Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.

Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и нагрузку (R_Н). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U₂. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (U_ЭТ). Напряжение обратной связи (U_ОС) снимается с нижнего плеча ДН (R_Д2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение U_ОС и U_ЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение (сигнал ошибки Uε = U_ОС - U_ЭТ), что приводит к изменению тока управления (I_У) и изменению падения напряжения на РЭ (∆U_РЭ). Напряжение на выходе (U₂) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U₁) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Uε), уменьшение тока управления (I_У) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.

Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из- за возможных перегрузок РЭ по току.

Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ:

 

При возрастании входного напряжения U₁ в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U₂ и, следовательно U_ОС. Последнее приводит к возрастанию напряжения ошибки Uε, тока управления I_У и потребляемого тока I_1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе DU_Rб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД из-за потерь на балластном резисторе R_б, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.

 

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора

Напряжения

 

На рисунке представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрервного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе – VT2, источником эталлоного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R₂ ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R₃, R₄.

При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени возрастает напряжени на нагрузке U₂ и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R₄. Напряжение ошибки U_e увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наболее положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По закону Кирхгофа для узла:

I_δ1 = I₁ – I_K2, поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения ∆U_КЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке восстанавливается.

Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U_1ном.

При возрастании напряжения U₁ катет прямоугольного треугольника U₂ остается постоянным, изменяется падение напряжения ∆U_КЭ1 = U₁ – U_2. Рабочая точка переходит из положения “1” в “2”.

Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки.

 

При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника I_К1, что приводит к увеличению падения напряженя на РЭ - ∆U_КЭ1 и уменьшению напряжения на нагрузке. Рабочая точка переходит из положения “1” в “2” и происходит приоткрывание транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается.

Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

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

1 Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции (интегро-дифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U_Н. Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U₁ , увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для увеличения коэффициента усиления УПТ можно увеличить сопротивление нагрузки R1 и, соответственно, напряжение питания и подавать его на УПТ от отдельного внешнего источника с большим уровнем напряжения.

 

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 между базой и эмиттером транзистора VT1. При этом выходной ток стабилизатора тока (I_K1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня напряжения обратной связи.

3

Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения

 

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LC), схему управления.

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет три 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 (ШИМ) 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 деления K1 = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи K2 (Ue = U_ОС – U_ЭТ); компаратор напряжения K3, 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.

 

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения

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, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. По сигналу ошибки Ue изменяется состояние РЭ, засчет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U₂. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого коэффициента усиления К_пет:

где К1- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К2=β₁× β₂××× βn– коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

 

 

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия – К3=β₁× β₂××× βn– коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия:

, где U_пм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: