Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
81
К недостаткам этих стабилизаторов относятся: зависимость коэффициента стабилизации от температуры окружающей среды, низкий КПД,
особенно при каскадном включении стабилизаторов.
ВОПРОС 5. Компенсационные стабилизаторы постоянного
напряжения с регулирующим элементом непрерывного
действия
Непрерывные компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения являются наиболее распространенными в настоящее время устройствами источников вторичного электропитания. Эти стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую регулирующий элемент и цепь отрицательной обратной связи. Стабилизация
напряжения осуществляется изменением параметров регулирующего элемента при воздействии не него сигнала обратной связи.
В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно, а в стабилизаторах второго типа
- параллельно с сопротивлением нагрузки. Функциональные схемы таких
стабилизаторов показаны на рисунке 17.
В схеме на рисунке 17,а стабилизатор питается от сети постоянного
или переменного тока через выпрямитель и фильтр. Изменение входного
напряжения или тока нагрузки вызывает в первый момент изменение
напряжения на выходе схемы. Измерительный элемент ИЭ сравнивает
выходное напряжение с опорным, в результате чего на его выходе выделяется сигнал рассогласования. Этот сигнал рассогласования усиливается
усилителем У и воздействует на регулирующий элемент РЭ. Напряжение
на регулирующем элементе изменяется и компенсирует изменения выходного напряжения с определенной степенью точности.
На рисунке 17,б представлена схема параллельного стабилизатора с
непрерывным регулированием. Регулирующий элемент включен параллельно сопротивлению нагрузки. При изменении входного напряжения в
первый момент напряжение на выходе схемы U
вых
изменяется. На выходе
ИЭ появляется сигнал рассогласования между выходным напряжением и
82
опорным. Сигнал рассогласования усиливается усилителем У и подается
на вход РЭ. Изменение сигнала на входе РЭ приводит к изменению его
тока Iр, что, в свою очередь, вызывает изменения тока Iвх, потребляемого
схемой от источника питания. Изменение входного тока Iвх приводит к из-
менению падения напряжения на балластном сопротивлении Rб, в результате чего выходное напряжение возвращается к своему первоначальному
значению U
вых
= Uвх – Iвх · Rб.
Изменение тока нагрузки Iн вызывает противоположное по знаку и
равное по значению изменение тока через РЭ. Таким образом, при изменении тока нагрузки ток, потребляемый стабилизатором от источника питания, не изменяется.
Широкое применение стабилизаторов с непрерывным регулированием объясняется их высокими качественными показателями и хорошей
электромагнитной совместимостью с радиоэлектронной аппаратурой. Их
основным недостатком является относительно низкий КПД, уменьшающийся с понижением уровней выходных напряжений.
Рисунок 17 - Функциональные схемы стабилизаторов постоянного
напряжения с непрерывным регулированием:
а - с последовательным включением регулирующего
элемента; б - с параллельным.
На рисунке 18 представлена схема транзисторного стабилизатора
напряжения с последовательным включением регулирующего элемента.
Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1. Измерительный
элемент состоит из делителя напряжения, выполненного на резисторах R1,
Rп, R2 и источника опорного напряжения.
83
Источник опорного напряжения представляет собой параметрический
стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD1 и резисторе Rб. Он питается от выходного напряжения стабилизатора. Усилитель в схеме реализован на транзисторе VTу и резисторе Rу.
Принцип действия схемы заключается в следующем. При изменении
входного напряжения Uвх, например, увеличении, в первый момент увеличивается выходное напряжение U
вых
. Это приводит к увеличению положи-
тельного потенциала базы транзистора VTу, возрастанию его коллекторного тока и уменьшению положительного потенциала базы регулирующего
транзистора VT1. Транзистор VT1 подзакрывается, его коллекторный ток
уменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения стабилизатора до требуемого уровня.
В случае изменения тока нагрузки, например, его увеличения, выход-
ное напряжение в первый момент уменьшается. Положительный потенциал базы транзистора VTу уменьшается, что влечет уменьшение его коллекторного тока и возрастание положительного потенциала базы транзистора VT1. Транзистор приоткрывается, его коллекторный ток возрастает,
что приводит к увеличению напряжения на выходе до требуемого уровня.
Рисунок 18 - Схема стабилизатора напряжения с
последовательным включением регулирующего транзистора
84
Регулировка величины выходного напряжения в схеме осуществляется потенциометром Rп. При перемещении движка потенциометра в
направлении плюсовой шины стабилизатора возрастает потенциал базы
транзистора VTу, что приводит к увеличению его коллекторного тока. Это
в свою очередь ведёт к подзакрыванию регулирующего транзистора VT1 и,
как следствие, к уменьшению напряжения на выходе стабилизатора. При
передвижении движка потенциометра в другом направлении напряжение
на выходе стабилизатора увеличивается.
Таким образом регулирующий транзистор VT1 в этой схеме выполняет роль автоматического регулируемого резистора.
Важнейшими показателями качества стабилизатора, определяющими
точность его работы в установившемся режиме, являются коэффициент
стабилизации и внутреннее сопротивление.
Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на изменение выходного напряжения стабилизатора, в схемах предусматривается
температурная компенсация.
Изменение напряжения питания усилителя в значительной степени
сказывается также на стабильности выходного напряжения. Поэтому рассмотренная схема стабилизатора имеет относительно низкий коэффициент
стабилизации, так как усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения.
В настоящее время широкое применение в практике находят стабилизаторы с непрерывным регулированием в интегральном исполнении.
Отечественная промышленность выпускает ряд интегральных микросхем
серии К142ЕН на различные выходные напряжения, токи нагрузки и мощности. Широко применяются стабилизаторы типа К142ЕН1 (А,Б);
К142ЕН2 (А,Б). Стабилизаторы данного типа могут обеспечивать выходные напряжения 3...30В. Максимальная рассеиваемая мощность этими
микросхемами без теплоотвода составляет 0.7 Вт при температуре окружающей среды 50 С.
Интегральные стабилизаторы типа К142ЕН3, К142ЕН4 обеспечивают
выходные напряжения в диапазоне 3...30 В. Максимальная мощность микросхемы без теплоотвода составляет 1.4 Вт при Тс = 50 С.
85
Интегральные стабилизаторы типа К142ЕН3 и К142ЕН5Б обеспечивают фиксированные значения выходных напряжений 5 и 6 В соответственно. Максимально допустимый ток нагрузки - 3 А. Максимальная
рассеиваемая мощность для этих схем без применения дополнительного
теплоотвода составляет 1.2 Вт (при Тс =50 С).
Интегральные стабилизаторы типа К142ЕН6 обеспечивают возможность получить двухполярное выходное напряжение в диапазоне (5...25)
В. Максимальный ток нагрузки 0.2 А.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения
с регулирующим элементом импульсного действия
Самым главным недостатком, присущим компенсационным стабилизаторам с регулирующим элементом непрерывного действия является
низкий КПД, что является следствием выделения значительной мощности в регулирующем элементе в процессе регулирования. Мощность, выделяемая на регулирующем элементе, уменьшается, если он работает в
ключевом режиме. Стабилизаторы такого типа получили название импульсных. Регулирующие транзисторы в импульсных стабилизаторах работают
как переключающие элементы: это и объясняет высокие энергетические
показатели этих устройств.
Коэффициент полезного действия импульсных стабилизаторов может
достигать 70...75% при выходном напряжении 5В, при этом их удельная
мощность составляет 120...250 Вт/дм3. Применение современной элементной базы позволяет осуществить преобразование энергии на частотах до
нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше. Работа импульсных
стабилизаторов на повышенных частотах позволяет уменьшить объем и
массу электромагнитных элементов и емкость конденсаторов, и тем самым
повысить удельные объемно-массовые показатели устройства.
В импульсных стабилизаторах применяется три способа регулирования: широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки)
86
изменяется; частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммута-
ции не постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения
(отсечки) постоянно; двухпозиционный (релейный), при котором и период и относительное время, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются. Наибольшее применение в практике находят
импульсные стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и двухпозиционные.
На рисунке 19 приведена функциональная электрическая схема стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией. Принцип работы схемы
заключается в следующем. Выпрямленное напряжение через фильтр или
непосредственно с выпрямителя подается на регулирующий элемент РЭ,
а затем через фильтр Φ, на выход стабилизатора. Выходное напряжение
стабилизатора U
вых
сравнивается с опорным напряжением Uоп, а затем сиг-
нал разности U подается на вход усилителя постоянного тока УПТ. Уси-
ленный сигнал поступает на модулирующее устройство МУ, преобразующее сигнал постоянного тока в импульсы с определенной длительностью.
Длительность импульсов изменяется пропорционально сигналу разности
между опорным и измеренным напряжениями. С модулирующего устрой-
ства сигнал поступает на регулирующий элемент РЭ, который периоди-
чески переключается. Среднее значение напряжения на выходе РЭ зави-
Рисунок 19 - Функциональная электрическая схема
импульсного стабилизатора с широтно-импульсной
модуляцией
сит от соотношения между времени tи, в течение которого он находится в
открытом состоянии, и длительностью периода Т:
87
и
0
вхр
;)(
1
t
с
dttu
Т
U
(33)
где uвх(t) - входное напряжение стабилизатора.
При uвх(t) = Uвх = const из (33) получаем Uср = Кз ·Uвх,
где Kз =tи/T - коэффициент заполнения.
При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока с выхода УПТ, а, следовательно, и соотношение
между паузой и импульсом. В результате среднее значение выходного
напряжения почти возвращается к первоначальному значению.
Как следует из принципа действия импульсного стабилизатора регулирующий элемент в нем в отличие от стабилизатора с регулирующим элементом непрерывного действия, находится в двух крайних состояниях:
насыщения и отсечки. В режиме насыщения ток коллектора ограничен
лишь внешним сопротивлением, падение напряжения на транзисторе
мало, а входное напряжение Uвх практически полностью приложено к
сопротивлению нагрузки. В состоянии отсечки сопротивление транзистора очень велико и ток через него практически не протекает. В результате
почти все входное напряжение приложено к промежутку коллектор-эмиттер транзистора.
Характеристики транзистора в ключевом режиме (рисунок 20) представляют двумя кривыми: первая из них соответствует открытому транзистору (ее наклонный участок - состоянию насыщения); вторая - закрытому
транзистору и имеет очень малый наклон до напряжения пробоя. Рабочими участками характеристики являются наклонный участок кривой 1 и
пологий участок кривой 2. Область, заключенную между этими кривыми
называют активной областью транзистора. В пределах этой области ток
базы обладает управляющим действием.
Рисунок 20 - Характеристики транзистора в ключевом режиме
88
И в состоянии отсечки и в состоянии насыщения мощность, выделяемая на транзисторе в процессе регулирования, мала, так как либо ток, либо
напряжение транзистора малы. В активную область рабочая точка попадает в процессе переключения (коммутационный процесс), в это время
мгновенная мощность, рассеиваемая на транзисторе, может быть велика.
Уменьшить эту мощность можно сокращением времени перехода транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения. Поэтому в практических целях всегда стремятся обеспечить минимальные времена перехода
регулирующего транзистора из открытого в закрытое состояние и обратно.
Энергия, выделяющаяся в насыщенном транзисторе, пропорциональна квадрату проходящего через него тока:
,
ин
2
к.наснас
trIW
(34)
где rн - сопротивление нагрузки.
За время закрытого состояния транзистора (T-tи) на нем выделяется
энергия:
W
отс
= Uвх · I
к.отс
(T - tи), (35)
где I
к.отс
- неуправляемый ток коллекторного перехода в состоянии отсечки;
Uвх - напряжение, приложенное к закрытому транзистору.
По определению потери энергии из-за коммутационных процессов:
вкл выкл
0 0
кэккэкком
,)'()'()()(
Т Т
dttutidttutiW
(36)
где T
вкл
и T
выкл
- соответственно времена перехода транзистора из закрытого
состояния в открытое, и наоборот из открытого в закрытое.
Полная мощность потерь в транзисторе, работающем в ключевом ре-
жиме,
P
пот
= W/T = (W
нас
+ W
отс
+ W
ком
)/T. (37)
Поскольку регулирующим фактором в ключевых стабилизаторах яв-
ляется время tи, они малочувствительны к воздействию температуры и к
изменению параметров транзисторов. Наряду с описанными достоинства-
89
ми компенсационным стабилизаторам с регулирующим элементом им-
пульсного действия присущи недостатки, ограничивающие их применение. К недостаткам относятся:
а) большие пульсации выходного напряжения, в результате чего
необходимы громоздкие сглаживающие фильтры;
б) недостаточное быстродействие (сказывается реакция стабилиза-
тора лишь через полпериода);
в) плохие параметры при работе на динамическую (импульсную)
нагрузку.
Необходимость применения сглаживающего фильтра приводит к
тому, что в контур обратной связи оказываются включенными реактивные
элементы с большими постоянными времени. Наличие таких инерционных
звеньев вызывает значительные фазовые сдвиги в цепи обратной связи, что
делает схему стабилизатора неустойчивой. Вследствие этого усиление в
цепи обратной связи во избежание самовозбуждения схемы не может быть
высоким. Таким образом, ввиду низкого усиления коэффициент стабилизации импульсных стабилизаторов не может быть большим.
Из-за резких отсечек тока при коммутации регулирующего элемента
и возможных переходных процессов импульсный стабилизатор может являться источником высокочастотных помех. Эту особенность следует учитывать при конструировании импульсных стабилизаторов, особенно сильноточных.
Свойственные ключевому режиму особенности делают стабилизаторы напряжения с таким режимом работы наиболее перспективными в
случаях, где на первое место выступают требования высокой экономичности и надежности, малых габаритов и малой чувствительности к колебаниям температуры. В первую очередь это относится к разнообразным портативным и переносным устройствам, предназначенным для работы в
сложных климатических условиях. Кроме того, такие стабилизаторы могут
с успехом применяться при питании нагрузок типа накала радиоламп, где
требования к пульсации и выходному сопротивлению имеют второстепенное значение.
90
Если же от стабилизатора требуется высокая точность стабилизации
и быстродействие, а КПД и габариты не играют решающей роли, то предпочтительнее использовать непрерывный режим работы регулирующего
элемента.
Контрольные вопросы
1. Что называется пульсацией выпрямленного напряжения?
2. Что является причиной возникновения пульсаций?
3. Какую задачу решают электрические сглаживающие фильтры?
4. На чем основан принцип действия электрических сглаживающих
фильтров?
5. Классификация электрических сглаживающих фильтров.
6. Записать выражение для коэффициента сглаживания
электрического сглаживающего фильтра и пояснить смысл его
составляющих.
7. Пояснить принцип действия индуктивного сглаживающего филь-
тра.
8. Достоинства и недостатки индуктивного фильтра.
9. Изобразить схему трехфазного двухтактного двухполупериодного
диодного выпрямителя с CLC-фильтром.
10. Пояснить принцип действия емкостного сглаживающего фильтра.
11. Достоинства и недостатки емкостного сглаживающего фильтра.
12. Пояснить принцип действия индуктивно-емкостного
сглаживающего фильтра.
13. Достоинства и недостатки индуктивно-емкостного фильтра.
14. Пояснить принцип действия электронных сглаживающих филь-
тров.
15. Определить коэффициенты пульсаций на выходе однофазного од-
нотактного однополупериодного и трехфазного двухтактного двухполупериодного выпрямителей с фильтром, если коэффициенты сглаживания в
обоих случаях равны 10.
16. Причины нестабильности напряжения питающей сити.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]