Физика и схемотехника компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием

ЛЕКЦИЯ 3

 

СХЕМОТЕХНИКА КОМПЕНСАЦИОННЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА C НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

 

Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием (КСН с НР), часто называемые линейными, являются наиболее распространенными устройствами источников вторичного электропитания. КСН с НР строятся как на дискретных компонентах, так и в интегральном исполнении. КСН с НР представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую регулирующий элемент и цепь отрицательной обратной связи. Стабилизация напряжения в рассматриваемых устройствах осуществляется соответствующим изменением параметров регулирующего элемента при воздействии на него сигнала обратной связи.

 

Физика и схемотехника компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием

 

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают лучшими параметрами, чем параметрические стабилизаторы. Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием выполняют по двум функциональным схемам: либо с последовательным (рис. 3.1), либо с параллельным (рис. 3.2) включением регулирующего элемента и нагрузки .

Рис. 3.1. Функциональная схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки

Со схемотехнической точки зрения у КСН с НР, построенных с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки , последние (РЭ и ) представляют собой делитель входного напряжения. При этом часть входного напряжения формирует выходное, а разность входного и выходного напряжений компенсируется на регулирующем элементе.

Принцип действия КСН с НР, выполненного по схеме с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки (рис. 3.1) состоит в следующем. Пусть напряжение на входе КСН с НР увеличилось, тогда возрастут и напряжения на параллельно включенных нагрузке и делителе выходного напряжения (ДН). С делителя выходного напряжения часть выходного напряжения подается на первый вход усилителя постоянного тока (УПТ), а на второй вход усилителя подается напряжение с источника опорного напряжения (ИОН). Разность напряжений, подаваемых на УПТ, последним усиливается и подается на регулирующий элемент, изменяя его режим работы так, чтобы выходное напряжение КСН с НР достигло первоначальной величины или весьма близкой к ней.

Рис. 3.2. Функциональная схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки

 

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения предназначен сглаживающий фильтр (СФ).

Таким образом, напряжение на нагрузке КСН с НР остается постоянным благодаря компенсации регулирующим элементом вариаций входного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования. В этой системе возмущение, возникшее в любом ее звене, пройдет через всю систему, после чего вернется в то же звено. При этом, в зависимости от параметров системы, возмущение, пройдя через нее, может ослабиться или усилиться. Если возмущение усилится, то переходной процесс будет нарастающим, и система превратится в генератор колебаний, амплитуда которых ограничена нелинейностью системы, а частота определяется ее эквивалентными параметрами. Такая система регулирования называется неустойчивой и в ней стабилизация невозможна. Если возмущение будет ослаблено, то переходный процесс станет затухающим, а система регулирования – устойчивой. Для превращения неустойчивой системы в устойчивую в нее вводят отрицательную обратную связь.

В компенсационных стабилизаторах напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки для сохранения неизменным выходного напряжения компенсация вариаций входного напряжения осуществляется на гасящем резисторе (рис. 3.2). С физической точки зрения принцип действия данного типа стабилизаторов напряжения и рассмотренного ранее (рис. 3.1) аналогичны. Параллельные стабилизаторы имеют меньший КПД и используются реже. Для стабилизации при повышенных токах и напряжениях чаще используются последовательные стабилизаторы, однако они чувствительны к короткому замыканию нагрузки и требуют обязательного применения защиты от короткого замыкания выходной цепи. Стабилизаторы напряжения параллельного типа не требуют принятия специальных мер защиты от короткого замыкания на выходе.

В компенсационных стабилизаторах напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки компенсация вариаций входного напряжения осуществляется на гасящем резисторе (рис. 3.2). С физической точки зрения принцип действия данного типа стабилизаторов напряжения и рассмотренного ранее совпадают. Поэтому в дальнейшем можно анализировать только процессы в КСН с НР, выполненном по схеме, показанной на рис. 3.1.

Принципиальная электрическая схема КСН с НР и последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки приведена на рис.3.3. Функциональные блоки компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием, показанные на рис. 3.1, в принципиальной схеме, приведенной на рис. 3.3, реализованы следующими электрорадиоэлементами: РЭ – транзистор , УПТ – транзистор и резистор , ИОН – стабилитрон и резистор , ДН – резисторы , и , СФ – конденсаторы и . Конденсаторы С 1 и С 2 гасят броски напряжения, вызванные переходными процессами и предотвращают самовозбуждение стабилизатора. Емкость этих конденсаторов не может быть большими, иначе при включении будет срабатывать защита от короткого замыкания. Обычно в качестве конденсатора С 1 используют керамический безиндуктивный конденсатор емкостью около 0,1 мкФ, а в качестве конденсатора С2 – электролитический конденсатор емкостью несколько десятков мкФ, зашунтированный керамическим конденсатором емкостью 0,1 мкФ.

Рис. 3.3. Топология компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием и последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки

 

Принцип действия КСН с НР состоит в следующем. При изменении тока нагрузки, например, увеличении в первый момент времени выходное напряжение компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием уменьшится из-за увеличения падения напряжения на регулирующем транзисторе (напряжение на входе остается неизменным). Это вызывает уменьшение падения напряжения на нижнем плече делителя выходного напряжения , которое приложено между базой усилительного транзистора и минусовой шиной стабилизатора напряжения. Параметрический стабилизатор напряжения обеспечивает неизменность напряжения между эмиттером усилительного транзистора и минусовой шиной стабилизатора напряжения. Поэтому падение напряжения между базой и эмиттером усилительного транзистора уменьшится.

Уменьшение напряжения между базой и эмиттером усилительного транзистора приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора . Последнее приводит, в свою очередь, к увеличению базового тока регулирующего транзистора . Известно, что при увеличении тока базы биполярного транзистора падение напряжения меду его коллектором и эмиттером уменьшается. Последнее (при постоянном входном напряжении) приводит к приоткрыванию транзистора (уменьшению его сопротивления), а значит и обеспечивает возврат выходного напряжения до первоначального значения.

Если в рассматриваемой схеме КСН с НР отсутствует конденсатор , то коэффициент сглаживания пульсаций приблизительно равен коэффициенту стабилизации выходного напряжения по входному .

Включение конденсатора параллельно верхнему плечу делителя выходного напряжения , то есть при шунтировании по переменной составляющей напряжения наблюдается рост по сравнению с . Емкость конденсатора выбирают такой, чтобы его сопротивление было, по крайней мере, на порядок меньше сопротивления верхнего плеча делителя выходного напряжения, то есть

где , – частота. Из этого соотношения можно получить формулу для расчета емкости конденсатора

Следует иметь в виду, что уменьшение емкости конденсатора за счет увеличения сопротивления не рекомендуется, так как при увеличении сопротивления надо увеличивать также и сопротивление нижнего плеча делителя выходного напряжения. А это приводит к росту постоянной времени нижнего плеча ДН, равной , где – емкость монтажных проводов и входная емкость усилительного транзистора . Увеличение постоянной времени уменьшает ослабление пульсации выходного напряжения, что вызывает необходимость дополнительного увеличения емкости конденсатора .

Пределы регулирования выходного напряжения в рассматриваемом КСН с НР могут быть определены следующим образом.

Как видно из рис. 3.3, напряжение на нижнем плече делителя выходного напряжения равно сумме напряжения на стабилитроне и напряжения между базой и эмиттером усилительного транзистора , то есть

(3.1)

В соответствии с законом Ома можно записать

(3.2)

где – сопротивление потенциометра между его движком и резистором

Из соотношений (3.1) и (3.2) следует

где – коэффициент передачи делителя выходного напряжения.

Эту формулу можно упростить, если учесть, что, (обычно порядка 0,7 В, а напряжение стабилизации стабилитрона В. Тогда

(3.3)

Из полученного выражения (3.3) следует, что стабильность выходного напряжения в значительной степени зависит от стабильности напряжения ИОН. Уравнение (3.3) после перехода к конечным приращениям имеет вид

(3.4)

Учитывая, что , из уравнения (3.4) следует, что

(3.5)

Нестабильность выходного напряжения в значительной степени зависит от стабильности ИОН и превышает изменение опорного (эталонного) напряжения .

То есть у компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием изменение выходного напряжения превышает изменение опорного (эталонного) напряжения .

Принципиальная электрическая схема КСН с НР и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки приведена на рис. 3.4.

Функциональные блоки компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием, показанные на рис. 3.2, на принципиальной электрической схеме, приведенной на рис. 3.4, реализованы следующими электрорадиоэлементами: – гасящий резистор, РЭ – транзистор , УПТ – транзистор и резистор , ИОН – стабилитрон и резистор , ДН – резисторы , и , СФ – конденсатор .

Стабилизаторы напряжения параллельного типа находят применение при небольших токах нагрузки или, когда ток нагрузки изменяется в достаточно узком диапазоне.

Из анализа процессов в КСН с НР следует, что повышение стабильности выходного напряжения можно достичь, по крайней мере, тремя схемотехническими методами:

- увеличивая сопротивление коллекторной нагрузки усилительного транзистора, то есть, используя динамическую нагрузку;

- улучшая стабильность напряжения питания усилителя постоянного тока;

- осуществляя температурную компенсацию опорного напряжения.

Пример реализации первого метода (применение динамической нагрузки для УПТ) приведен на принципиальной электрической схеме, показанной на рис. 3.3. В рассматриваемом КСН с НР в коллекторную цепь усилительного транзистора включена динамическая нагрузка. Она представляет собой параметрический стабилизатор тока, состоящий из транзистора , резисторов и и стабилитрона .

Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки

 

Этот ПСТ обеспечивает стабильность коллекторного тока транзистора VT 1, то есть выполнение условия . Учитывая, что , то изменения токов и равны по модулю. Поэтому при увеличении возрастают , токи базы и коллектора транзистора , а ток базы регулирующего транзистора уменьшается. Это приводит к увеличению падения напряжения на нем, а значит к возврату выходного напряжения к исходному.

Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулирование и использованием динамической нагрузки для усилителя постоянного тока

 

Такой схемотехнический прием на порядок улучшает коэффициент стабилизации устройства.

Реализация второго метода (повышение стабильности напряжения питания усилителя постоянного тока) улучшения стабильности выходного напряжения КСН с НР может быть выполнена, если питать УПТ с динамической нагрузкой от дополнительного стабилизированного источник питания согласно принципиальной электрической схеме, приведенной на рис. 3.6. Дополнительный источник электропитания выполнен в виде параметрического стабилизатора напряжения , у которого функцию гасящего резистора выполняет стабилизатор тока (стабилиток) .

Усилитель постоянного тока в рассматриваемой схеме КСН с НР питается напряжением, которое определяется суммой напряжений и , то есть напряжениями формируемыми дополнительным источником электропитания и самим стабилизатором напряжения.

При изменении , например, при увеличении потенциал базы усилительного транзистора становится более положительным, а его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Напряжение на резисторе равно разности напряжений на стабилитроне и регулирующего транзистора , то есть

(3.6)

Учитывая, что напряжение изменяется незначительно из-за нелинейности входной характеристики транзистора , а напряжение также изменяется незначительно из-за нелинейности ВАХ стабилитрона, то и падение напряжения можно считать постоянным. Тогда и ток , протекающий через резистор , является постоянным. Поэтому можно записать, что

	(3.7)
В соответствии с уравнением (3.7) при постоянном токе изменения и равны по величине, но различаются по знаку. Следовательно, увеличение коллекторного тока усилительного транзистора приводит к уменьшению базового тока регулирующего транзистора , что вызывает увеличение падения напряжения между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, а, значит, и к сохранению неизменным выходного напряжения КСН с НР. Пример использования третьего метода (применение температурной компенсации опорного напряжения) для улучшения стабильности выходного напряжения КСН с НР иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 3.7.
Рис. 3.6. Компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного регулирования с дополнительным стабилизированным источником электропитания для усилителя постоянного тока

 

Рис. 3.7. Компенсационный стабилизатор напряжения с непрерывным регулированием и термокомпенсацией опорного напряжения

 

Эталонное напряжение формируется двумя стабилитронами и . Причем стабилитрон , имеющий положительный температурный коэффициент напряжения, включен в режиме стабилизации напряжения, а стабилитрон включен в диодном режиме (его ТКН отрицателен) и обеспечивает термокомпенсацию эталонного напряжения. Такое схемотехническое решение построения ИОН уменьшает влияние теплового состояния КСН с НР на величину выходного стабилизированного напряжения. В типовых схемах КСН с НР источник опорного напряжения питается стабилизированным выходным напряжением. Однако это не устраняет нестабильность выходного напряжения, обусловленную изменением температуры окружающей среды.

Действительно, например, при повышении температуры напряжение стабилизации стабилитрона , имеющего положительный ТКН, увеличивается. Это приводит к уменьшению разности потенциалов между эмиттером и базой усилительного транзистора , а значит, и к уменьшению его коллекторного тока, что обуславливает увеличение базового тока регулирующего транзистора . Это эквивалентно его приоткрыванию, а, значит, и уменьшению падения напряжения на регулирующем транзисторе и росту выходного напряжения всего стабилизатора напряжения.

В КСН с НР ток через регулирующий транзистор один и то же, что и ток нагрузки. На регулирующем транзисторе рассеивается значительная мощность, зачастую превышающая мощность в нагрузке.

Поэтому при проектировании КСН с НР необходимо применять специальные меры по облегчению работы РЭ:

-снижение падения напряжения на регулирующем транзисторе (стабилизаторы LDO);

-разгрузка РЭ по току и мощности (достигается параллельным включением транзисторов);

-разгрузка РЭ по напряжению и мощности (достигается последовательным включением транзисторов);

-уменьшение управляющего тока УПТ, что достигается использованием в качестве силовых транзисторов мощных транзисторов с большим коэффициентом усиления или составных транзисторов (схема Дарлингтона).

 

3.2 Физика и схемотехника компенсационных стабилизаторов тока
с непрерывным регулированием

 

Стабилизаторы тока в отличие от стабилизаторов напряжения, стабилизируют ток, а напряжение на нагрузке будет зависеть от ее сопротивления. Стабилизаторы тока используются: для питания светодиодов; для питания газоразрядных ламп; для заряда аккумуляторов различного типа; широко применяются в составе интегральных микросхем для задания тока усилительных и преобразовательных каскадов. Там они обычно называются генераторами тока.

Особенностью стабилизаторов тока является их большое динамическое (выходное) сопротивление. Это позволяет исключить влияние входного напряжения и сопротивления нагрузки на величину выходного тока. При этом напряжение на нагрузке будет зависеть от ее сопротивления.

В схемотехнике построения стабилизаторов напряжения и тока много общего. В общем случае они могу быть параметрическими, компенсационными с линейным и импульсным регулированием. Различие заключается в том, что в стабилизаторах напряжения используется отрицательная обратная связь по напряжению, а в стабилизаторах тока ООС выполняется по току.

Схемотехника построения компенсационных стабилизаторов тока с непрерывным регулированием (КСТ с НР) (рис. 3.8) и компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (рис. 3.3) во многом подобны. Принципиальное различие КСТ с НР и КСН с НР состоит в том, что в компенсационных стабилизаторах тока с непрерывным регулированием последовательно с нагрузкой включают низкоомный резистор с сопротивлением ~0,5 Ом (на рис. 3.8 потенциометр ), выполняющий функцию датчика тока нагрузки. Напряжение отрицательной обратной связи, снимаемое с датчика тока нагрузки, пропорционально току нагрузки . Оно сравнивается с напряжением, формируемым на стабилитроне параметрического стабилизатора напряжения . Функцию компаратора выполняет транзистор , входящий в УПТ, который, в свою очередь, управляет силовым транзистором .

Рис. 3.8. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора тока с непрерывным регулированием

Это обеспечивает управление регулирующим транзистором . Изменяя сопротивление потенциометра , регулируют стабилизируемый тока нагрузки.

Широкое применение компенсационных стабилизаторов напряжения и тока с непрерывным регулированием объясняется их высокими качественными показателями и хорошей электромагнитной совместимостью с аппаратурой РЭС. Их основными недостатками являются относительно низкий КПД, уменьшающийся с понижением уровня выходных напряжений, а также большие массогабаритные параметры.