27.4. Стабилизаторы напряжения

В процессе работы ВИЭП напряжение на выходе сглаживающего фильтра может меняться (имеются в виду медленные изменения, а не пульсации) из-за влияния таких дестабилизирующих факторов, как колебания напряжения первичного источника, изменение сопротивления нагрузки, изменение температуры окружающей среды и параметров элементов схемы во времени. Если изменение U_н недопустимо велико, то в схему ВИЭП вводится стабилизатор напряжения.

Принцип работы наиболее часто используемых в настоящее время стабилизаторов можно пояснить на примере схем, приведенных на рис. 27.13, а, б.

Для схемы рис. 27.13, а справедливо следующее соотношение:

, (27.24)

где R_упр  сопротивление управляемого резистивного элемента, например, транзистора. Из данного выражения видно, что меняя сопротивление R_упр, можно поддерживать напряжение U_вых постоянным при изменении R_н и U_вх. Нетрудно показать, что и в схеме рис. 27.13, б постоянства выходного напряжения можно достичь, если определенным образом менять сопротивление R_упр.

Стабилизаторы, в которых регулирующее сопротивление включено последовательно с нагрузкой, называются стабилизаторами последовательного типа (пример рис. 27.13, а). Стабилизаторы, в которых регулирующее сопротивление включено параллельно с нагрузкой, называются стабилизаторами параллельного типа (пример рис. 27.13, б).

Существует два типа стабилизаторов  параметрические и компенсационные. Первый вид использует нелинейные элементы, обладающие таким участком ВАХ, на котором один из параметров остается неизменным при изменении другого. Например, падение напряжения на стабилитроне при изменениях тока через него.

Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне приведена на рис. 27.14.Кремниевый стабилитрон, включенный в обратном направлении, поддерживает неизменным напряжение U_ст на своих зажимах при изменении тока через прибор в пределах от I_{ст min доп}доI_{ст max доп} и имеет на этом участке малое динамическое сопротивление.

Основные уравнения для токов рассматриваемой схемы стабилизатора можно записать в виде

,

где R_б– сопротивление балластного резистора.

Условия нормальной работы стабилитрона:

,

.

Анализ эквивалентной схемы для приращений напряжений (рис. 27.14,в) позволяет оценить нестабильность выходного напряжения по заданной нестабильности входного

.

Величину сопротивления балластного резистора рассчитывают по выражению

.

Качество стабилизатора характеризуют:

а)коэффициент стабилизации –отношение относительной нестабильности входного напряжения к относительной нестабильности напряжения на выходе:

;

б)выходное сопротивление (для рассматриваемой схемы оно определяется динамическим сопротивлением стабилитрона)

.

Суммарную нестабильность выходного напряжения можно оценить по формуле

.

Достоинством параметрических стабилизаторов параллельного типа является простота конструкции и надежность в работе. Они не боятся коротких замыканий в нагрузке. К недостаткам следует отнести невысокий КПД (обычно не более 50%), относительно большое R_вых, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, где регулирующее сопротивление R_упр управляется внешним сигналом U_упр, полученным в результате сравнения выходного напряжения с источником опорного напряжения (ИОН). Компенсационные стабилизаторы могут быть как последовательного, так и параллельного типа. В качестве ИОН в компенсационных стабилизаторах могут применяться параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах.

Сучетом введения обратных связей структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа принимает вид рис. 27.15. В элементе СЭ производится сравнение фактического значения выходного напряжения стабилизатора с его заданным значением, которое определяется ИОН. В зависимости от обнаруженного отклонения выходного напряжения от его заданного значения сигнал рассогласования на выходе СЭ, усиленный усилителем У, осуществляет такое воздействие на регулирующий элементR_упр, при котором отклонение уменьшается и выходное напряжение приближается к заданному значению, т.е. стабилизируется.

Одна из простейших схем последовательного компенсационного стабилизатора представлена на рис. 27.16. Здесь транзистор VT1 выполняет функцию регулируемого сопротивления, на управляющий вход которого (базу) поступает сигнал с транзистора VT2. В транзисторе VT2 потенциал эмиттера стабилизирован с помощью параметрического стабилизатора (стабилитрон VD1 вместе с резистором R1 и конденсатором C1), а напряжение на базе является частью выходного напряжения. Отклонение выходного напряжения от номинального изменяет исходное напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 , что в свою очередь сказывается на величине базового и коллекторного токов этого транзистора. Коллекторной нагрузкой транзистора VT2 является резистор R2 и транзистор VT1. Изменение коллекторного тока транзистора VT2 приводит, следовательно, к изменению потенциала коллектора VT2 и соответственно базы VT1. Изменение потенциала базы VT1, в свою очередь, приведет к изменению сопротивления участка коллектор – эмиттер VT1, следовательно, и к изменению падения напряжения на нем.

Таким образом, в транзисторе VT2 происходит сравнение эталонного напряжения с текущим значением выходного напряжения, т.е. выработка сигнала рассогласования и последующее его усиление. Меняя положение движка потенциометра R3, можно в определенных пределах менять величину номинального выходного напряжения. Конденсатор C2 обеспечивает увеличение быстродействия схемы по пульсациям.

В схемах, подобных рассмотренной, обеспечивается выходное сопротивление порядка десятых долей ома, а коэффициент стабилизации  от нескольких десятков до нескольких сотен. Улучшение параметров достигается за счет усложнения схемы  использования операционных усилителей с большим коэффициентом усиления в петле обратной связи; использования составных транзисторов для увеличения коэффициентов передачи токов базы входящих в систему транзисторов.

Недостатком стабилизаторов последовательного типа является то, что при токовых перегрузках или коротком замыкании на выходе могут выходить из строя регулирующие транзисторы, поэтому в схемы стабилизаторов вводят специальные элементы защиты.

Схема качественного стабилизатора, в котором управляющий транзистор заменен операционным усилителем, приведена на рис. 27.17. Питание ОУ осуществляется однополярным положительным напряжениемU_вх(в данном случае не требуется получение на выходе ОУ отрицательных напряжений), что позволяет использовать стандартные операционные усилители в схемах стабилизаторов с выходным напряжением почти до 30 В.

Резистор R2и транзисторVT2образуют схему ограничения выходного тока. При номинальных токах нагрузки падение напряжения наR2не превышает напряжения отпирания перехода база-эмиттерVT2, транзисторVT2закрыт и не оказывает влияния на работу схемы стабилизатора. Операционный усилитель с дополнительным усилителем выходного токаVT1включен по схеме неинвертирующего УПТ, откуда следует соотношение для расчета выходного напряжения

.

Если падение напряжения на R2превысит величину, равную приближенно 0,6 В, транзисторVT2откроется и предотвратит дальнейшее увеличение тока базы транзистораVT1. Таким образом, величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем.

Качественные показатели стабилизатора по схеме рис. 27.17 определяются следующими соотношениями:

а) коэффициент стабилизации (его можно повысить, если заменитьR1источником тока)

;

б) выходное сопротивление

,

где К– коэффициент усиления ОУ по напряжению;

r_вых– выходное сопротивление ОУ;

в) температурный коэффициент напряжения

,

где – дрейф напряжения смещения ОУ;

– дрейф входного тока ОУ;

ТКН_ст– температурный коэффициент напряжения стабилитрона.

Стабилизаторы напряжения, подобные схеме рис. 27.17, выполняются в виде интегральных микросхем. Микросхемы К142ЕН5 (6, 8) являются функционально законченными стабилизаторами на фиксированные значения U_вых. Выходное напряжение микросхемы К142ЕН5 равно 5 В с возможным изменением этой величины в зависимости от экземпляра ИС на0,2 В. Максимальный ток нагрузки 3 А. Минимальное входное напряжение 7,5 В. Коэффициент нестабильности стабилизатора по входному напряжению не менее 0,05%. Тепловая защита выключает стабилизатор при температуре кристалла 175^С10%, при превышении допустимого значения по току на (20-25)% срабатывает защита по току.

Все рассмотренные стабилизаторы эффективно подавляют нестабильность U_вх не только за счет медленных колебаний сетевого напряжения, но и пульсаций U_вх после выпрямителя, выполняя роль электронного сглаживающего фильтра. Поэтому на входе стабилизатора допустим сравнительно высокий уровень пульсаций напряжения.

Существенным недостатком стабилизаторов параллельного и последовательного типов, называемых линейными, является большая потеря мощности в регулирующем транзисторе (управляемом сопротивлении) и, как следствие этого, недостаточно высокий КПД.

Стремление повысить КПД привело к созданию стабилизаторов с импульсным регулированием. Стабилизаторы, в которых регулирующим элементом служит периодически замыкающийся ключ (как правило, транзистор в ключевом режиме), подключающий нагрузку к источнику входного постоянного напряжения U_вх, называют импульсными. Если при периоде включения ключа T ключ находится в замкнутом состоянии в течение времени t_вкл, то постоянная составляющая напряжения на нагрузке

U_вых = U_вх t_вкл / T. (27.25)

Регулирующий транзистор в импульсном стабилизаторе работает в ключевом режиме, т.е. большую часть времени находится либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Потери энергии в транзисторе происходят только в моменты переключения и определяются длительностью времени переключения. Поэтому чем лучше частотные свойства ключевого транзистора, тем выше КПД импульсного стабилизатора.

НапряжениеU_вых может поддерживаться неизменным (при изменении, например, U_вх) как путем изменения t_вкл при неизменном периоде T (частоте) работы ключа (стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией ШИМ), так и путем изменения частоты замыкания ключа при постоянной длительности замкнутого состояния (стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией ЧИМ). Чаще применяют ШИМ-стабилизаторы. Следовательно, в состав импульсного стабилизатора должен входить генератор импульсов, параметры выходного колебания которого (длительность, частота) должны зависеть от величины рассогласования между эталонным и текущим выходными напряжениями.

Структурная схема импульсного стабилизатора с ШИМ представлена на рис. 27.18. Импульсные стабилизаторы так же, как и линейные, являются компенсационными, т.е. работающими по принципу отклонения. Отличие от стабилизаторов с непрерывным регулированием состоит в том, что сигнал рассогласования, образованный сравнивающим элементом СЭ, преобразуется широтно-импульсным модулятором (ШИМ) в импульсы, следующие с постоянной частотой (задается генератором импульсов ГИ), длительность которых изменяется под действием сигнала рассогласования. Другой особенностью импульсного стабилизатора является то, что он не может работать на простейший емкостной фильтр (конденсатор С_ф). Как было показано в предыдущем параграфе, при работе выпрямителя (ключа) на емкостную нагрузку на этой нагрузке выделяется постоянное напряжение, по величине близкое к амплитудному значению входного напряжения, а в импульсном стабилизаторе требуется выделять постоянную составляющую напряжения. По этой причине здесь можно использовать либо сложные RC фильтры (например, рис. 27.8), не изменяющие закон проводимости (коммутации) ключевого транзистора, либо другие специальные схемные решения. Одним из таких схемных решений является импульсный регулирующий элемент, принципиальная схема которого представлена на рис. 27.19. На этой схеме:VT1  регулирующий ключевой транзистор; L_фC_ф  Г-образный LC-фильтр нижних частот; VD1  разрядный диод.

Рассмотрим назначение диодаVD1, который обычно называют разрядным. Без этого диода при запирании транзистора ток через дроссель L_ф прекращается, причем почти мгновенно. По закону самоиндукции на дросселе должна образоваться ЭДС самоиндукции большой величины. Эта ЭДС может привести к пробою регулирующего транзистора или самого дросселя. Наличие диода обеспечивает прохождение разрядного тока дросселя и предотвращает перенапряжение в схеме. Если считать транзистор идеальным ключевым элементом, управляемым прямоугольными импульсами с периодом повторения T и длительностью t_вкл, то характер изменения токов и напряжений в схеме будет иметь вид, показанный на рис. 27.20. (а  управляющее напряжение (сплошная линия), ток дросселя (пунктирная линия); б  ток эмиттера транзистора; в  ток, протекающий через диод).

С приходом в момент t = 0 импульса управления на базу регулирующий транзистор VT1 открывается, и все входное напряжение прикладывается к дросселю. Под действием U_вх диод запирается, а ток через дроссель начинает возрастать, достигая своего максимального значения к моменту t₁ выключения транзистора. По сигналу, поступившему от схемы управления, транзистор запирается, ЭДС самоиндукции открывает диод, и ток дросселя, замыкаясь через диод, протекает по нагрузке. Энергия, накопленная в дросселе L_ф и конденсаторе C_ф, начинает расходоваться в нагрузке и ток дросселя начинает уменьшаться. Этот спад продолжается вплоть до нового отпирания транзистора VT1 в момент времени t₂. С момента времени t₂ процессы повторяются.

Если по какой-либо причине выходное напряжение стабилизатора изменится относительно номинального, например возрастет, то схема управления сформирует более короткий интервал t_вкл = t₁, а значит, начнет снижаться и U_вых, стремясь к исходному заданному значению.

Совмещение выпрямления переменного напряжения с регулированием выпрямленного напряжения реализуется в управляемых выпрямителях.Основным элементом таких устройств являетсятиристор. Отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора подается с определенным фазовым сдвигом(рис. 27.21.) относительно подачи положительного напряжения на анод. Его называют углом управления.

Среднее значение выпрямленного напряжения однофазной двухполупериодной схемы управляемого выпрямителя определяется выражением

Регулировка угла управления, а следовательно, и величины выходного напряжения осуществляется обычно специальным фазовращателем, сдвигающим фазу напряжения, подаваемого на управляющий электрод тиристора.