Глава 5. Стабилизаторы напряжения и тока

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

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.

Напряжение промышленных сетей переменного тока, питающих выпрямительные установки, согласно ГОСТ 5237-69 может изменяться в пределах -15...+5 % номинального значения. А для нормальной работы устройств связи изменение напряжения или тока электропитания не должно превышать 5…0,1 % своего номинального значения.

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.

Воздействие дестабилизирующих факторов может происходить во времени как медленно, так и очень быстро - скачком. Поэтому стабилизаторы должны действовать автоматически.

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.

,

где

D U _вх = U _{вх. max} - U _{вх. min},

D U _вых = U _{вых. max} - U _{вых. min},

D I _вх = I _{вх. max} - I _{вх. min},

D I _вых = I _{вых. max} - I _{вых. min}.

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 D U _вых к приращению тока нагрузки D I _н при неизменном входном напряжении U _вх = const, r_i = D U _вых/D I _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.

Параметрический стабилизатор переменного тока напряжения на дросселе с насыщенным сердечником. Параметрическая стабилизация переменного напряжения осуществляется с помощью элементов, обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой для переменного тока. Такой характеристикой (рис. 5.1) обладает дроссель, работающий в режиме насыщения магнитопровода. Рабочий участок характеристики дросселя - нелинейный участок аб, соответствующий насыщенному состоянию магнито-провода.

В схеме стабилизатора насыщенный дроссель L2 включается параллельно нагрузке Z _н (рис. 5.2). В качестве балластного сопротивления применяется дроссель L 1, 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 L 1. Ток через насыщенный дроссель резко возрастет. Но при этом падение напряжения на дросселе L 1 возрастет, а на дросселе L 2 и нагрузке Z _н увеличится незначительно. При уменьшении входного напряжения процессы стабилизации происходят аналогично.

Достоинства такого стабилизатора:

• простота устройства;
• большой диапазон рабочих напряжений.

Недостатки:

• низкий КПД (0,4…0,6), так как стабилизаторы работают при больших токах;
• малый коэффициент мощности - 0,6;
• малый коэффициент стабилизации из-за большого динамического сопротивления R _д(К _ст<10);
• искажения формы кривой переменного напряжения на нагрузке;
• большие масса и габариты.

5.3. ФЕРРОРЕЗОНЛНСНЫИ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В феррорезонансном стабилизаторе параллельно насыщенному дросселю L 2 включаемся конденсатор С (рис. 5.3). Резонансная частота контура L 2 C близка к частоте стабилизируемого переменною напряжения, но не равна ей.

Принцип работы феррорезонансного стабилизатора переменного напряжения можно пояснить, воспользовавшись вольт-амперными характеристиками дросселя L 2 и конденсатора С, приведенными на рис. 5.4. Путем геометрического сложения напряжений U _L2 и U_C получим кривую напряжения на контуре L 2 C. При малом входном напряжении дроссель ненасыщен, индуктивность его большая и результирующий ток имеет емкостной характер (0 в на рис. 5.4). При резонансе токов в контуре L 2 C (точка в) результирующий ток через контур L 2 C будет равен нулю. При дальнейшем увеличении входного напряжения ток через контур имеет индуктивный характер (участок вб). На этом участке характеристикп при резком увеличении тока напряжение на контуре, а следовательно, и на нагрузке изменяется незначительно.

Для улучшения показателей качества стабилизатора схему феррорезонансного стабилизатора дополняют еще одной обмоткой дросселя. Она размещается на магнитопроводе ненасыщенного дросселя L1 (рис. 5.5). Обмотка компенсационного дросселя L _к включается так, чтобы падение напряжения на ней было направлено встречно напряжению на контуре U_L2С. При этом результирующее напряжение на выходе будет составлять сумму напряжений на контуре и компенсационной обмотке U _выx.пер= L_L2C + U _к. Поэтому изменение выходного напряжения D U _выx.пер=D U_L2C +D U _к будет меньше, чем снимаемое только с контура L2C. Дроссель L2 включен по схеме повышающего автотрансформатора для уменьшения емкости конденсатора С и получения большею напряжения на выходе стабилизатора.

Достоинства феррорезонансных стабилизаторов:

• высокий КПД (0,85…0,9) и коэффициент мощности (до 0,9);
• высокий коэффициент стабилизации по напряжению (до 40);
• широкий диапазон мощностей;
• большой срок эксплуатации;
• простота устройства н надежность работы;
• устойчивость к механическим воздействиям.

Недостатки:

• значительное изменение выходного напряжения от изменения входного напряжения в результате зависимости реактивных сопротивлений от частоты;
• наличие электромагнитных помех (большие поля рассеяния индуктивностей);
• большие габариты и масса;
• искажение формы стабилизированного напряжения на нагрузке.

5.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных элементов применяют резисторы, а в качестве нелинейных - полупроводниковые (кремниевые) стабилитроны и полупроводниковые стабисторы.

Кремниевый стабилитрон - это плоскостной диод. Его вольт-амперная характеристика приведена на рис. 5.6, а. Рабочей частью характеристики является обратная ветвь в области

пробоя, где незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. Однако электрический пробой перехода не приводит к повреждению стабилитрона. Таким образом, если стабилитрон включен в обратном направлении, то при значительных изменениях протекающего через него тока (от I _{ст min} до I_{ст max}) напряжение на нем остается практически постоянным. Если же обратное напряжение на стабилитроне превысит допустимое, мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает допустимую. В результате при этом электрический пробой переходит в тепловой, и тогда наступает необратимое разрушение p-n перехода.

Стабистор - это полупроводниковый прибор, напряжение на котором в прямом направлении изменяется незначительно при значительных изменениях тока, протекающего по нему. Стабистор включается в цепь стабилизации в прямом направлении.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне VD приведена на рис. 5.7. Сопротивление балластного резистора R _б подбирается так, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,5…3) U _н.

При увеличении напряжения на входе стабилизатора U _вх напряжение на его выходе U _вых, т.е. на нагрузке R _н, стремится к увеличению. Но небольшое увеличение напряжения D U _ст на стабилитроне VD вызывает резкое увеличение тока через него. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R _б, а напряжение на нагрузке R _н изменяется незначительно. Приращение напряжения на входе стабилизатора D U _вх распределяется между изменением напряжения на балластном резистора D U_{R б} в стабилитроне D U _ст: D U _вх-D U_{R б}+D U _ст. Так как сопротивление балластного резистора R _б много больше сопротивления стабилитрона R _д(R _б>> R _д), то почти все изменение входного напряжения выделяется на сопротивлении стабилитрона R _д и напряжение на нагрузке остается стабильным.

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).

При повышении температуры окружающей среды у кремниевых стабилитронов обратное падение напряжения увеличивается, а прямое - уменьшается. Следовательно, кремниевые стабилитроны, включенные в обратном направлении, обладают положительным температурным коэффициентом напряжения ТКН, а те же стабилитроны, включенные в прямом направлении, отрицательным ТКН. Для термокомпенсации последовательно со стабилитроном включают диод с отрицательным ТКН или же стабилитрон в прямом направлении, имеющий отрицательный ТКН (рис. 5.8). Для полной компенсации положительного ТКН одного стабилитрона необходимо включать последовательно несколько стабилитронов в прямом направлении, обладающих отрицательным ТКН.

Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения на кремниевых стабилитронах имеют следующие недостатки:

• небольшая допустимая мощность в нагрузке (0,5…3 Вт),
• невысокий коэффициент стабилизации (до 30);
• большое выходное сопротивление стабилизатора (6…20 Ом);
• зависимость параметров стабилитрона от температуры;
• низкий КПД (до 30%).

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 VD 1 и гасящего резистора R _б2, питается от предварительного стабилизатора, выполненного на стабилитронах VD 2, VD 3, 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:

U _вых = U _вх + U _Rэ = const.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением РЭ и нагрузки R _н приведена на рис. 5.14. Функции СС выполняет мост, состоящий из резисторов R2, R3, R4 и стабилитрона VD1. Функцию усилителя - транзистор VT2, функцию РЭ - транзистор VT1. Опорным напряжением являйся напряжение стабилизации стабилитрона VD1, который вместе с резистором R2 образует параметрический стабилизатор постоянного напряжения. Он питается от выходного напряжения стабилизатора, которое приложено к диагонали моста (аб). К другой диагонали моста подключен участок эмиттер-база транзистора VT2 (вход усилителя). Резистор R1 является нагрузкой в цепи коллектора усилителя VT2.

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 U ₀ 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 I ₁ = 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:

• высокий коэффициент стабилизации (несколько сотен);
• высокий КПД (0,9);
• малая чувствительность к изменению частоты входного напряжения.
• Недостатки:
• большие масса и габариты;
• большая инерционность срабатывания: отклонение выходного напряжения компенсируется через десятки-сотни милисекунд после появления отклонения;
• сильное искажение формы кривой выходного переменного напряжения, в котором преобладает третья гармоника;
• большая разница между входным и выходным напряжениями.

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 _{l a} и W _{1 b}, предназначенные для изменения степени подмагничивания в зависимости от подводимых к ним постоянных напряжений U _{y a} и U _{y b}.

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 W ₁ трансформатора на магнитопроводе с, передающего основной поток мощности. Все вторичные обмотки трансформаторов W _{2 a}, W _{2 b} и W _{2 c} соединены между собой последовательно. Причем обмотка W _{2 а} включена встречно с обмотками W _{2 c} и W _{2 b}.

Напряжение на выходе такого устройства равно геометрической сумме напряжений, снимаемых со всех вторичных обмоток W _{2 a},, W _{2 c}:

U _вых = U _{2 a} + W _{2 b} + W _{2 c} .

При увеличении выходного напряжения U _{вых.пер} возрастут напряжения обмоток D U _{2 a}, D U _{2 b}, D U _{2 c}. Для уменьшения отклонения выходного напряжения D U _вых надо увеличивать |D U _{2 a} | и уменьшать |D U _{2 b} |. А для этого степень подмагничивания магнитопровода а надо уменьшать, а магнитопровода b - увеличивать. Это осуществляется с помощью схемы управления.

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:

1. К142ЕН1; К142ЕН2; К142ЕН2А; КН2ЕН2Б и К142ЕНЗ; К142ЕН4 - с регулируемым выходным напряжением от 3 до 30 В.

2. К142ЕН5; К142ЕН5А; К142ЕН5Б - с фиксированным выходным напряжением 5 и 6 В.

4. К142ЕН6 - с двухполярным регулируемым выходным напряжением от 5 до 15 В.

Достоинства интегральных стабилизаторов постоянного напряжения компенсационного типа с непрерывным регулированием:

• высокий коэффициент стабилизации (K _ст.н > 1000);
• малое выходное сопротивление (R _вых.min £ 10^-4 Ом);
• безынерционность работы;
• высокая надежность;
• отсутствие помех.

Недостатки:

• необходимость применения радиаторов, увеличивающих габариты и массу;
• невысокий КПД (0,4 … 0,5).

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_{R 9}, 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.

Защита стабилизатора от короткого замыкания и перегрузок осуществляется запиранием составного регулирующего транзистора. В нормальном режиме и при небольших перегрузках по току напряжение на резисторе R7 (датчик тока) меньше напряжения на резисторе R5. На базе транзистора VT9 - отрицательный потенциал по отношению к его эмиттеру. Транзистор VT9 закрыт. При значительных перегрузках и коротком замыкании напряжение на резисторе R7 возрастает. И как только напряжение на резисторе R7 превысит напряжение на резисторе R5, потенциал базы транзистора R9 станет положительным по отношению к его эмиттеру. Транзистор VT9 открывается, и его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Возрастание тока коллектора VT9 приводит к уменьшению токов базы транзисторов VT3, VT4. Они закрываются, ток в цепи нагрузки ограничивается.

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:

• по способу включения регулирующего элемента - на последовательные и параллельные;
• по способу управления (регулирования) - на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией - широтно-импульсные (ШИМ); с частотно-импульсной модуляцией - частотно-импульсные (ЧИМ);
• релейные или двухпозиционные.

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.

При увеличении выходного напряжения потенциал базы VT _y становится более положительным и ток его коллектора возрастает. Когда напряжение на выходе достигнет значения U _вых + D U _тг/a (где a - коэффициент передачи делителя), ток коллектора VT _y достигнет тока срабатывания, триггер срабатывает, транзистор VT4 открывается, и ток его коллектора скачком увеличится до максимальною значения. Транзисторы VT3 и VT2 открываются. Конденсатор С _зап подключается через VT2 к участку база-эмиттер транзисторов VT12, VT11, и они закрываются. В это время дроссель разряжается через диод VD2. Пока ток дросселя L больше тока нагрузки, напряженно на выходе стабилизатора увеличивается, а затем начинает уменьшаться. А вместе с этим уменьшится положительное напряжение на базе усилительною транзистора VT _y и токи его базы и коллектора уменьшаются. Когда напряжение на выходе уменьшится до значения U _вых - D U _тг/a, ток коллектора VT _y уменьшится до значения тока отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы VT4, VT3, VT2 закрываются, а транзисторы VT12 и VT11 открываются. Снова начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора VT11, а значит, и ток дросселя. В дальнейшем процесс непрерывно повторяется. В результате среднее значение выходного напряжения с определенной степенью точности остается постоянным.

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

Недостаток: наличие пульсаций на выходе.

5.10. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Способ управления работой регулирующего транзистора импульсного стабилизатора, при котором на базу подается управляющий сигнал с постоянным периодом повторения и изменяющийся в зависимости от изменения выходного напряжения длительностью импульса, называется широтно-импульсным. Устройство, преобразующее непрерывный сигнал в импульсы разной длительности, называется широтно-импульсным модулятором, а такой стабилизатор - стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией. В широтно-импульсном сигнале при постоянстве периода повторения импульсов Т _и = const изменяется коэффициент заполнения K _з = t _н/ T _н. Различают два способа изменения длительности импульсов при отклонении выходного напряжения стабилизатора - первого и второго рода.

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) (t ₁ 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 (t ₂ 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.

Схема импульсного стабилизатора напряжения, в которой регулирующий элемент выполнен на составном транзисторе VT11, VT12, VT13 приведена на рис. 5.28. В начале работы схемы составной транзистор заперт положительным напряжением от внешнего источника E _доп. На вход дифференциального усилителя на транзисторах VT4, VT5 поступают два напряжения: часть выходного напряжения с делителя R4, RP, R6 и опорное напряжение со стабилитрона VD4. Они сравниваются. Сигнал рассогласования усиливается и подается на мультивибратор на транзисторах VT7, VT8. Изменение выходного напряжения U _вых вызывает изменение длительности генерируемых мультивибратором импульсов и их скважности Q = T / t _н, где t _н - длительность отрицательных импульсов. С выхода мультивибратора отрицательный импульс усиливается по току эмиттерным повторителем на транзисторе VT6 и подается на базу транзистора VT13, открывая составной транзистор схемы на время действия импульса мультивибратора. Падение напряжения на транзисторе изменяется и ведет к восстановлению выходного напряжения до прежнего значения. Следовательно, в этой схеме автоматические регулирование выходного напряжения осуществляется за счет отрицательной обратной связи, как и в стабилизаторах непрерывного действия.

5.11. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТИРИСТОРАХ

На тиристорах стабилизаторы напряжения могут быть выполнены на значительно большую мощность (до 1000 В×А) при больших КПД - до 95%. Кроме того, тиристоры позволяют совмещать функции выпрямления, регулирования и стабилизации, а также стабилизировать как постоянное, так и переменное напряжения.

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?