4.4. Компенсационные стабилизаторы

Для улучшения показателей качества стабилизаторов напряжения и тока, т. е. для увеличения коэффициента стабилизации, уменьшения выходного сопротивления у стабилизаторов напряжения и его увеличения у стабилизаторов тока, увеличения КПД стабилизаторов постоянного напряжения (тока), а также для возможности точной установки величины напряжения или тока на выходе стабилизатора применяется компенсационный способ стабилизации [5].

Компенсационные стабилизаторы выполняются с отрицательной обратной связью и представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования или системы управления по отклонению. В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают стабилизаторы с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента (рис. 4.7).

В стабилизаторах компенсационного типа напряжение на выходе стабилизатора Uвых (или его части, снимаемой со следящего делителя СД непрерывно сравнивается с опорным напряжением Uоп (происходит измерение величины отклонения Uвых).

Выходное напряжение стабилизатора поддерживается постоянным с заданной степенью точности. В схеме рис. 4.11, а изменение входного напряжения на величину DUвх приводит к появлению отклонения DUвых, которое в свою очередь вызывает увеличение падения напряжения на РЭ почти на такую же величину.

Рис. 4.11.Структурная схема компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента (а) и параллельным (б).

Из приведенного выше описания принципа действия компенсационного ста­билизатора напряжения ясно, что чем больше коэффициент усиления Куусилителя постоянного тока УПТ, тем меньше установившееся отклонение выходного напряжения или тем выше стабильность выходного напряжения, оцениваемая коэффициентом стабилизации.

Элементы стабилизатора напряжения, их связи и функциональное назначение показаны на рис. 4.12, где элементы представлены в виде звеньев, обладающих направленным действием.

Рис. 4.12. Структурная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения как системы автоматического регулирования.

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения можно представить как усилитель постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью (ОС), усиливающий сигнал (напряжение) источника опорного напряжения до необходимого уровня, определяемого нагрузкой Н.

Управляющим (задающим) воздействием в стабилизаторе постоянного напряжения является напряжение Uoп, которое определяет величину напряжения на выходе Uвых. Влияние дестабилизирующих факторов (изменение входного напряжения и тока на­грузки) учитывается в схеме рис. 4.12 воздействием возмущений F1и F2, которые вызывают появление отклонений Uвых от номинального значения. Возмущение F1 учитывает влияние изменения входного напряжения Uвх и приложено ко входу регулирующего элемента РЭ. Возмущение F2учитывает влияние изменения тока нагрузки Iн и приложено к выходу регулирующего элемента стабилизатора. Элементом сравнения является вход усилителя постоянного тока УПТ, на который подается разность напряжений Uо.сc выхода следящего делителя СД и Uоп источника опорного напряжения.

При анализе электронных устройств с отрицательной обратной связью необходимо рассматривать их частотные характеристики и вопросы устойчивости. Анализ таких устройств наиболее просто осуществляется с помощью передаточных функций отдельных звеньев. Если звенья обладают направленным действием, то пере­даточную функцию сложной электронной схемы, в частности компенсационного стабилизатора напряжения, можно представить в виде произведения простых сомножителей, характеризующих каждое звено.

В теории автоматического регулирования разработано большое число типовых звеньев, которые являются простейшими составными частями линейной динамической системы. Из этой теории известно, что система, охваченная цепью отрицательной обратной связи, имеет передаточную функцию

, (4.36)

где Н(р)– передаточная функция замкнутой системы с обратной связью;

Н1(p)– передаточная функция цепи прямой передачи;

Н2(p)– передаточная функция цепи обратной связи.

Произведение H1(p)H2(p)является передаточной функцией разомкнутой системы, т.е. при разрыве цепи обратной связи, например, в точке «а».

Применительно к рис. 4.12 передаточная функция компенсаци­онного стабилизатора постоянного напряжения по управляющему воздействию Ну(р) может быть выражена в следующем виде:

, (4.37)

где Ку(р)– операторный коэффициент передачи усилителя постоянного тока (коэффициент усиления усилителя);

КРЭ(p)– операторный коэффициент передачи регулирующего элемента по управляющему воздействию;

s(p)– операторный коэффициент передачи следящего делителя в цепи обратной связи (коэффициент деления делителя).

Принципиальная схема стабилизатора с последовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки (стабилизатор типа ПС) приведена на рис. 4.13. Транзистор T1выполняет функ­цию регулирующего элемента РЭ, автоматически поддерживающего напряжение на нагрузке Rн сзаданной степенью точности. Транзистор Т2выполняет функцию усилителя постоянного тока УПТ, который усиливает разность части выходного Uвых и опорного Uoпнапряжений. Опорным напряжением является напряжение стабилизации стабилитрона Д1 который совместно с резистором R2образует параметрический стабилизатор постоянного напряжения. Делитель напряжения R3, R4выделяет часть выходного на­пряжения для сравнения его с опорным. Резистор R1является нагрузкой в цепи коллектора однокаскадного усилителя постоянного тока.

Рис. 4.13.Принципиальная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента (типа ПС).

Стабилизация напряжения Uвых на нагрузке осуществляется следующим образом. Допустим, что в результате увеличения входного напряжения Uвх или уменьшения тока нагрузки Iн (в результате увеличения сопротивления нагрузки Rн) напряжение на выходе стабилизатора Uвых начинает увеличиваться. При этом возрастает падение напряжения на резисторе R4 следящего делителя и потенциал базы транзистора Т2относительно общей точки схемы увеличивается. Потенциал эмиттера транзистора Т2 относительно общей точки остается практически неизменным, так как он определяется источником опорного напряжения Uoп. В результате к переходу эмиттер—база транзистора Т2прикладывается разность напряжений UR4 и Uоп, которая равна изменению напряжения на резисторе R4, т. е. DUR4. Коллекторный ток Iк.у транзистора Т2увеличивается, и падение напряжения на резисторе R1 возрастает. Через резистор R1протекают ток коллектора транзистора Т2Iк.у и ток базы транзистора Т1 Iб.р. Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению Kст.н необходимо обеспечить такой режим работы, чтобы ток коллектора Iк.у был бы много больше тока базы регулирующего транзистора Iб.р: Iк.у>> Iб.р.

. (4.38)

При увеличении Iк.уи падении напряжения на R1 потенциал коллектора Т2,а следовательно, и потенциал базы транзистора Т1 уменьшаются относительно общей точки (становятся менее положительными). Ток базы транзистора Т1уменьшится, сопротивление его перехода коллектор—эмиттер постоянному току увеличится, падение напряжения на этом переходе возрастет и компенсирует увеличение напряжения на выходе стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора (на сопротивлении нагрузки) изменяется незначительно по сравнению с его значением, которое было до появления возмущения на входе стабилизатора. Но выходное напряжение стабилизатора всегда имеет некоторое остаточное отклонение, напряжение не возвращается точно к прежнему значению. Остаточное отклонение зависит от чувствительности цепи обратной связи и является мерой статической точности системы автоматического регулирования.

При уменьшении входного напряжения или увеличении тока нагрузки стабилизатор напряжения работает аналогично.

В установившемся режиме при отсутствии возмущений работа стабилизатора напряжения описывается соотношениями:

(4.39)

где Uк.р– падение напряжения на переходе коллектор—эмиттер транзистора Т1,являющегося регулятором;

Iд– ток через следящий делитель: Iд = (5¸10%)Iн;

Iст– среднее значение тока через стабилитрон Д1.

Величина Iст определяется соотношением (Iст.min+Iст.m)/2; s – коэффициент деления следящего делителя:

. (4.40)

На регулирующем транзисторе рассеивается мощность Рк.р. Величина этой мощности в процессе работы стабилизатора все время изменяется, поддерживая неизменное значение мощности в нагрузке при R = const.

. (4.41)

С учетом (4.39)

. (4.42)

Регулирующий транзистор работает в активной области, поэтому падение напряжения Uк.р на нем должно быть больше величины напряжения насыщения транзистора Uк.нк которому прибавляется амплитуда переменной составляющей Uпвходного напряжения:

. (4.43)

Минимальное значение напряжения на входе стабилизатора Uвх minпри заданном Uвых находится по (4.39) и (4.43).

Коэффициент полезного действия стабилизатора постоянного напряжения определяется как отношение мощности на нагрузке к мощности, потребляемой от источника энергии постоянного тока с нестабилизированным напряжением Uвх при номинальном значении этого напряжения:

. (4.44)

Составляющие входного тока Iст и Iд, как правило, много меньше тока нагрузки Iн, поэтому для ориентировочных расчетов принимают Iвх »Iн и величина КПД оценивается приближенной формулой

. (4.45)

Источником опорного напряжения в схеме компенсационного стабилизатора является параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне Д1и балластном резисторе R2 скоэффициен­том стабилизации Кст.н.п в соответствии с (4.32):

. (4.46)

где Uвых.п – напряжение на выходе параметрического стабилизатора, т. е. Uоп;

Uвх.п– напряжение на входе параметрического стабилизатора, т. е. Uвых;

Rд– дифференциальное сопротивление стабилитрона Д1.

Поскольку параметрический стабилизатор подключается параллельно нагрузке, т. е. к выходному напряжению Uвых, стабильность напряжения Uоп выше стабильности выходного напряжения компенсационного стабилизатора в Кст.н.п раз. Тип стабилитрона Д1при заданном значении Uвых выбирается в соответствии с (4.39). Величина коэффициента деления следящего делителя 0 выбирается обычно 0,4—0,9, что позволяет обеспечить достаточно высокий коэффициент стабилизации Kст.н, а также возможность нормальной работы УПТ и источника опорного напряжения.

Недостатками компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием являются: необходимость применения радиаторов для обеспечения нормального теплового режима регулирующего транзистора; большие масса и габариты, обусловленные применением радиаторов; невысокие значения КПД (40 - 60%) из-за необходимости рассеивания части мощности на регулирующем транзисторе.

Компьютерный практикум: Компенсационный стабилизатор

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров компенсационного стабилизатора.

Выполнение работы:

1. Собрать схему компенсационного транзисторного стабилизатора напряжения (рис. 4.14), в соответствии с вариантом задания (табл. 4.6).

Напряжение источника постоянного напряжения V1

U1 = 4 ? Uст.

Сопротивление стабилитрона Rст = Uст / Iст.

Сопротивление нагрузки RHном рассчитать по формуле

RHном (R2) = 2Rст = 2Uст / Iст.

Сопротивление гасящего резистора R1 рассчитать по формуле

R1 = (U1 – Uст) / Iст .

Таблица 4.6

Варианты. Параметры стабилитронов

Рис. 4.14. Рабочая схема для исследования компенсационного транзисторного стабилизатора.

Рис. 4.15. Пример амплитудной (передаточной) характеристики компенсационного транзисторного стабилизатора.

2. Построить амплитудную (передаточную, рис. 4.15) характеристику стабилизатора. Определить напряжение стабилизации Uст0 (начало горизонтального участка амплитудной характеристики).

3. Изменяя напряжение на входе стабилизатора, установить на выходе напряжение Uст0. Зафиксировать значение Uвх0. Увеличить напряжение на входе стабилизатора на 1В, измерить Uвых и определить

ΔUвых = Uвых – Uст0,

ΔIн = Iвых – Iном

4. Определить значение коэффициента стабилизации:

Kст = (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uст0),

где ΔUвх = 1В.

Таблица 4.7

Результаты измерений. Зависимости от сопротивления нагрузки

5. Определить внутреннее сопротивление стабилизатора:

6.

Rст2 = ΔUвых / ΔIн,

где ΔUвых = Uвых – Uст; ΔIн = Iвых – Iном.

7. Используя показания маркеров тока и напряжения по формуле

Pвых = Uвых2 / RH = Uвых ? Iн

определить мощность, потребляемую нагрузкой (выходная мощность стабилизатора).

По формуле

Pвх = U1? Iвх

определить мощность, потребляемую стабилизатором (входная мощность стабилизатора).

По формуле

η = (Pвых / Pвх)100%

определить коэффициент полезного действия параметрического стабилизатора напряжения. Результаты измерений и расчётов занести в табл. 4.7.

8. Установить величину сопротивления нагрузки RH = 0,9 RHном. Зафиксировать соответствующую величину Uвых.

Определить соответствующий ток нагрузки Iн = Uвых / RH.

Определить внутреннее сопротивление стабилизатора:

Rст2 = ΔUвых/ ΔIн,

где ΔUвых= Uвых – Uст0; ΔIн = Iн0 – Iн.

Изменяя значение сопротивления нагрузки RH, в соответствии с табл. 4.7, определить соответствующие значения η , Rст (п. 5-6).

Компьютерный практикум:Расчёт и моделирование компенсационного стабилизатора

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров компенсационного стабилизатора.

Задание: Рассчитать и промоделировать, с соответствием с вариантом (табл.4.8), схему компенсационного стабилизатора (рис.4.17).

Таблица 4.8

Данные вариантов. Параметры стабилитронов

Расчёт стабилизированного блока питания мы будем проводить с использованием конкретной схемы, которую мы сначала изобразим, соблюдая правила построения схем, а потом рассчитаем на основе предъявляемых к ней требований. 1.Прежде всего, обратите внимание, на то, что большинство блоков питания имеет минус на массе, поэтому мы так же выполняя условие – "минус на массе" изменим полярности диодов и конденсаторов, а кроме того - тип проводимости транзисторов с p-n-p на n-p-n.

Рис. 4.16. Расчётная схема компенсационного стабилизатора напряжения.

2.Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента мы будем использовать составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора, и на порядок увеличивает нагрузочную способность стабилизатора напряжения. Поэтому (см. схему) к ранее изученному стабилизатору, мы добавим этот транзистор VT3. Считаем, что каждый добавленный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность в 10…20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и "приложится". Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше. 3. Ток через делитель Iдел состоящий из R1,R2,R3 выбирают обычно на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи Rб, VD1. Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения, или повышения сопротивлений R1,R2,R3 нецелесообразно, так какприводит к существенному уменьшению КПД, или чувствительности схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям. 4. Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабилитрона – минимальным и максимальным током стабилизации. Как это выглядит практически, я затрону в процессе расчётов. 5. Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего элемента должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выходного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2 и VT3 "нечем будет управлять" - напряжение на эмиттерах будет превышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет. 6. Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные способности стабилизатора потому, что разница входного и выходного напряжения стабилизатора помноженная на выходной ток, будет "падать" в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах. Поэтому необходимо выбирать транзисторы способные выдерживать такую мощность – повторяется правило - чем мощнее транзистор, тем лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент передачи.