4. Стабилизаторы постоянного напряжения

4. Общие сведения

Стабилизатор – устройство автоматического поддержания в заданных пределах напряжения или тока при воздействии дестабилизирующих факторов (напряжение, ток, температура, давление, влажность и пр.). Стабилизатор обязательно должен иметь регулирующий орган (регулирующий элемент – РЭ). В зависимости от способа включения РЭ относительно нагрузки, стабилизаторы делятся на параллельные и последовательные. В зависимости от того чем управляется РЭ различают стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах управление РЭ производится тем же внешним воздействием, которое нарушает постоянство выходной величины. В них используются нелинейные свойства характеристик РЭ (вольт-амперных, ампер-вольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.). В качестве РЭ применяются стабилитроны, терморезисторы, дроссели насыщения и пр.

В компенсационных стабилизаторах управление РЭ производится отклонением выходной величины от заранее заданного значения независимо от того, чем вызвано это отклонение. В этих стабилизаторах обязательно имеется эталонный источник и цепь обратной связи.

Стабилизаторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению в номинальном режиме:

(4.1)

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора:

при (4.2)

3. Температурная нестабильность:

или (4.3)

При ; .

4. Коэффициент сглаживания пульсаций:

, (4.4)

где – амплитуда пульсаций.

Если пульсации считать нестабильностью входного напряжения определённой частоты, то q должен быть равным K_U, но обычно это не выполняется в компенсационных стабилизаторах из-за частотных свойств цепи обратной связи, поэтому q ≠ K_U.

5. Коэффициент полезного действия: (4.5)

Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока. В качестве регулирующего элемента наиболее широко применяют стабилитроны, в которых используется обратный участок ВАХ – участок пробоя. Простейший параметрический стабилизатор состоит из балластного резистора R₀ и стабилитрона VD (рис. 4.1). При заданных минимальных и максимальных значениях рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего (линейного) участка.

Рисунок 4.1 – Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

Коэффициент стабилизации этой схемы по входному напряжению:

, (4.6)

где - коэффициент передачи постоянной составляющей;

r_d – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Коэффициент полезного действия стабилизатора:

(4.7)

КПД зависит от диапазона стабилизации и находится в пределах 30…50% поскольку велики потери в балластном резисторе . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора может быть увеличен:

• каскадным (последовательным включением параметрических стабилизаторов;

• использованием мостовой схемы;

• включением вместо резистора R₀ токостабилизирующего двухполюсника.

Компенсационные стабилизаторы напряжения. Это более сложные устройства, где обязательно присутствуют источник эталонного напряжения и цепь отрицательной обратной связи (ООС). На рисунке 4.2 представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрерывного действия с последовательным РЭ.

Рисунок 4.2 – Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения

Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ – на транзисторе VT2, источником эталонного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R₂ задает рабочую точку стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R₃, R₄. При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени возрастает напряжение на нагрузке U₂ и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R₄. Напряжение ошибки U_ увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится более положительным. Транзистор VT2 приоткрывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По закону Кирхгофа для узла: I_б1 = I₁ – I_K2 , поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения ∆U_КЭ1 увеличивается и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Компенсационный стабилизатор – это система автоматического регулирования с ООС. Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются: изменение тока нагрузки, температура и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки U, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. В зависимости от U изменяется состояние РЭ, за счет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U _ВЫХ.

Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого усиления :

(4.8)

где – коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

– коэффициент усиления по току транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то , где – сопротивление ОС, – входное сопротивление операционного усилителя;

K_р=β₁ – коэффициент передачи по току транзистора РЭ.

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

1. Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ операционного усилителя. При этом, повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы. Включение цепей коррекции (интегрирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. Для увеличения коэффициента усиления Ку можно увеличить сопротивление нагрузки УПТ – R₁ (рис. 4.2) и, соответственно, напряжение питания, подавая его на УПТ от отдельного внешнего источника.

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

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя (схема “с двумя эталонами”), при этом повышается чувствительность стабилизатора, но усложняется регулировка выходного напряжения.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения. Импульсный стабилизатор напряжения (рис 4.3) включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель(R5,R6),

Рисунок 4.3– Импульсный стабилизатор постоянного напряжения (а)

и эпюры, поясняющие его работу(б)

усилительный элемент (DA1) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ-DA2). Силовой контур импульсного стабилизатора имеет два состояния. При подаче управляющего импульса (U_ШИМ) на силовой ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U₁ через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается энергия в дросселе фильтра L. При размыкании ключа 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 только 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=R2/R3 (U = 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 U₁ 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. U₀₂ восстанавливается.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия коэффициент стабилизации также определяется выражением (4.8), в котором: , где – размах напряжения генератора пилы.