнего уравнения) теперь уже через ограничивающий диод. Выходной конденсатор работает как энергетический «маховик», сглаживая неизбежно возникающие пилообразные пульсации (чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации). Ток индуктивности выделяет на ней напряжение U_вых - 0,6U, при этом ток начинает линейно убывать. Соответствующие формы тока и напряжения показаны на рис. 2. Для того чтобы завершить схему и придать ей вид стабилизатора, вы должны, конечно, добавить обратную связь, которая будет управлять либо длительностью импульсов (при постоянной частоте повторения), либо частотой повторения (при постоянной длительности импульсов) по выходу усилителя ошибки, сравнивающего выходное напряжение с эталонным.

Рис. 3. Понижающий импульсный источник питания.

Рис. 4.

Повышающий стабилизатор; инвертирующий стабилизатор. За исключением высокого КПД понижающий импульсный стабилизатор, рассмотренный в предыдущем параграфе, не имеет существенных преимуществ (только существенные недостатки - число компонент, шум переключения) перед линейным стабилизатором. Однако импульсные источники становятся по-настоящему весьма притягательными, когда необходимо, чтобы выходное напряжение было больше входного нестабилизированного или когда полярность выходного напряжения должна быть обратной полярности входного нестабилизированного. На рис. 5 показаны основные схемы повышения (или «подъема») и инвертирования напряжения.

Рис. 5. Две схемы переключающего элемента: а - повышающая; б - инвертирующая.

Повышающую схему мы уже показывали на рис. 6.39,а для сравнения с линейным стабилизатором. Когда ключ замкнут (точка х вблизи земли), ток в индуктивности возрастает; когда ключ разомкнут, напряжение в точке х быстро возрастает, поскольку индуктивность пытается сохранить величину тока. Диод открывается и индуктивность «накачивает» ток в конденсатор. Выходное напряжение может быть много больше входного.

Инвертирующая схема показана на рис. 5,б. Когда ключ замкнут, от точки х к земле протекает линейно возрастающий ток. Для того чтобы сохранить ток при размыкании ключа, индуктивность «тянет» точку в отрицательную область настолько, насколько это необходимо для сохранения тока. Однако ток теперь втекает в индуктивность через сглаживающий конденсатор. Выход, таким образом, будет отрицательным, а его среднее значение будет больше или меньше величины входного напряжения (что определяется обратной связью); другими словами, инвертирующий стабилизатор может быть как повышающим, так и понижающим.