Компенсационные стабилизаторы напряжения


Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.

Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и нагрузку (RН). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U2. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (UЭТ). Напряжение обратной связи (UОС) снимается с нижнего плеча ДН (RД2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение UОС и UЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение ( сигнал ошибки = UОС - UЭТ), что приводит к изменению тока управления (IУ) и изменению падения напряжения на РЭ  (∆UРЭ). Напряжение на выходе (U2) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U1) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (), уменьшение тока управления (IУ) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.

Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из- за возможных перегрузок  РЭ по току.


Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ:

 

При возрастании входного напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U2 и, следовательно UОС. Последнее приводит  к возрастанию напряжения ошибки , тока управления IУ и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе DURб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД из-за потерь на балластном резисторе Rб, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор  включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.

 

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора

 напряжения

 

    На рисунке представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрервного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе – VT2, источником эталлоного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R2 ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4.


При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени возрастает напряжени на нагрузке U2 и напряжение обратной связи UОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R4. Напряжение ошибки Ue увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наболее положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока IK2. По закону Кирхгофа для узла:

Iδ1 = I1 IK2 , поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения ∆UКЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке восстанавливается.

         Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U1ном.


При возрастании напряжения U1 катет прямоугольного треугольника U2 остается постоянным, изменяется падение напряжения ∆UКЭ1 = U1U2 . Рабочая точка переходит из положения 1 в 2.


Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки.

 

При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника IК1, что приводит к увеличению падения напряженя на РЭ - ∆UКЭ1 и уменьшению напряжения на нагрузке. Рабочая точка переходит из положения “1” в “2” и происходит приоткрывание транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается.

Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

 

Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия:


1 Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции (интегро-дифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке UН. Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток,  потребляемый от источника U1 , увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается.


Для увеличения коэффициента усиления УПТ можно  увеличить сопротивление нагрузки R1 и, соответственно, напряжение питания и подавать его на УПТ от отдельного внешнего источника с большим  уровнем  напряжения.

 

2      

Введение токостабилизирующего звена в выходной цепи УПТ, при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя.

 

При возрастании входного напряжения U1 напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения между базой и эмиттером транзистора VT1. При этом выходной ток стабилизатора тока (IK1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня напряжения обратной связи.

3      

Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения

 

    Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LC), схему управления.


Силовой контур импульсного стабилизатора имеет три состояния. При подаче управляющего импульса (UШИМ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U1 через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно- модулированного (ШИМ) сигнала)  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 конденсатор разряжается в нагрузку. Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом деления K1 = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи K2 (Ue = UОСUЭТ); компаратор напряжения K3,  который формирует ШИМ - сигнал. Он равен 1, если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения UОС. При возрастании входного напряжения U1 уменьшается площадь между уровнем напряжения пилыи UОС, что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U2 восстанавливается.

 


Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения

 


Компенсационный стабилизатор – это система автоматического регулирования с ООС. Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. По сигналу ошибки Ue изменяется состояние РЭ, засчет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U2. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого коэффициента усиления Кпет:

 

где  К1- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

       К2=β1× β2×××  βn– коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

 

 


Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия – К3=β1× β2×××  βn– коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия:

     , где Uпм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Hosted by uCoz