Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

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 Ue, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. В зависимости от Ue изменяется состояние РЭ, за счет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U _ВЫХ.  Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого усиления К_пет:

где К_д- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К_у– коэффициент усиления по току транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

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

 Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия: , где _пм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Если цепь ОС разорвать, то . Поэтому  надо иметь как  можно меньше! Это является важной предпосылкой для синтеза РЭ.

Если замкнуть цепь ОС, то процесс регулирования можно представить так:

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

Решим систему относительно :

Это и есть основное уравнение стабилизатора в установившемся режиме. Очевидно, что петлевое усиление должно быть большим и, если  , а <1, то >> 1.

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

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 на резисторе R2. При этом выходной ток стабилизатора тока (I_K1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ зависит только от уровня напряжения обратной связи и не зависит от входного напряжения.

3 Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора, но плавная регулировка выходного напряжения невозможна.

Стабилизатор с выходным напряжением меньше чем  можно построить по схеме:

Здесь VD1 подключен к дополнительному источнику . Выходное напряжение

Главное, что бы обеспечивался нормальный режим VT2 по постоянному току. Здесь выходной делитель следит за изменением не выходного напряжения, а за  суммой .

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность КСН и малый временной дрейф применяют дифференциальные схемы сравнения (особенно при низких выходных напряжениях).

Здесь VT2 – эмиттерный повторитель. Он создаёт напряжение Uэт’=Uэт – Uэб, а усилительный элемент(VT3)  считает его эталоном. В итоге, в диагональ измерительного моста встречно включены два участка э-б, тогда  температурный дрейф их токов в одинаковой степени смещает  рабочие точки  и дестабилизации  напряжения на коллекторе VT3 не возникает.

 Поскольку КСН – схемы с обратной связью, то они могут возбуждаться, т. е становиться генераторами колебаний. В этом значительную роль играют флуктуации входного напряжения (и токи нагрузки) а также инерционные свойства транзисторных каскадов. Обычно выход КСН шунтируют конденсатором С, что повышает нагрузочную способность при работе на импульсную нагрузку и повышает устойчивость. Конденсатор  ограничивает полосу пропускания усилителя цепи ОС, что повышает устойчивость, но и снижает полосу пропускания КСН для дестабилизирующих воздействий. Удобно рассмотреть частотную зависимость выходного сопротивления стабилизатора  -

1,2 – области нормальной работы стабилизатора

ω ₀- частота возможного резонанса LC фильтра на вход стабилизатора

ω _Р - граничная частота полосы пропускания  усилительного элемента (УЭ)

4 – область, определяемая частотными свойствами конденсатора нагрузки С.

Для получения малых выходных напряжений любой  полярности обычно используют встречное включение двух стабилизаторов.

Здесь  может быть любой полярности и величины. Выходное сопротивление  выше, а коэффициент стабилизации ниже, чем у одного стабилизатора.

Стабилизаторы  помимо K_U, характеризуются ещё и коэффициентом сглаживания пульсаций - q, которые в общем случае не равны. Неравенство может быть в ту или другую сторону. Для повышения q , верхнее плечо следящего делителя шунтируют ёмкостью (см схему) и его коэффициент передачи K_Д для пульсаций получается больше,  чем для постоянной составляющей и петлевое усиление выше.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (РЭ работает в ключевом режиме).

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель(R5,R6), усилительный элемент (DA1) и ШИМ (DA2).

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет два состояния. При подаче управляющего импульса (U_ШИМ) 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 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 передачи Kд = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования DA1 с коэффициентом передачи Kу (Ue = 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. U₂ восстанавливается.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения в цепи постоянного тока.

2. Принцип действия компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного действия.

3. Принцип действия импульсного стабилизатора напряжения.

4. Какие существуют способы повышения качества выходного напряжения в компенсационных стабилизаторах.

Вопросы тестового контроля

1. Стабилизатор напряжения постоянного тока характеризуется:

а) коэффициентом выпрямления

б) коэффициентом мощности

в) нестабильностью выходного напряжения

г) нестабильностью входного напряжения

Ответ: в

2. Стабилизатор, изображенный на рисунке называется

Ответ: мостовой параметрический

3. Дополнительный внешний источник U₁₁ предназначен для

а) вольтодобавки к выходному напряжению

б) повышения мощности устройства

в) уменьшения габаритных размеров

г) увеличения коэффициента усиления каскада на VT₂

Ответ: г

4. Стабилизатор, изображенный на рисунке называется

а) параметрический с усилителем постоянного тока

б) компенсационный импульсного действия

в) компенсационный непрерывного действия

г) комбинированный

Ответ: в

5. Чему равно среднее значение выходного напряжения, если Т_и / Т = 0,5, E1=10, E2=20

Ответ: 25

6. Схема, изображенная на рисунке называется

              а) компенсационный стабилизатор непрерывного действия

              б) компенсационный стабилизатор импульсного действия

              в) параметрический стабилизатор

              г) импульсный регулятор

     Ответ: г

7. Вентиль VD₀ в схеме стабилизатора проводит ток при … состоянии транзисторного ключа VT

Ответ: закрытом

8. Стабилизаторы характеризуются рядом показателей, к которым относятся:

а) коэффициент стабилизации по входному напряжению;

б) коэффициент выпрямления;

в) температурная нестабильность;

г) внутреннее сопротивление;

Ответ: а, в, г                                                       

9. При каскадном соединении стабилизаторов коэффициенты стабилизации отдельных каскадов …

а) суммируются

б) вычитаются

в) делятся

г) перемножаются

Ответ: г

10. Последовательно к основному стабилитрону подключают дополнительный стабилитрон (или диод) в обратном направлении для ….

Ответ: термокомпенсации