При увеличении выходного тока iн выходное напряжение uн меняется слабо потому что

Динамика импульсных преобразователей при изменении выходного тока

Подача на преобразователь напряжения испытательных сигналов импульсного типа — наиболее важная и сложная часть любых испытаний. Обычно это требует применения специальных приспособлений, схем подключения, коммутаторов и устройств регистрации. Однако эти трудности с лихвой компенсируются дополнительной информацией о приборе, которую другим способом получить не удается. Особенно такие испытания актуальны сейчас, когда появились целые классы импульсных нагрузок — импульсные излучатели различных типов, накопители энергии, заряжаемые в импульсном режиме, и т. д. В статье рассматриваются вопросы формирования переходных отклонений (ПО) на выходе импульсного стабилизирующего преобразователя напряжения (ИСПН) при работе на импульсную нагрузку.

Обобщенная функциональная схема однотактного ИСПН понижающего типа, удобная для анализа динамики, показана на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема ИСПН

Эпюры напряжений и токов в элементах для этого режима работы ИСПН показаны на рис. 5.

Рис. 5. Эпюры токов и напряжений на элементах ИСПН после скачкообразного увеличения выходного тока от нуля до IНОМ

При замыкании ключа Кл2 в нагрузке протекает ток I_НОМ. Его первоначально обеспечивает разряд конденсатора С. Поскольку за момент до коммутации ключ Кл1 был выключен, ток в дросселе отсутствовал: I_L = 0. Выходное напряжение начинает уменьшаться, и ОС моментально включает подачу управляющих импульсов на ключ Кл1. Пока выходное напряжение меньше номинального и ток через ключ Кл1 меньше тока защиты, ШИМ-контроллер работает с максимальным коэффициентом заполнения К_З = К_{З МАКС}.

Ток дросселя каждый период увеличивается, и когда он достигает значения I_НОМ, выходное напряжение прекращает свое падение — переходное отклонение достигает максимального отрицательного значения ПО_– = dU_{ВЫХ МИН}. Увеличение тока дросселя продолжается до значения I_ЗАЩ > I_НОМ. Поскольку ток, передаваемый в нагрузку, теперь превышает ток, потребляемый нагрузкой, их разница заряжает выходной конденсатор С и выходное напряжение восстанавливается до номинального значения. После этого коэффициент заполнения уменьшается в итоге до значения К_З, ток в дросселе также уменьшается до значения I_L = I_НОМ. Это может сопровождаться небольшим колебательным процессом, как показано на рис. 5.

Теперь рассчитаем ПО при скачкообразном увеличении тока нагрузки в соответствии с изложенной выше методикой. После замыкания ключа Кл2 ШИМ-контроллер работает с максимальным коэффициентом заполнения К_{З МАКС}. Тогда среднее значение напряжения на дросселе за период можно определить как:

А с учетом того, что выходное напряжение U_НОМ вырабатывается ИСПН из входного при коэффициенте заполнения К_З, имеем среднее значение напряжения на дросселе за период:

ПО имеет абсолютное максимальное значение при значении тока в дросселе I_L = I_НОМ. Если к дросселю приложено среднее за период напряжение U_L, это вызывает увеличение тока в дросселе в соответствии с зависимостью I_L(t) = U_L×t/L, и для значения I_L = I_НОМ это выражение можно записать следующим образом:

Подставляя выражение U_L из (7) в (8), получаем время формирования максимального переходного отклонения отрицательного значения ПО_–

Величину переходного отклонения ПО_– (абсолютное значение) определим из выражения (2):

Итак, выражения (6) и (10) определяют максимальные значения переходных отклонений идеального ИСПН. Это минимальные значения, которых можно достичь в реальном ИСПН. И если рассчитанные значения превышают требуемые в техническом задании, нужно сразу менять типы и номиналы используемых компонентов, частоту преобразования.

Иногда представляет интерес параметр N как отношение ПО₊/ПО_–. Поделив (6) на (10), получим:

то есть для идеального ИСПН соотношение N определяется исходной установкой К_{З МАКС} и входным напряжением преобразователя.

Как пример испытания ИСПН, близкого к идеальному, на рис. 6 и 7 приведены осциллограммы переходных процессов в ИСПН серии МДС12-Е09 (входное напряжение 10–50 В, выходное напряжение 9 В, частота преобразования 900 кГц) при входном напряжении 27 В и скачко­образном изменении тока нагрузки от 0 до 15 А [1].

Рис. 6. Переходное отклонение ИСПН, близкого к идеальному, при скачкообразном увеличении выходного тока

Рис. 7. Переходное отклонение ИСПН, близкого к идеальному, при скачкообразном уменьшении выходного тока

В устройстве применены высококачественные ключи на МДП-транзисторах, керамические конденсаторы в фильтре, дроссель с малым активным сопротивлением обмотки. Все это приближает ИСПН к идеальному варианту. Это подтверждают и переходные процессы: характер процесса — апериодический, ПО_– составляет 2,2% от номинального значения выходного напряжения, ПО₊ — 3,3% без дополнительных конденсаторов на выходе. Длительность переходного процесса около 150 мкс.

Однако любое несоблюдение условий (1) приводит к отклонению измеренного значения ПО от расчетного в бóльшую сторону. На рис. 8 показано влияние запаздывания в узле ОС на величину ПО преобразователя серии МАА80-1С05 (выходная мощность 80 Вт, входное переменное напряжение 220 В, выходное постоянное напряжение 5 В, частота преобразования около 200 кГц). На выходе преобразователя дополнительно установлен конденсатор 2200 мкФ. Желтым цветом показана переменная составляющая выходного напряжения, зеленым — управляющий импульс на выходе ШИМ-контроллера. После скачкообразного уменьшения выходного тока с 16 до 1,6 А еще три периода длительность управляющего импульса не меняется, хотя выходное напряжение увеличивается. И только на четвертом периоде чуть заметно ее уменьшение. Полностью импульс блокируется только после 11 периодов работы преобразователя! Неудивительно, что ПО₊ при такой работе ОС превышает 10% относительно номинального значения выходного напряжения даже с дополнительным конденсатором. Уменьшение запаздывания в узле ОС с помощью оптимизации параметров цепей коррекции приводит к неустойчивой работе преобразователя.

Рис. 8. Влияние запаздывания в узле ОС на величину ПО

Применение в фильтре электролитических конденсаторов со значительным эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС) повышает устойчивость преобразователя, но отрицательно сказывается на его динамике. На рис. 9 показана осциллограмма ПО того же преобразователя при скачкообразном увеличении выходного тока с 0 до 16 А без дополнительных конденсаторов на выходе.

Рис. 9. Влияние ЭПС конденсаторов фильтра на величину ПО

ПО_– составляет 24%, что на порядок превышает аналогичный показатель у ИСПН серии МДС12 (рис. 6) при практически таком же диапазоне изменения выходного тока!

Источник

Глава 5. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Для нормальной работы устройств связи необходимо, чтобы напряжение питания или ток, потребляемые этими устройствами, были постоянными. А напряжение или ток на выходе выпрямительных устройств, преобразователей постоянного напряжения или аккумуляторных батарей изменяются во времени в широких пределах под действием дестабилизирующих факторов: колебания питающего напряжения и изменения нагрузки на выходе выпрямительного устройства, а также изменения окружающей температуры, уменьшение напряжения аккумуляторных батарей в процессе их разряда и др.

Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов применяют стабилизаторы. Стабилизатором напряжения или тока называется устройство, автоматически поддерживающее неизменным напряжение или ток на нагрузке с заданной степенью точности при изменении дестабилизирующих факторов.

В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы постоянного напряжения (тока) и стабилизаторы переменного напряжения (тока). По способу стабилизации они подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

В настоящее время наиболее часто применяются компенсационные стабилизаторы напряжения (тока) на полупроводниковых приборах, которые в свою очередь подразделяются по признакам, приведенным ниже.

По способу включения регулирующего элемента и нагрузки: с последовательным и параллельным включением. По режиму работы регулирующего элемента: с непрерывным и импульсным регулированием.

Качество работы стабилизатора характеризуется коэффициентами стабилизации, которые показывают, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения:

при I_ном = const.

,

Важным параметром стабилизатора является температурный коэффициент по напряжению ТКН, или g_н, показывающий изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды при неизменными входном напряжении (U_вх = const) и токе нагрузки (I_н = const).

Энергетическим показателем качества работы стабилизатора является КПД (h), равный отношению активной мощности, отдаваемой стабилизатором в нагрузку, к активной мощности, потребляемой стабилизатором от сети: h = Р_вых/Р_вх.

Внутреннее сопротивление стабилизатора r_i, равно отношению приращения выходного напряжения DU_вых к приращению тока нагрузки DI_н при неизменном входном напряжении U_вх = const, r_i = DU_вых/DI_н.

В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долен ома.

5.2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Параметрическим называется такой стабилизатор, в котором стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов, входящих в его состав. В параметрических стабилизаторах дестабилизирующий фактор (изменение входного напряжения или тока нагрузки) воздействует непосредственно на нелинейный элемент, а изменение выходного напряжения (или тока) относительно заданного значения определяется только степенью нелинейности вольт-амперной характеристик нелинейного элемента.

В схеме стабилизатора насыщенный дроссель L2 включается параллельно нагрузке Z_н (рис. 5.2). В качестве балластного сопротивления применяется дроссель L1, работающий в режиме насыщения магнитопровода и имеющий линейную вольт-амперную характеристику.

Принцип действия схемы состоит в следующем. При увеличении переменного напряжения на входе стабилизатора U_{вых.пер} увеличится напряжение на выходе U_{вых.пер} на нагрузке и балластном линейном дросселе L1. Ток через насыщенный дроссель резко возрастет. Но при этом падение напряжения на дросселе L1 возрастет, а на дросселе L2 и нагрузке Z_н увеличится незначительно. При уменьшении входного напряжения процессы стабилизации происходят аналогично.

Достоинства такого стабилизатора:

Коэффициент полезного действия такого стабилитрона не превышает 30%, а коэффициент стабилизации К_ст=50. Для получения большего коэффициента стабилизации применяют каскадное включение стабилитронов, но при этом резко уменьшается КПД стабилизатора. Для получения напряжения, большего, чем допускают параметры одного стабилитрона, применяют последовательное включение их (рис. 5.8,б).

Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения на кремниевых стабилитронах имеют следующие недостатки:

Из-за этих недостатков параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах применяются для стабилизации напряжения питания вспомогательных узлов аппаратуры связи, где не требуются высокие показатели их качества.

Достоинства: простота схемы, малые габариты и масса.

Параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах широко используются в компенсационных стабилизаторах напряжения в качестве источников опорного напряжения.

В двухкаскадном параметрическом стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 5.8,б, выходной каскад, состоящий из стабилитрона VD1 и гасящего резистора R_б2, питается от предварительного стабилизатора, выполненного на стабилитронах VD2, VD3, и резистора R_б1. Коэффициент стабилизации такой схемы равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных каскадов.

Параметрические стабилизаторы постоянного тока выполняется на нелинейных элементах, ток которых мало зависит от приложенного к ним напряжения. В качестве такого элемента используется полевой транзистор или МОП-транзистор обедненного типа. Из характеристик этих транзисторов, приведенных на рис. 5.9, видно, что при постоянном напряжении затвор-исток ток стока изменяется незначительно при изменении напряжения сток-исток.

На рис. 5.10 приведена схема параметрического стабилизатора постоянного тока на полевом транзисторе с закороченным участием затвор-исток. Транзистор включен последовательно с сопротивлением нагрузки R_н.

Недостатком этой схемы является невозможность точно установить значение стабилизируемого тока из-за разброса параметров полевых транзисторов. Но, включив в цепь истока резистор автоматического смещения (рис. 5.11), можно построить регулируемый стабилизатор тока.

Стабилизаторы тока применяют в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения для стабилизации входного тока. Его включают вместо гасящего сопротивления (рис. 5.12), что повышает коэффициент стабилизации. При изменении входного напряжения входной ток, ток стабилизатора, а следовательно, и выходное напряжение изменяются незначительно. Применение транзисторного стабилизатора тока вместо гасящего резистора дает возможность повысить КПД параметрического стабилизатора напряжения, так как он работает при меньших значениях входного напряжения.

5.5. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования или системы управления по отклонению. Они выполняются по структурным схемам, приведенным на рис. 5.13.

Выходное напряжение измеряется измерительным элементом и сравнивается с опорным напряжением в схеме сравнения (СС). При отклонении выходного напряжения от заданного значения на выводе СС выделяется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ). Под воздействием сигнала рассогласования изменяется внутреннее сопротивление РЭ, а следовательно, и падение напряжение на нем. Изменение напряжения на РЭ компенсирует отклонение выходного напряжения U_вых от заданного значения с определенной степенью точности. Таким образом, по окончании процесса стабилизации напряжение на выходе будет стабилизировано:

Стабилизация напряжения U_вых на нагрузке осуществляется следующим образом. Допустим, что напряжение на входе стабилизатора U_вх уменьшилось. Выходное напряжение U_вых стабилизатора при этом сначала тоже уменьшится. В результате уменьшится падение напряжения на резисторе R4 следующего делителя R3, R4. Это уменьшение напряжения U2 сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1 и поступает на базу транзистора VT2. Потенциал эмиттера VT2 остается неизменным, так как он определяется опорным напряжением U_оп. Следовательно, положительный потенциал базы VT2 уменьшится, что вызовет уменьшение тока коллектора VT2, в результате чего уменьшатся падение напряжения на резисторе R1 и потенциал базы транзистора VТ1 относительно коллектора. Разность потенциалов между базой и эмиттером VT1 стала больше. В результате уменьшится сопротивление участка эмиттер-коллектор регулирующего транзистора VT1 и падение напряжения на нем, а напряжение на нагрузке R_н восстановится примерно до номинального значения.

Схема компенсационного стабилизатора с последовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки обладает высоким коэффициентом стабилизации К_ст.н напряжения и малым выходным сопротивлением только при малом токе нагрузки (не больше 10 мА). Причиной малой стабилизации в этой схеме является то, что в регулирующем транзисторе VT1 с изменением входного напряжения изменяется и ток базы I_б.р, что ведет к снижению качества стабилизации.

Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению К_ст.н необходимо, чтобы ток коллектора I_к.у VT2 был много больше тока базы I_б2 (I_к.у >> 10 I_б.р).

При выполнении этого условия падение напряжения на резисторе R1 определяется в основном током коллектора усилителя VT2 I_к.у, а изменение тока базы I_б.р теперь уже будет зависеть от падения напряжения на резисторе R1. Выполнение условия I_к.у >> 10 I_б.р достигается применением составного регулирующего транзистора и питанием усилителя от отдельного стабилизированного источника питания.

Принципиальная схема питания усилителя от отдельного стабилизированного источника приведена на рис. 5.15. Здесь питание усилителя VT3 осуществляется суммой стабилизированных напряжений U_вых+U_VD2. Напряжение U_VD2, стабилизируемое параметрическим стабилизатором на VD2 и балластном резисторе R3, получается от отдельного источника U_вх2.

В компенсационном стабилизаторе постоянного напряжения имеется возможность регулировать напряжение на выходе U_вых. Это осуществляется изменением сопротивления переменного резистора R4. Изменяя напряжение на базе усилительного транзистора, можно изменять его коллекторный ток I_к.у, а следовательно, и падение напряжения от этого тока на резисторе R1, в результате чего изменяется сопротивление перехода эмиттер-коллектор регулирующего транзистора. Вследствие этого будет изменяться стабилизируемое напряжение U_вых в определенных пределах.

Для стабилизации параметров усилителя при изменении температуры окружающей среды в схемах компенсационных стабилизаторов применяют дифференциальный усилитель постоянного тока.

Принципиальная схема такого усилителя с эмиттерной связью приведена на рис. 5.16. Усилитель подключается к выходному напряжению стабилизатора U_вых.ст. На один вход U_вх2 подается часть напряжения с выхода стабилизатора через следящий делитель R5, R6. На другой вход усилителя U_вх1 подается опорное напряжение со стабилитрона VD и резистора R1.

Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2. А так как эти транзисторы связаны общим резистором в цепи эмиттеров R3, увеличение тока коллектора одного из транзисторов вызывает уменьшение

тока коллектора другого. В результате ток через резистор R3 и напряжение на выходе усилителя U_вых.у изменяются незначительно. В дифференциальном усилителе постоянного тока компенсируется температурный дрейф напряжения эмиттер-база транзисторов VT1 и VT2.

Принципиальная схема полупроводникового стабилизатора напряжения с параллельно включенным транзистором приведена на рис. 5.17. Она состоит из регулирующего транзистора VT1, балластного резистора R_б, усилительного элемента на транзисторе VT2 и резисторе R3, источника опорного напряжения (ИОН) VD1 и R_б1, делителя напряжения R1, RP, R2, дополнительного источника U₀ и R_б2, VD2 для питания усилительного элемента схемы и выходной емкости С.

Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. При увеличении входного напряжения начинает увеличиваться напряжение на выходе U_вых. Увеличится и падение напряжения на резисторе R2 U_вых2. Потенциал базы станет более отрицательным по отношению к эмиттеру. Ток коллектора усилительного транзистора VT2 увеличится. Это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R3. В результате этого увеличится отрицательный потенциал на базе регулирующего транзистора VT1, что приведет к возрастанию коллекторного тока I_к1 и вызовет рост общего тока схемы I₁ = I_к1 + I_н. А следовательно, увеличится падение напряжения на балластном резисторе R_б, что вызовет уменьшение напряжения на выходе стабилизатора до первоначального значения. Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором RP.

Основные достоинства стабилизаторов с параллельным включением РЭ по сравнению с стабилизаторами с последовательным включением РЭ: постоянство входного тока при изменениях сопротивления нагрузки (при постоянном входном напряжении) и нечувствительность к коротким замыканиям на выходе.

Недостаток: низкий КПД.

Структурная схема компенсационного стабилизатора постоянного тока с последовательным включением РЭ приведена на рис. 5.18. Напряжение на измерительном элементе ИЭ линейно зависит от изменения тока нагрузки I_н. Принцип действия схемы состоит в следующем. При изменении сопротивления нагрузки R_н начинает изменяться ток нагрузки I_н, что вызывает изменение; падения напряжения на ИЭ. Напряжение на ИЭ сравнивается с опорным напряжением, и их разность подается на вход усилителя постоянного тока УПТ, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.

Сопротивление регулирующего элемента изменяется так, что происходит компенсация отклонения тока нагрузки I_н от номинального значения.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора тока приведена на рис. 5.19. Здесь функцию измерительного элемента выполняет резистор R4. Допустим, что сопротивление нагрузки уменьшилось. Ток нагрузки I_н увеличился, падение напряжения на резисторе R4 также увеличилось. В результате положительный потенциал на базе усилительного транзистора VT3 возрастает. Потенциал эмиттера VT3, определяемым источником опорного напряжения на стабилизаторе VD1, не изменится. Ток коллектора VT3 и падение напряжения на резисторе R1 увеличиваются, понижая потенциал базы составного транзистора регулирующего элемента VT1, VT2. Ток базы составного транзистора уменьшается. Падение напряжения на переходе эмиттер-коллектор транзистора VT1 увеличивается, уменьшая напряжение на сопротивлении нагрузки R_н. Появившееся увеличение тока компенсируется и поддерживается на заданном уровне с определенной степенью точности. Стабилизация тока, протекающего через изменяющееся сопротивление нагрузки, осуществляется за счет автоматического изменения напряжения, прикладываемого к этому сопротивлению.

5.6. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для стабилизации переменного напряжения в качестве регулирующего элемента используются ферромагнитные устройства, сопротивление которых переменному току изменяется в зависимости от постоянного тока, формируемого цепью обратной связи.

Простейшая функциональная схема компенсационного стабилизатора переменного напряжения приведена на рис. 5.20. Отклонение выходного переменною напряжения U_{вых.пер} от номинального значения измеряется измерительным элементом ИЭ и сравнивается с опорным напряжением. Полученный в результате сравнения сигнал рассогласования усиливается усилителем постоянного тока УПТ. Усиленный ток I_у поступает в обмотку управления ОУ реактора насыщения РН и изменяет степень подмагничивания магнитопровода РН. От этого изменяется сопротивление его рабочей обмотки РО переменному току, а следовательно, и падение напряжения на ней, что компенсирует отклонение действующего или амплитудного выходного напряжения от номинального значения. Питание УПТ осуществляется от отдельного выпрямителя ВСВ.

Достоинства стабилизатора переменного напряжения с реактором насыщения:

Лучшие показатели качества стабилизации переменного напряжения можно получить, применяя в качестве регулирующего элемента трансформаторы и автотрансформаторы с перераспределением напряжения. В них мощность разделена на регулируемую и нерегулируемую. Стабилизируется в них напряжение только той части потока мощности, которая связана с изменением входного напряжения U_вх. Поэтому регулирующий элемент такого стабилизатора выполняется на небольшую мощность, которая определяется током нагрузки и изменением входного напряжения U_вх.

Трансформатор с перераспределением напряжения (ТрПН) имеет три отдельных магнитопровода а, b, с (рис. 5.21). На двух магнитопроводах (а и b) имеются обмотки управления W_la и W_1b, предназначенные для изменения степени подмагничивания в зависимости от подводимых к ним постоянных напряжений U_ya и U_yb.

Основной поток мощности передается ненасыщающимся трансформатором на магнитопроводе с. Трансформаторы на магнитопроводе а и b предназначены для изменения напряжения. Первичные их обмотки соединяются между собой последовательно и подключаются параллельно первичной обмотке W₁ трансформатора на магнитопроводе с, передающего основной поток мощности. Все вторичные обмотки трансформаторов W_2a, W_2b и W_2c соединены между собой последовательно. Причем обмотка W_2а включена встречно с обмотками W_2c и W_2b.

Таким же регулирующим элементом может быть и автотрансформатор с перераспределением напряжения (АТрПН).

5.7. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НА МИКРОСХЕМАХ

В настоящее время промышленность выпускает интегральные компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием серии К142ЕН трех групп:

Достоинства интегральных стабилизаторов постоянного напряжения компенсационного типа с непрерывным регулированием:

Чаще применяются стабилизаторы К142ЕН1 и К142ЕН2. Кроме основного своего назначения они используются в качестве активных сглаживающих фильтров, стабилизаторов тока, пороговых устройств, устройств защиты и т.д.

На рис. 5.22 приведены схема интегрального стабилизатора компенсационного типа и один из способов ее включения. Регулирующий элемент стабилизатора выполнен на составном транзисторе VT4, VT3. Источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор на стабилитроне VD1. Опорное напряжение со стабилитрона VD1 поступает на вход эмиттерного повторителя на транзисторе VT5 и резисторах R1, R2. С термокомпенсирующего диода VD2 и резистора R2 на вход транзистора VT6 подается постоянное стабилизированное напряжение. Транзистор VT6 включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого служит резистор R3. Напряжение на резисторе R3 постоянно и равно напряжению на резисторе R2. Усилитель постоянного тока выполнен на транзисторах VT7 и VT2. Полевой транзистор VT2 является коллекторной нагрузкой транзистора VT7. Транзистор VT2 имеет большое дифференциальное сопротивление, что повышает коэффициент усиления по постоянному току и уменьшает влияние изменения входного напряжения на выходное.

Для защиты стабилизатора от короткого замыкания и перегрузок в схему включен транзистор VT9. Выключение стабилизатора можно осуществить с помощью транзистора VT8. Для работы стабилизатора нужно подключить к схеме делитель обратной связи R8, R9, который имеет с источником опорного напряжения образует схему управления. Кроме того, к схеме надо подключить резисторы схемы защиты R5—R7 и выходной конденсатор С.

Схема работает следующим образом. При увеличении входного напряжения начинает возрастать и выходное напряжение U_вых. Увеличивается напряжение на нижнем плече R9 U_R9, а следовательно, положительный потенциал на базе транзистора VT7 увеличится. Его базовый и коллекторный ток возрастут. Увеличится падение напряжения на нагрузке транзистора VT7, т.е. на VT2, что приведет к уменьшению токов базы регулирующего элемента VT3, VT4, которые закрываются, и напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT4 возрастает. Это приводит к уменьшению выходного напряжения до первоначального значения. Регулировка выходного напряжения в схеме осуществляется переменным резистором R8.

Дистанционное выключение стабилизатора осуществляется подачей внешнего положительного сигнала на базу транзистора VT8. Он открывается, а составной регулирующий транзистор VT3, VT4 запирается. Напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до нуля.

5.8. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Стабилизатор напряжения (тока), регулирующий элемент которою работает в режиме периодического переключения, называется стабилизатором с импульсным регулированием или импульсным стабилизатором (ключевым).

Импульсные стабилизаторы подразделяются:

Отличительной особенностью импульсных стабилизаторов является высокий КПД стабилизатора в целом (до 0,9). Это является следствием импульсного режима работы регулируемого элемента, в котором выделяется наиболее значительная часть мощности, теряемой на элементах схемы стабилизатора. Регулирующим элементом в импульсных стабилизаторах является периодически замыкающийся и размыкающийся транзисторный ключ. В режиме переключения транзистор большую часть времени находится в режимах насыщения и отсечки. В этих режимах выделяемая в транзисторах мощность мала, так как либо напряжение, либо ток транзистора весьма невелики. А активный режим переключения проходит очень быстро. Поэтому теряемая на регулирующем элементе мощность невелика.

Принцип действия импульсного стабилизатора постоянного напряжения состоит в следующем. Постоянное входное напряжение U_вх с помощью регулирующего элемента преобразуется в импульсное и поступает на выход, на нагрузку, также в виде импульсов. Поэтому для получения на выходе постоянного напряжения в импульсном стабилизаторе необходим сглаживающий фильтр. При изменении длительности управляющих импульсов соответственно меняется длительность импульсов выходного напряжения, а следовательно, изменяется и среднее значение напряжения на нагрузке. Если теперь в схему управления ввести сигнал, пропорциональный отклонению среднего напряжения на нагрузке от заданного, то в схеме будет осуществляться стабилизация выходного напряжения.

Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения приведена на рис. 5.23. Стабилизатор имеет в своем составе: регулирующий элемент РЭ, сглаживающий фильтр СФ и схему управления, состоящую из схемы сравнения СС, усилителя У и преобразователя П. Схема сравнения и усилитель такие же, как и в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия. В качестве преобразователя применяются генераторы импульсов: мультивибраторы, триггеры.

5.9. СТАБИЛИЗАТОРЫ С ДВУХПОЗИЦИОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

В стабилизаторах с двухпозиционным регулированием изменяется и частота работы ключа, и длительность его замкнутого состояния. При этом регулирующий элемент переключается из замкнутого состояния в разомкнутое и обратно, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания или отпускания следящей системы, управляющей работой регулирующего элемента.

Принципиальная схема импульсного стабилизатора двухпозиционного (релейного) напряжения приведена на рис. 5.24. Она включает в себя следующие элементы: регулирующий элемент на составном транзисторе VT11, VT12, фильтр (LC_н, VD2), схему сравнения и усилитель постоянного тока (R1, RP, R2, VD_он, R_г, VT_y), триггер на туннельном диоде VD_тг, транзисторе VT4 и резисторе R8, промежуточный усилитель (VT3, R3, R4, R5). Запирание регулирующего транзистора осуществляется с помощью транзистора VT2. Элементы R6, R_зап, VD1, С_зап обеспечивают надежное запирание регулирующего транзистора. Цепочка R9, С1 увеличивает частоту автоколебаний стабилизатора.

Принцип действия схемы состоит в следующем. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение U_вх. Допустим, что напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось до значения, равного напряжению срабатывания триггера на VT4 и VD_тг. Триггер срабатывает, транзистор VT4 закрывается, и ток его коллектора скачком уменьшается до нуля. Ток через резистор R5 не протекает, положительный потенциал его базы уменьшился, и он закрывается. Ток через R3 не протекает, потенциал базы VT2 повышается, и VT2 закрывается. Транзисторы VT12 и VT11 открываются, конденсатор С_зап заряжается через резистор R6, напряжение на входе фильтра в точках А, Б скачком возрастает до напряжения U_вх, диод VD2 закрывается, так как потенциал его катода становится положительным. Ток через регулирующий транзистор VT11 и дроссель начинает увеличиваться, а напряжение на выходе стабилизатора уменьшается, пока не уменьшится до значения, равного току нагрузки I_н, после чего начинает расти.

Достоинства стабилизатора с релейным управлением: простота схемы и относительно большое быстродействие.

Недостаток: наличие пульсаций на выходе.

5.10. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Если отклонение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение режима работы генератора импульсов (ГИ), на выходе которого формируются импульсы изменяющейся длительности, то такой способ формирования импульсного сигнала называется широтно-импульсной модуляцией первого рода. Структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с ШИМ первого рода приведена на рис. 5.25, а.

Если напряжение на выходе стабилизатора U_вых сравнивается с линейно изменяющимся напряжением U_пл(t), имеющим постоянный период повторения Т (рис. 5.26), а длительность импульсов относительно постоянных значений nT определяется моментом сравнения этих напряжении, то такой способ формирования импульсного сигнала называется широтно-импульсной модуляцией второго рода. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис. 5.25, б.

Процесс формирования импульсного сигнала в широтно-импульсном модуляторе второго рода показан на рис. 5.26. Здесь на верхнем рисунке-графике показаны пилообразные импульсы с линейно изменяющимся передним фронтом U_пл(t). На этом же графике кривая U_вых(t) изображает изменяющееся напряжение на выходе стабилизатора. На нижнем графике показаны импульсы, ширина (длительность) которых изменяется с изменением выходного напряжения стабилизатора. Начала импульсов верхнего и нижнего графиков совпадают, а окончания определяются выходным напряжением. В результате получаются импульсы, ширина которых пропорциональна отклонениям выходного напряжения.

Принципиальная схема стабилизатора с ШИМ приведена на рис. 5.27. Она немного отличается от схемы релейного стабилизатора (см. рис. 5.24). На вход усилителя подаются пилообразное напряжение U_упр и постоянное смещение с делителя схемы сравнения на R8, R9, R10. Когда напряжение на базе усилительного транзистора достигнет значения, при котором ток коллектора VT_y окажется равным току срабатывания триггера (VD2) (t₁ на рис. 5.27, б), триггер на туннельном диоде и VT4 срабатывают. Транзисторы VT4, VT3 и VT2 открываются, a VT12 и VT11 закрываются. Напряжение на выходе фильтра (точки А, Б) скачком уменьшится до нуля. Когда пилообразное напряжение на базе транзистора VT4 уменьшится (t₂ на рис. 5.27, б) до значения, при котором ток коллектора усилительного транзистора станет равным току отпускания триггера, триггер сработает, транзисторы VT4, VT3 и VT2 закрываются, a VT12 и VT11 открываются. Напряжение на выходе фильтра скачком увеличится и станет равным входному напряжению U_вх. В дальнейшем триггер и регулирующий транзистор непрерывно будут переключаться под воздействием внешнего переменного сигнала. При увеличении напряжения на входе стабилизатора время открытого состояния транзисторов VT12 и VT11 уменьшается. Поэтому уменьшается длительность импульса на входе фильтра, а среднее значение выходного напряжения возвращается к своему первоначальному значению с определенной степенью точности.

5.11. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТИРИСТОРАХ

Функциональная схема тиристорного стабилизатора постоянного напряжения приведена на рис. 5.29. Она содержит выпрямитель, напряжение на выходе которого должно быть стабилизировано схемой. Принцип стабилизации в этой схеме основан на изменении угла включения тиристора a_т. Изменение выходного напряжения стабилизатора после схемы сравнения поступает на усилитель, после которого подается на схему управления, где формируются управляющие импульсы. Фаза их зависит от отклонения выходного напряжения. При увеличении выходного напряжения стабилизатора U_вх увеличивается. Это приводит к уменьшению времени работы тиристора, а значит, и к уменьшению тока через трансформатор Тр. Напряжение па выходе трансформатора уменьшится и уменьшит напряжение на выходе стабилизатора U_вых до прежнего значения.

На рис. 5.30 приведена схема стабилизированного источника питания на тиристорах. Напряжение сети выпрямляется мостовой схемой на диодах VD2—VD5 и тиристорах VS1, VS2. Управление тиристорами осуществляется от дифференциального магнитного усильтеля МУ, напряжение на который подается через трансформатор Тр2. Стабилизация напряжения его первичной обмотки осуществляется стабилитронами VD8 и VD9. Эта стабилизация обеспечивает постоянство амплитуды тока тиристорами при изменении напряжения сети. Питание обмотки управления МУ (W_y) осуществляется от вспомогательного мостового выпрямителя VD10—VD13. Сигнал управления на эту мостовую схему подается с выхода второго каскада усилителя на транзисторе VT3.

Работа схемы происходит следующим образом. Изменение выходного напряжения после схемы сравнения и усиления сигнала управления подается в обмотку W_y дифференциального магнитного усилителя. Изменяющийся ток в обмотке управления вызывает изменение угла включения тиристоров a_т, что приводит выходное напряжение к прежнему значению.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что такое стабилизатор напряжения и стабилизатор тока?

2 Поясните назначение стабилизаторов напряжения и тока.

3 Какие стабилизаторы называются параметрическими?

4 Нарисуйте параметрическою схему стабилизатора напряжения на дросселе с насыщенным сердечником и поясните ее работу.

5 Нарисуйте схему феррорезонансного стабилизатора переменного напряжения и поясните принцип ее работы.

6 Назовите достоинства феррорезонансных стабилизаторов.

7 Нарисуйте вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона.

8 Поясните принцип действия стабилитрона.

9 Назовите особенности параметрического стабилизатора на кремниевом стабилитроне.

10 Нарисуйте схему параметрического стабилизатора постоянного тока на полевом транзисторе и поясните ее работу.

11 Что такое компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения?

12 Перечислите основные элемент схемы компенсационного стабилизатора.

13 Нарисуйте схему компенсационного стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента.

14 Нарисуйте принципиальную схему стабилизатора с применением составного транзистора и поясните ее особенности.

15 Нарисуйте схему компенсационного стабилизатора постоянною напряжения с параллельным включением регулирующею элемента и поясните принцип ее работы.

16 Нарисуйте схему компенсационного стабилизатора постоянного тока с последовательным включением регулирующего элемента и поясните ее работу.

17 Нарисуйте функциональную схему компенсационного стабилизатора переменного напряжения и поясните принцип ее работы.

18 Поясните работу стабилизатора переменного напряжения на трансформаторе с перераспределением напряжения.

19 Поясните особенности компенсационного стабилизатора на микросхеме.

20 Поясните работу импульсного стабилизатора напряжения.

21 Нарисуйте структурную схему импульсного стабилизатора напряжения и поясните ее работу.

22 Нарисуйте принципиальную схему двухпозиционного стабилизатора напряжения и поясните ее работу.

23 Поясните принцип действия стабилизатора с широтно-импульсным регулированием.

24 В чем состоит сущность работы стабилизатора напряжения на тиристорах?

Источник