Параметрический стабилизатор напряжения

Основные понятия и определения

В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке.

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С - это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: R_С=U₀/I₀=tga.

Динамическое сопротивление элемента R_Д равно отношению изменения падения напряжения на элементе DU к изменению величины тока, протекающего через элемент DI. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока: R_Д=DU/DI=tgb.

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока : Ða < Ðb; R_С>R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем - простота исполнения и малое количество элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора состоит из гасящего сопротивления R_Г, включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке.

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора.

На рисунке изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U₂=f(I_Н+I_СТ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки I_Н. Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₀, строим из этой точки характеристику сопротивления R_Г. Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R_Г перемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U₂=f(I_Н+I_СТ).

Как видно из рисунка, при изменении входного напряжения от U_1MIN до U_1MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎, причем изменение выходного напряжения DU₂ значительно меньше изменения напряжения на входе DU₁.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе.

Считая, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление R_Н, изменение DU₁ является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочего участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе DU₁ с реакцией на выходе DU₂, представляется коэффициентом деления

(1)

Преобразуя (1), имеем

(2)

Из (1) определяем

(3)

Отношение DU₁/DU₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации K_СТ.Д., который связан с коэффициентом стабилизации K_СТ.U выражением

(4)

где K₀=U₂/U₁- коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора.

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 Ue=U_ОС-U_ЭТ), что приводит к изменению тока управления (I_У) и изменению падения напряжения на РЭ (DU_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 (Ue), 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 Ue, тока управления I_У и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе DU_Rб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД изза 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 напряжение на нагрузке U₂ и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R₄. Напряжение ошибки Ue увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наиболее положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По закону Кирхгофа для узла:

I_б1=I₁-I_K2, поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения DU_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 DU_КЭ1=U₁-U₂. 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 напряжения на РЭ - DU_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 (интегродифференцирующих 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=b₁*b₂*** b_n- коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия - К₃=b₁*b₂*** b_n- коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия:

, где Uпм - размах пилообразного напряжения генератора пилы.