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 (РЭ) наиболее широко применяют стабилитроны, в которых используется обратный участок ВАХ – участок пробоя. Простейший параметрический стабилизатор состоит из балластного резистора R₀ и стабилитронаVD (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. 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_δ1 = I₁ – I_K2 , поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения ∆U_КЭ1 увеличивается и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Рисунок 4.2– Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения

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, напряжениепитания, подавая его на УПТ от отдельного внешнего источника.

2. Введение токостабилизирующего звенав 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.