4.2.2 Параметрические стабилизаторы напряжения переменного тока

Простейшим из них является ферромагнитный стабилизатор, в котором роль РЭ играет дроссель с насыщающимся сердечником. Схема стабилизатора приведена на рис.4.12а.

Рисунок 4.12 – Ферромагнитный стабилизатор

На этом рисунке: L_Л – линейный дроссель, L_Н – нелинейный дроссель. Связь между током и напряжением для них (ВАХ) приведены на рис.4.12б и повторяет кривую намагничивания соответствующего сердечника . Результирующая ВАХ линейного и нелинейного элементов получается путём их сложения по напряжению. При увеличении входного напряжения происходит его ограничение на нелинейном элементе. Избыток гасится на линейном дросселе. Форма напряжения искажается – появляются нечётные гармоники. КПД стабилизатора находится на уровне 0,4…0,6; коэффициент мощности – 0,3…0,5, то есть довольно низкий, поэтому ферромагнитные стабилизаторы практического применения почти не нашли и применяют феррорезонансные стабилизаторы, использующие резонанс токов. Схема такого стабилизатора приведена на рис. 4.13а.

Рисунок 4.13 – Феррорезонансный стабилизатор (а) и вольтамперная характеристика нелинейного контура (б)

При увеличении входного напряжения от нуля, увеличивается ток через линейный конденсатор (С) и через нелинейный дроссель (Lн). В момент их равенства ток, потребляемый контуром (I) равен нулю – точка (А) это точка резонанса. Выше точки А характер входного сопротивления контура становится индуктивным – это рабочий участок характеристики. Угол наклона её меньше, чем у отдельного дросселя насыщения, следовательно, стабильность выходного напряжения будет выше, чем у ферромагнитного стабилизатора. Поскольку напряжение снимается с контура, то его форма близка к гармонической. Феррорезонансные стабилизаторы чувствительны к изменению частоты, так при , но они имеют простую схему, надёжны, КПД достигает 90%, устойчивы к промышленным помехам и перегрузкам по току, обладают высокой механической прочностью. Коэффициент стабилизации по напряжению 15…30. Эти стабилизаторы были очень популярны во второй половине прошлого века и выпускались на выходные мощности до 10квт. На смену феррорезонансным пришли тиристорные стабилизаторы, которые не были помехоустойчивыми и сами являлись источниками помех. В настоящее время вопросы помехоустойчивости РЭА становятся очень актуальными и разработчики вспомнили про добрые, феррорезонансные стабилизаторы, несмотря на их не очень привлекательные массогабаритные характеристики.

3. Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока

Высокие коэффициент стабилизации и качество выходного напряжения можно получить только с помощью стабилизатора компенсационного типа. Это устройство с обратной связью. Его структурная схема приведена на рис.4.14.

Рисунок 4.14 – Структурная схема компенсационного стабилизатора

На рисунке обозначено:

РЭ - регулирующий элемент (транзистор);

ИЭ – измерительный элемент;

УЭ – усилительный элемент (усилитель постоянного тока –УПТ).

При изменении входного напряжения или тока нагрузки ИЭ измеряет выходное напряжение, сравнивает его с эталонным и вырабатывает сигнал рассогласования (ошибки), который усиливается УЭ и управляет РЭ так, что бы свести ошибку к нулю. Избыточное входное напряжение гасится на РЭ и рассеивается в виде тепла. Принципиальная схема стабилизатора, соответствующая структурной схеме (рис.4.14) показана на рис.4.15.

Рисунок 4.15 – Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения (КСН)

РЭ выполнен на транзисторе VT1, включенным по схеме ОК с нагрузкой R_H ; ИЭ выполнен в виде моста, левое плечо которого составляет эталонный источник – R₄ VD1, а правое плечо – следящий делитель R₂ R₃. В диагональ моста включен участок э – б усилительного транзистора VT2 (УЭ), выполненного по схеме ОЭ с нагрузкой R₁. В состоянии покоя мост сбалансирован, напряжение в диагонали моста равно нулю, транзисторы VT1 и VT2 находятся в активном режиме.

Схема работает следующим образом: если U_ВХ возросло, то это увеличение передаётся на базу VT1, он приоткрывается и возрастает напряжение на нагрузке R_H, возрастает ток следящего делителя и падение напряжения на R₃. Потенциал эмиттера VT₂ фиксирован стабилитроном и повышение потенциала базы приводит к приоткрыванию транзистора VT₂ , напряжение на его коллекторе снижается, значит уменьшается потенциал базы VT ₁, а это вход эмиттерного повторителя, следовательно, уменьшится и напряжение на нагрузке R_H. Аналогично схема работает при изменении тока нагрузки. Например, схема находится в состоянии покоя, мост сбалансирован. Пусть ток нагрузки увеличился, увеличилось падение напряжения на регулирующем элементе VT1, уменьшилось напряжение на нагрузке R_H и на следящем делителе R₂ , R₃. Уменьшился потенциал на базе VT₂, который призакрывается, возрастает потенциал его коллектора т.е. потенциал базы VT ₁, а это вход эмиттерного повторителя, следовательно, увеличится и напряжение на нагрузке R_H. Баланс измерительного моста восстанавливается.

Если КСН представить как систему автоматического регулирования (рис.4.16) с коэффициентами передачи звеньев по напряжению , то их произведение называется петлевым усилением, т.е.

. (4.15)

Рисунок 4.16 – Схема замещения КСН

Для приращений сигналов справедливы следующие рассуждения и выводы. Если цепь ОС разорвать, то изменения выходного напряжения

. (4.16)

Поэтому, для достижения высокой стабильности должен быть возможно меньше. Это является важной предпосылкой для построения стабилизатора. Если замкнуть цепь ОС, то процесс регулирования можно представить следующей системой уравнений:

(4.17)

Знак минус в первом уравнении говорит о том, что обратная связь – отрицательная.

Решим систему относительно :

(4.18)

Выражение (4.18) называется основным уравнением стабилизатора в установившемся режиме. Очевидно, что для малого изменения выходного напряжения петлевое усиление должно быть возможно большим, но ;, поэтому необходимо иметь .Увеличение , его стремление к единице определяется приближениемк. Наоборот, чем ниже, тем меньшеи, если, тои цепь обратной связи разрывается. Поэтомунельзя выбирать слишком малым или близким к нулю. Для повышенияможнозашунтировать конденсатором, или вместо резисторапоставить стабилитрон ( так называемый, второй эталон -), тогда, аи его регулировка невозможна.

Петлевое усиление можно поднять путём замены транзистора VT2 операционным усилителем, а резистора R₁ – токостабилизирующим двухполюсником (см. разд. 4.2.1, рис. 4.8).

Коэффициент сглаживания пульсаций может отличаться от коэффициента стабилизации по напряжению. Если верхнее плечо делителя () зашунтировать конденсатором, тогда К_Д для постоянной составляющей и частоты пульсаций различны, отличаются и петлевые усиления. Кроме того, частота пульсаций может оказаться за полосой пропускания усилителя цепи обратной связи и опять петлевые усиления будут разные.

Очевидно, что в рассмотренной схеме выходное напряжение больше напряжения эталонного источника. Стабилизатор с выходным напряжением меньше эталонного выполняют по схеме рис.4.17.

Рисунок 4.17 – Схема низковольтного КСН

Делитель следит не за выходным напряжением (U_ВЫХ), а за суммой . поэтому

(4.19)

VD1 подключен к дополнительному источнику . Главное, что бы здесь обеспечивался нормальный режим работыVT2.

КСН – схемы с обратными связями и при определённых условиях они могут возбуждаться, т. е становиться генераторами колебаний. В этом значительную роль играют флуктуации входного напряжения (и тока нагрузки) а также инерционные свойства усилительных каскадов. Обычно выход КСН шунтируют конденсатором С_Н, что повышает нагрузочную способность при работе на импульсную нагрузку и повышает устойчивость. Ограничение полосы пропускания усилителя цепи ОС также повышает устойчивость, но и снижает частотный диапазон дестабилизирующих воздействий, отрабатываемых стабилизатором. Включение корректирующих конденсаторов С_Д , С _У , С _Б показано на рис.4.18. Совокупность корректирующих конденсаторов С_Д , С _У , С _Б и С_Н позволяет всегда обеспечить устойчивость одноконтурных стабилизаторов с высокими статическими параметрами. Увеличение ёмкостей конденсаторов приводит к уменьшению полосы пропускания и ухудшению динамики стабилизатора.

Рисунок 4.18 – Включение корректирующих конденсаторов в схеме КСН

Частотные свойства устойчивого стабилизатора наиболее ярко проявляются при изменении тока нагрузки, поскольку выходное сопротивление стабилизатора является функцией частоты, а ток нагрузки, особенно при импульсном характере нагрузки, занимает полосу частот от 0 до . Зависимость модуля выходного сопротивления стабилизатора от частоты приведена на рис. 4.19.

Рисунок 4.19 – Частотная зависимость модуля выходного сопротивления КСН

Зависимость имеет четыре характерные области. ОбластьI определяется частотными свойствами источника питания стабилизатора. Если фильтр выпрямителя обладает резонансными свойствами на частоте f_ф, то на этой частоте возрастает выходное сопротивление выпрямителя, что вызывает неустойчивую работу стабилизатора. Область II ограничивается частотой f₀ (полоса пропускания стабилизатора). Это область нормальной работы. Область III – область частот, в которой проявляются резонансные свойства стабилизатора в целом. Область VI определяется частотными свойствами конденсатора С_Н. В областях частот III и VI стабилизатор не отрабатывает дестабилизирующих воздействий.

Обычно полоса пропускания непрерывных (линейных) стабилизаторов составляет сотни Гц…единицы кГц.

Все, рассмотренные нами схемотехнические решения, нашли применение в интегральных стабилизаторах серии К142 (К142ЕН1, К142ЕН2,…). Некоторые из них позволяют регулировать выходное напряжение и наращивать ток нагрузки, другие имеют фиксированные напряжения и токи.

4. Стабилизаторы тока

Стабилизаторы тока отличаются от стабилизаторов напряжения тем, что сигнал в цепь обратной связи поступает от датчика тока, включенного в цепь тока нагрузки. В простейшем стабилизаторе тока (токостабилизирующий двухполюсник, рис.4.8) датчиком тока является резистор R_Э, который должен иметь малые уходы в температуре и при старении. Для получения высокой стабильности используют компенсационные схемы стабилизаторов (рис.4.20).

Рисунок 4.20 – Компенсационный стабилизатор тока

Датчиком тока является резистор R₂ и на нём стабилизатор поддерживает неизменным напряжение а, следовательно, ток в нагрузке. Сопротивление датчика тока много меньше сопротивления нагрузки. Обычно, падение напряжения на датчике находится в пределах 50…100 мВ при номинальном токе нагрузки, что достаточно для нормальной работы усилителя цепи обратной связи (операционного усилителя). Датчики тока называют шунтами и выпускают на токи от единиц до сотен ампер.