Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

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 Ue , как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. В зависимости от Ue изменяется состояние РЭ, за счет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U _ВЫХ. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого усиления К_пет:

где К_д- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К_у– коэффициент усиления по току транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия К_р=β_1Чβ_{2Ч Ч Ч}βn– коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия: , где _пм – размах пилообразного напряжения генератора пилы.

Если цепь ОС разорвать, то . Поэтому надо иметь как можно меньше! Это является важной предпосылкой для синтеза РЭ.

Если замкнуть цепь ОС, то процесс регулирования можно представить так:

Знак минус в первом уравнении говорит о том, что ОС – отрицательная.

Решим систему относительно :

Это и есть основное уравнение стабилизатора в установившемся режиме. Очевидно, что петлевое усиление должно быть большим и, если , а <1, то >> 1.

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 или дифференциального усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ОС. 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 Ку можно увеличить сопротивление нагрузки УПТ - R1 и, соответственно, напряжение питания, подавая его на УПТ от отдельного внешнего источника U₁₁.

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 на резисторе R2. При этом выходной ток стабилизатора тока (I_K1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ зависит только от уровня напряжения обратной связи и не зависит от входного напряжения.

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора, но плавная регулировка выходного напряжения невозможна.

Стабилизатор с выходным напряжением меньше чем можно построить по схеме:

Здесь VD1 подключен к дополнительному источнику . Выходное напряжение

Главное, что бы обеспечивался нормальный режим VT2 по постоянному току. Здесь выходной делитель следит за изменением не выходного напряжения, а за суммой .

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность КСН и малый временной дрейф применяют дифференциальные схемы сравнения (особенно при низких выходных напряжениях).

Здесь VT2 – эмиттерный повторитель. Он создаёт напряжение Uэт’=Uэт – Uэб, а усилительный элемент(VT3) считает его эталоном. В итоге, в диагональ измерительного моста встречно включены два участка э-б, тогда температурный дрейф их токов в одинаковой степени смещает рабочие точки и дестабилизации напряжения на коллекторе VT3 не возникает.

Поскольку КСН – схемы с обратной связью, то они могут возбуждаться, т. е становиться генераторами колебаний. В этом значительную роль играют флуктуации входного напряжения (и токи нагрузки) а также инерционные свойства транзисторных каскадов. Обычно выход КСН шунтируют конденсатором С, что повышает нагрузочную способность при работе на импульсную нагрузку и повышает устойчивость. Конденсатор ограничивает полосу пропускания усилителя цепи ОС, что повышает устойчивость, но и снижает полосу пропускания КСН для дестабилизирующих воздействий. Удобно рассмотреть частотную зависимость выходного сопротивления стабилизатора -

1,2 – области нормальной работы стабилизатора

ω ₀- частота возможного резонанса LC фильтра на вход стабилизатора

ω _Р- граничная частота полосы пропускания усилительного элемента (УЭ)

4 – область, определяемая частотными свойствами конденсатора нагрузки С.

Для получения малых выходных напряжений любой полярности обычно используют встречное включение двух стабилизаторов.

Здесь может быть любой полярности и величины. Выходное сопротивление выше, а коэффициент стабилизации ниже, чем у одного стабилизатора.

Стабилизаторы помимо K_U, характеризуются ещё и коэффициентом сглаживания пульсаций - q, которые в общем случае не равны. Неравенство может быть в ту или другую сторону. Для повышения q , верхнее плечо следящего делителя шунтируют ёмкостью (см схему) и его коэффициент передачи K_Д для пульсаций получается больше, чем для постоянной составляющей и петлевое усиление выше.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (РЭ работает в ключевом режиме).

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель(R5,R6), усилительный элемент (DA1) и ШИМ (DA2).

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет два состояния. При подаче управляющего импульса (U_ШИМ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U₁через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно-модулированного 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 передачи Kд = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования DA1 с коэффициентом передачи Kу (Ue = U_ОС – U_ЭТ); компаратор напряжения DA2, 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.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира