§ 9.2. Компенсационные стабилизаторы

Стабилизаторы напряжения различают компенсационные стабилизаторы непрерывного и импульсного действия. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже гальванические батареи.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. 9.3, а. В этой схеме регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления.

Разностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.

При положительном сигнале рассогласования сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения на нем увеличивается. Так как РЭ и нагрузка включены последовательно, то при увеличении выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению .

Рис. 9.3.

При отрицательном сигнале рассогласования , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения .

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа на транзисторах приведена на рис. 9.3, б. Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор . При увеличении выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе . Ток коллектора транзистора возрастает, а потенциал коллектора становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение база — эмиттер транзистора уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор , определяющий базовый ток регулирующего транзистора к стабильному источнику напряжения — .

Коэффициент стабилизации схемы рис. 9.3, б при абсолютно стабильном напряжении и без учета влияния делителя напряжения (база транзистора подключена непосредственно на выход стабилизатора) определяется выражением

а выходное сопротивление

Если не стабилен, то его колебания передаются через резистор на базу регулирующего транзистора и ухудшают коэффициент стабилизации схемы в .

Увеличеиие снижает величину А, но может привести к нарушению условия нормальной работы стабилизатора:

Это условие вытекает из очевидного равенства .

Согласно равенству (9.11), увеличение тока базы транзистора на величину вызывает уменьшение на такую же величину тока коллектора транзистора .

Так как ток базы связан с током нагрузки соотношением то при увеличении сопротивления ток оказаться больше, чем ток , что нарушает условие (9.11).

Плавная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя напряжения , включенного в выходную цепь стабилизатора таким образом, как показано на рис. 9.2, б.

В этом случае выходное напряжение стабилизатора

Ток через делитель выбирают обычно на порядок больше, чем ток базы транзистора . Дальнейшее увеличение тока делителя за счет снижения сопротивлений нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД схемы. Тогда выражение (9.12) принимает вид

При включении делителя напряжения коэффициент стабилизации, определяемый формулой (9.10), уменьшается в В раз, так как во столько раз уменьшается приращение входного тока транзистора , соответствующее приращению выходного напряжения .

Записав приращения входного тока без делителя

и с делителем , где , найдем

Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента используют составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора.

Рис. 9.4.

Рис. 9.5.

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена на рис. 9 4. В этой схеме регулирующий элемент (РЭ) подключен параллельно нагрузке . Последовательно с ними включается балластный резистор . Таким образом, схема компенсационного стабилизатора параллельного типа при отсутствии усилителя У по своей структуре напоминает схему параметрического стабилизатора, в которой роль регулирующего элемента играет стабилитрон.

Схема рис. 9.4 работает следующим образом. Разностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения, усиливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент (РЭ), изменяя его ток таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения .

Коэффициент стабилизации компенсационных последовательных стабилизаторов достигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усилителя У. Однако следует учитывать, что при увеличении коэффициента усиления до определенного значения схема стабилизатора самовозбуждается.

Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов имеет значение порядка нескольких ом и даже долей ом.

КПД у стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резисторе расходуется дополнительная мощность.

Недостатком стабилизаторов последовательного типа является их критичность к перегрузкам. При коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу (транзистору ) прикладывается все входное напряжение и резко увеличивается ток , что может привести к выходу транзистора из строя.

В настоящее время все больше распространены схемы стабилизаторов напряжения, выполненные на основе операционных усилителей.

Рис. 9.6.

На рис. 9.5 приведена схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа, где операционный усилитель используется в качестве усилительного элемента. Напряжение на выходе схемы определяется выражением

и остается постоянным при изменении нагрузки .

Рис. 9.7.

Изменяя сопротивление в цепи обратной связи , можно регулировать выходное напряжение схемы. Опорное напряжение создается параметрическим стабилизатором напряжения, состоящим из резистора и стабилитрона .

В настоящее время выпускают широкий ассортимент интегральных стабилизаторов напряжения с защитой от токовых перегрузок и короткого замыкания на выходе.

В качестве источника опорного напряжения используют параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона и полевого транзистора, выполняющего роль балластного сопротивления.

Регулирующий элемент обычно представляет собой составной транзистор, состоящий из двух или нескольких отдельных транзисторов, число которых определяется требованиями, предъявляемыми к стабилизатору.

Усилительным элементом схемы интегрального стабилизатора является операционный усилитель или в некоторых случаях просто дифференциальный каскад.

На рис. 9.6 приведена дсновная схема включения гибридного интегрального, стабилизатора типа , позволяющая стабилизировать на выходе положительное напряжение 6 В.

Навесной резистор включается в цепь защиты стабилизатора от короткого замыкания нагрузки.

Его сопротивление зависит от значения допустимого тока нагрузки определяется из формулы

где .

Конденсаторы устраняют самовозбуждение стабилизатора и их подбирают при использовании стабилизатора на практике. Выходное напряжение можно регулировать с помощью внешних сопротивлений.

Рис. 9.8.

Стабилизаторы отрицательного напряжения этой же серии отличаются от стабилизаторов положительного напряжения другим типом электропроводности транзисторов. На рис. 9.7 приведена основная схема включения стабилизатора типа , позволяющая стабилизировать отрицательное выходное напряжение — 12 В.

Рис. 9.9.

По сравнению с гибридными полупроводниковые стабилизаторы напряжения имеют высокую стабильность выходного напряжения за счет запаса коэффициента усиления, который легко реализовать в полупроводниковых интегральных микросхемах, так как в гибридных ИМС транзисторы являются дискретными элементами.

Основная схема включения полупроводникового стабилизатора приведена на рис. 9.8. Внешний резистор включен в цепь защиты схемы от короткого замыкания нагрузки.

Конденсатор определяет время восстановления номинального режима при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения. Емкость конденсатора составляет в реальных схемах примерно .

Емкость конденсатора позволяет уменьшить выброс выходного напряжения при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения.

Стабилизаторы тока. В компенсационных стабилизаторах тока последовательно с нагрузкой включается эталонный резистор напряжение на котором стабилизируется с помощью обычного стабилизатора напряжения. Таким образом, при изменении нагрузки ток, протекающий через нее, останется неизменным.

На рис. 9.9 приведен один из вариантов схемы компенсационного стабилизатора тока. Сигнал рассогласования ливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе и воздействует на регулирующий элемент (транзистор ).

Рис. 9.10.

Импульсные стабилизаторы напряжения. Существенным недостатком, рассмотренных выше компенсационных стабилизаторов непрерывного действия является относительно низкий КПД, не превышающий , что приводит к увеличению массы и габаритов устройства. Применение импульсного режима работы регулирующего элемента (транзистора) стабилизатора позволяет повысить КПД до и уменьшить массу и габариты стабилизатора, так как при малой рассеиваемой мощности регулирующего транзистора, работающего в импульсном режиме, можно не применять теплоотводящие радиаторы. На рис. 9.10, а приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа, иллюстрирующая принцип его действия. В схеме рис. 9.10, а нагрузка последовательно через сглаживающий фильтр Ф и ключевой регулирующий элемент РЭ подключена к источнику входного напряжения. Выходное нагрузочное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением ностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схему управления СУ, которая вырабатывает импульсы управляющие временами размыкания и замыкания ключевого регулирующего элемента. В результате к входу сглаживающего фильтра Ф будет приложено импульсное напряжение , форма которого представлена на рис. 9.10, б. Среднее значение этого напряжения зависит от соотношения времен замкнутого и разомкнутого состояний ключа РЭ и определяется формулой

— период, f — частота переключения ключевого элемента, скважность последовательности импульсов.

Изменяя параметры и f, можно регулировать напряжение таким образом, чтобы выходное напряжение стабилизатора оставалось почти неизменным.

Изменение параметров можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ.

Возможны три способа модуляции входного напряжения:

Рис. 9.11

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда изменяется длительность управляющих импульсов (время замкнутого состояния ключевого элемента), а частота их следования (частота переключения ключевого элемента) остается неизменной.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), в процессе которой изменяется частота следования управляющих импульсов, а их длительность неизменна.

3. Широтно-частотная, когда частота и длительность управляющих импульсов — переменные величины.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией.

В качестве схемы управления СУ в таких стабилизаторах может использоваться генератор импульсов ГИ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с постоянной частотой. Длительность импульсов определяется величиной сигнала рассогласования, поступающего с выхода схемы сравнения СС.

Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе структурной схемы рис. 9.11, а, где функции сравнения сигналов и Управления ключом выполняет компаратор напряжения КН, на из входов которого поступает выходное напряжение ивых или Часть его, а на другой — пилообразные импульсы , вырабатываете с постоянной частотой генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Компаратор срабатывает при равенстве напряжений на обоих входах и формирует управляющее напряжение на входе регулирующего элемента (ключа), закрывая или откпы его. При отклонении выходного напряжения от номинального значения изменяется момент времени срабатывания компаратора т. е. длительность управляющего импульса на входе ключа. Принцип работы схемы (рис. 9.11, а) можно проиллюстрировать с помощью временных диаграмм (рис. 9.11, б).

Существует класс импульсных стабилизаторов релейного типа в которых схема сравнения представляет собой релейное устройство, которое срабатывает, если часть выходного напряжения становится равной значению порогового напряжения реле. Недостатком стабилизаторов релейного типа являются относительно высокие пульсации выходного напряжения, так как срабатывание релейного устройства осуществляется только при изменении выходного напряжения.

Поскольку напряжение после ключевого элемента представляет собой последовательность импульсов, необходимым элементом импульсного стабилизатора является сглаживающий фильтр с высоким коэффициентом сглаживания. Обычно в качестве сглаживающего фильтра в импульсных стабилизаторах используют Г-образные -фильтры.

Процессы, характеризующие работу импульсного стабилизатора с Г-образным -фильтром (рис. 9.12, а) без учета особенностей системы формирования управляющих импульсов, проиллюстрированы временными диаграммами на рис. 9.12, б.

Рис. 9.12.

Предположим, что в момент времени регулирующий транзистор открыт и ток через катушку индуктивности нарастает по линейному закону:

где - ток, проходящий через катушку в момент отпирания транзистора.

В момент времени транзистор закрывается (ключ размыкается).

Ток убывает также по линейному закону, протекая через открытый диод (в отсутствие диода на закрытом транзисторе бы недопустимые перегрузки по напряжению, которые бы привести к выходу его из строя):

Затем в момент времени снова замыкается ключ (открывается транзистор) и ток начинает увеличиваться по линейному закону. Цикл повторяется.

Режим работы стабилизатора при называют режимом непрерывного тока. В этом случае выражение для определения пульсации тока, протекающего через катушку индуктивности можно записать как

Пульсацию выходного напряжения определим, учитывая, что в установившемся режиме работы схемы средние значения токов, протекающих через катушку индуктивности и нагрузку, равны между собой. Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, а изменение напряжения на нем (пульсация выходного напряжения определяется только пульсацией тока ). Когда ток выше среднего значения напряжение на конденсаторе увеличивается. При уменьшении относительно напряжение также уменьшается. Таким образом, можно записать уравнение балланса электрических зарядов в цепи катушки индуктивности и конденсатора

где Т — период переключения ключевого транзистора, — среднее значение тока, протекающего через конденсатор за половину периода, т. е. — изменение напряжения на конденсаторе за половину периода.

Подставляя выражение (9.18) в (9.19), после несложных преобразований получим

Из выражения (9.20) следует, что для обеспечения малой пульсации выходного напряжения необходимо увеличивать частоту Регулирования f. Однако при увеличении частоты возрастают потери мощности в регулирующем транзисторе, катушке индуктивности, что приводит в конечном счете к снижению КПД. Обычно частота регулирования импульсных стабилизаторов напряжения лежит в пределах .