Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

ра Тр, включенного последовательно с нагрузкой (на рисунке не показан).

Рис. 4.18. Схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с последовательно включенным регулирующим элементом, построенном на ИОУ

Следует отметить, что регулирующий транзистор Тр практически включен по схеме повторителя напряжения, что способствует уменьшению выходного сопротивления стабилизатора, повышению стабильности выходного напряжения Uн. Функции сравнивающего устройства и усилителя в современных стабилизаторах выполняет ИОУ или интегральный стабилизатор напряжения (ИСН), который обычно питается от источника напряжения U0 на входе стабилизатора. Иногда питание ИОУ или ИСН непосредственно от источника U0 затрудняет согласование по постоянному току выходного потенциала ИОУ или ИСН с потенциалом базы регулирующего транзистора. В этом случае используют согласующий резистивный делитель (на рис. 4.18 показаны пунктиром резисторы R3 и R4). Однако включение резистора R3 приводит к повышению выходного сопротивления повторителя напряжения на регулирующем транзисторе Тр, следовательно, и стабилизатора, что может быть нежелательным. Тогда используют для ИОУ или ИСН другой источник питания. При этом если требуемое напряжение питания меньше U0, то используют параметрический стабилизатор, при помощи которого понижают U0 до требуемой величины и питают ИОУ или ИСН.

В качестве источника опорного напряжения обычно применяют параметрический стабилизатор напряжения, построенный на ста-

241

билитроне (см. резистор R и стабилитрон Ст на рис. 4.18). Это напряжение подается на неинвертирующий вход ИОУ или ИСН, на инвертирующий вход которого для сравнения с опорным постоянным напряжением подается часть выходного напряжения γиUн, снимаемая с резистивного делителя R1–Rп–R2. В этот делитель обычно включают переменный резистор Rп, при помощи которого можно регулировать в определенных пределах выходное напряжение стабилизатора Uн следующим образом: перемещением движка резистора Rп изменяется потенциал на инвертирующем входе ИОУ или ИСН, что приводит к изменению его выходного потенциала, а следовательно, потенциала базы Uб регулирующего элемента. Поскольку выходное напряжение стабилизатора Uн = Uб – Uбэ, то с изменением Uб соответственно меняется и Uн (Uб – потенциал базы Тр относительно минусовой шины питания, Uбэ = 0,7÷0,9 В – разность потенциалов между базой и эмиттером Тр).

Обычно потенциометр Rп включают и в схему стабилизатора, предназначенного для стабилизации напряжения заданной величины. В этом случае потенциометр Rп используют во время наладки для установки выходного напряжения стабилизатора Uн на уровне номинального значения.

Рассмотрим, каким образом происходит стабилизация выходного напряжения Uн. Это напряжение меняется, во-первых, с измене-

при изменении тока нагрузки, сопровождаемом изменением перепада напряжения на нагрузке на величину Uнаг (без учета стабилизирующей обратной связи).

Таким образом, при замкнутой петле обратной связи часть отклонения выходного напряжения стабилизатора γи Uн, поступая на инвертирующий вход ИОУ (ИСН), усиливается (Kиγи Uн), затем появляется на входе регулирующего элемента и передается с коэффициентом Kр.э на выход стабилизатора, тем самым уменьшая отклонение выходного напряжения Uн независимо от источников и причины этих отклонений. При этом UН складывается из следующих составляющих:

242

и из-за действия обратной связи первоначальное отклонение снижается до уровня

пряжения U0 на выход стабилизатора при разомкнутой обратной связи; Kр.э – коэффициент передачи напряжения со входа регулирующего элемента на его выход (для схемы на рис. 4.18 – коэффициент передачи повторителя напряжения на транзисторе Тр);

– дрейф выходного напряжения ИОУ (ИСН), приведенный ко вхо-

ду (в схеме на рис. 4.18 Rг1 = (R1 + Rп1)||(R2 + Rп2), Rг2 = rст 0);

– изменение перепада напряжения на нагрузке без учета действия обратной связи.

Таким образом, вырабатываемый ИОУ (ИСН) сигнал рассогласования величиной

Uрасс = Kи( Uоп.др – γи Uн),

действуя на регулирующий элемент с коэффициентом передачи Kр.э, приводит к уменьшению отклонения выходного напряжения стабилизатора обратно пропорционально глубине обратной связи

F = 1 + γиKр.эKи.

Благодаря действию этой обратной связи происходят изменения параметров стабилизатора (по сравнению с нестабилизированным источником питания):

243

благодаря чему пропорционально снижается изменение выходного напряжения с изменением тока нагрузки

– выходное сопротивление регулирующего элемента, Rб – действующее в базе транзистора Тр сопротивление).

Включение дополнительных элементов в схему источника питания, разумеется, приводит к появлению новых источников нестабильности выходного напряжения. Это дрейф выходного напряжения ИОУ (ИСН), определяемый выражением (4.24), а также дрейф опорного напряжения. Несмотря на то, что нестабильность выходного напряжения, обусловленная дрейфом указанных элементов, тоже уменьшается обратно пропорционально глубине обратной связи, при выборе ИОУ (ИСН) и источника опорного напряжения следует иметь в виду дополнительные источники нестабильности

Uн.

Указанными параметрами характеризуется работа стабилизатора при сравнительно медленном действии дестабилизирующих источников. Если же изменения выходного напряжения происходят настолько быстро, что проявляется инерционность сравнивающего устройства и усилителя (в данном случае ИОУ или ИСН), а также регулирующего элемента, то уменьшается коэффициент петлевого усиления, поэтому снижается стабилизирующее действие обратной

244

связи. Резкие изменения напряжения связаны со скачкообразными изменениями тока нагрузки (например, при питании импульсных устройств) и питающего напряжения U0. При этом отклонение выходного напряжения стабилизатора можно определить по формуле (4.23), но с учетом инерционности соответствующих звеньев

Uн(р) = 1+ γи( р)Kр1.э( р)Kи( р) [KвлU0 U0 ( p) + Uнаг( р)] .

Обычно верхнее плечо резистивного делителя на инвертирующем входе ИОУ (ИСН) шунтируют ускоряющим конденсатором небольшой емкости, поэтому можно считать коэффициент переда-

чи γи(р) γи. Регулирующий элемент, представляющий собой повторитель напряжения, тоже можно считать безынерционным звеном по сравнению с ИОУ (ИСН). Таким образом, приняв во внимание только инерционность ИОУ (ИСН), характеризуемую передаточной функцией первого порядка, которая определяется параметрами корректирующей цепи, предотвращающей самовозбуждение ИОУ (ИСН), получим

где τ – постоянная времени, характеризующая ИОУ (ИСН). Из этого соотношения следует, что резкие изменения выходного напряжения вначале не ослабляются, поскольку ИОУ (ИСН) не усиливает такие сигналы. По мере вступления в действие ИОУ (ИСН) начинает формироваться сигнал рассогласования, который и приводит к уменьшению отклонения выходного напряжения Uн.

На рис. 4.19 показана эпюра, иллюстрирующая образование всплеска напряжения амплитудой Uн.имп = Uнаг, равной первоначальному скачку напряжения, которая образуется из-за резкого изменения тока нагрузки Iн. По мере образования сигнала рассогласования этот всплеск спадает с постоянной времени τ/F, уменьша-

ясь до величины Uн.имп/F. Очевидно, что из-за инерционности ИОУ (ИСН) возрастает также динамическое внутреннее сопротив-

ление стабилизатора: rвн.дин = rвн.стF rр.э.

245

Компенсационные стабилизаторы напряжения с параллельно включенным регулирующим элементом. Примером схемы такого стабилизатора может служить обобщенная схема на рис. 4.17,б. В качестве сравнивающего устройства и усилителя используется ИОУ (ИСН), на инвертирующий вход которого подают опорное напряжение Uоп = Uст, а на неинвертирующий вход – часть выходного напряжения γиUн. Вместо гасящего резистора в схеме на рис. 4.17,б включен токостабилизирующий двухполюсник, построенный на транзисторе Т с резистором Rэ в эмиттере и транзисторе Т1 в диодном включении (см. рис. 4.16).

Поскольку с увеличением сопротивления гасящего резистора Rгас коэффициент стабилизации возрастает, то стремятся использовать высокоомное сопротивление. Однако если берется обычный высокоомный резистор, то перепад напряжения на нем увеличивается с увеличением сопротивления Rгас, что требует повышения напряжения U0 на входе стабилизатора. При этом снижается КПД. Чтобы с увеличением сопротивления не происходило заметное увеличение перепада напряжения, вместо резистора применяют динамическое сопротивление в виде токостабильного двухполюсника.

Стабилизатор на рис. 4.17,б работает следующим образом. При изменении выходного напряжения Uн, например при его увеличении на выходе ИОУ (на рисунке это У и СУ), появляется сигнал рассогласования, повышающий потенциал базы регулирующего транзистора РЭ и увеличивающий ток его коллектора Iк.р. Этот ток только частично ответвляется в токостабилизирующий двухполюсник, так как последний обладает большим динамическим сопротивлением rт.д (на рис. 4.17,б rт.д = Rгас). Значительная же часть изменения тока регулирующего элемента γт.д Iк.р направляется в нагрузку, уменьшая ток нагрузки, тем самым способствуя уменьшению выходного напряжения стабилизатора. Таким образом, на выходе стабилизатора устанавливается отклонение напряжения от номинальной величины Uн, определяемое следующими составляющими:

Uн = KвлU0 U0 + Uнаг + Uт.д.др − γ Iкт Rн , .р .д

где K влU 0 – изменение выходного напряжения, обусловленное передачей U0 на выход с коэффициентом, который определяется ди-

247

намическим сопротивлением токостабилизирующего двухполюс-

происходящее из-за изменения тока нагрузки; Uт.д.др – дрейф выходного напряжения токостабилизирующего двухполюсника.

Все указанные составляющие компенсируются перепадом напряжения на нагрузке Rн от части тока регулирующего элемента

Iк.р = Iэ.др + Sр.эKи(γи Uн – Uст – Uвх.др.у),

Iэ.др – дрейф тока эмиттера регулирующего элемента; Sр.э – крутизна характеристики тока регулирующего элемента.

Таким образом, и в данном случае нестабильность выходного напряжения ослабляется обратно пропорционально глубине обратной связи

F = 1 + γт.дγиSр.эRн.

Основные параметры стабилизатора определяются следующими формулами:

• коэффициент стабилизации

Uн

•внутреннее сопротивление rвн.ст rFт.д .

Компенсационные стабилизаторы тока непрерывного регу-

лирования. Компенсационные стабилизаторы тока тоже могут быть построены по структурным схемам, приведенным на рис. 4.17, с той разницей, что на вход сравнивающего устройства вместо части выходного напряжения γиUн (как это делается в стабилизаторах напряжения на рис. 4.17) подается напряжение, пропорциональное току стабилизатора Iн.

248

На рис. 4.21 приведена схема простейшего стабилизатора тока, состоящего только из регулирующего элемента без усилителя (Kи = 1). Для согласования базовой цепи Т по постоянному току схема

реннее сопротивление компенсационного стабилизатора тока возрастают пропорционально глубине обратной связи по току:

F= 1 + Sр.эRэтKи.

4.4.3.Ключевые стабилизаторы напряжения

Недостатком стабилизаторов непрерывного регулирования является низкий КПД и, как следствие этого, тяжелый температурный режим работы мощных транзисторов в регулирующем блоке, значительные габариты и вес (из-за необходимости применения громоздких радиаторов для теплоотвода). Так как регулирующие транзисторы в стабилизаторах непрерывного регулирования, вопервых, должны работать в активной области и, во-вторых, они постоянно проводят ток, питающий нагрузку, то на них рассеивается значительная мощность, которая и приводит к их температурному перегреву и снижению КПД стабилизатора.

Указанные недостатки исключены в ключевых стабилизаторах напряжения, в которых транзисторы включаются периодически для заряда конденсатора фильтра до требуемого уровня и отключаются, когда выходное напряжение достигает своего номинального значения. Очевидно, что для своевременного включения и выклю-

249

чения транзисторов необходимо иметь пороговое устройство, регистрирующее отклонение выходного напряжения от номинальной величины и вырабатывающее сигналы для управления регулирующими элементами. Таким устройством является интегральный компаратор напряжений (ИКН), на основе которого и строят современные ключевые стабилизаторы.

Таким образом, в ключевых стабилизаторах регулирующие транзисторы работают в ключевом режиме, благодаря чему заметно уменьшается рассеиваемая на них мощность. В закрытом состоянии транзистора эта мощность практически равна нулю (так как ток транзистора равен почти нулю), в насыщенном состоянии перепад напряжения на транзисторе небольшой величины, поэтому и рассеиваемая мощность ничтожна (хотя ток может быть большой величины). Мощность в основном рассеивается во время переключения транзистора.

Вкачестве регулирующего элемента применяют биполярные транзисторы, а также тиристоры, у которых при помощи управляющего сигнала изменяют угол зажигания и, соответственно, среднее значение выходного напряжения стабилизатора.

Взависимости от способа подключения регулирующего элемента к нагрузке ключевые стабилизаторы, так же как и непрерывные, разделяются на стабилизаторы последовательного и параллельного типов. В отличие от стабилизаторов непрерывного регулирования, представляющих собой систему с обратной связью, параметры которой в значительной мере зависят от глубины обратной связи, в ключевых стабилизаторах такая связь отсутствует, и выходное напряжение поддерживается на заданном уровне за счет периодической подзарядки элементов фильтра. При этом выходное напряжение зависит от скважности управляющих сигналов

Q = Tпер = tпр +tз ,

tз tз

где tпр и tз – длительности проводящего и закрытого состояний регулирующего элемента; Tпер = tпр + tз – период переключения.

Очевидно, что при воздействии дестабилизирующих факторов (например, изменения входного напряжения, тока нагрузки, температуры окружающей среды) выходное напряжение можно поддер-

250