Компенсационный стабилизатор напряжения

Компенсационный стабилизатор представляет собойпростейшую автоматическую систему регулирования, работающуюна принципе отрицательной обратной связи (ООС). Для реализациитакого принципа устройство, кроме регулирующего(исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительныйэлемент (ИЭ), включающий в себя резистивный делитель. Элементсравнения, источник эталонного напряжения U эт,и усилительпостоянного тока УПТ (см. рис.3.13).

Напряжение с выхода резистивного делителя, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается сэталонным напряжением и полученный сигнал ошибки U ош = U эт – к 1 U вых после усиления – управляет коэффициентом передачирегулирующего элемента. Увеличение U ош, вызванное уменьшениемвыходногопараметра, приведёт к увеличению коэффициентапередачи РЭ. Это вызовет восстановление исходного значениявыходного напряжения U вых. И наоборот, увеличение U вых, уменьшаясигнал ошибки, уменьшает коэффициент передачи РЭ. В зависимости от вида выполнения РЭ различаютнепрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторынапряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах вкачестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме (режим генератора тока). Включевых стабилизаторах роль РЭ выполняют импульсныеусилители мощности. Компенсационные стабилизаторывыполняются на полупроводниковых дискретных элементах и винтегральном исполнении. Рассмотрим подробнее компенсационный стабилизатор надискретных элементах, электрическая принципиальная схемакоторого приведена на рис.3.14. Назначение элементов стабилизатора.

VT1 – мощный низкочастотный транзистор n-p-n типа, играющий роль регулируемого сопротивления (регулирующийэлемент), выбирается по току нагрузки, падению напряжения U кб;

VT2 – транзистор n-p-n типа, выполняющий задачуусиления сигнала рассогласования (ошибки) и управляющийрежимом работы транзистора VT1; На вход VT2 подается сигналошибки, поступающий с измерительного элемента (ИЭ). ИЭ включает в себя делитель R4, R5, R6 и источник

опорного напряжения, функции которого выполняет стабилитрон

VD7

VD6 – стабилитрон (Uстабоколо 12,6 В);

VD7 – стабилитрон (Uстабоколо 6,8 В) – задает уровеньопорного напряжения;

Коэффициент передачи делителя можно изменятьпотенциометром R5, тем самым задавая уровень выходного

стабилизированного напряжения в пределах 7,5…10,5 В;

R1 – резистор, ограничивающий ток через VD6;

R2 – резистор, ограничивающий ток базы транзистора VT1

и ток коллектора транзистора VT2.

Элементы R1, VD6, R2 являются сглаживающим фильтром, понижающим коэффициент пульсаций подводимого кстабилизатору напряжения U вх; Резистор R 3 ограничивает ток опорного стабилитрона.

Рассмотрим работу устройства. Выходное напряжение стабилизатора равно разности еговходного напряжения и падения напряжения между выводамиколлектора и эмиттера регулирующего транзистора VT1:

U вых= U вх– U кэ VT1.

В свою очередь, для U КЭ справедливо выражение

U кэ VT1 = U кб+ U бэ Uкб VT1 + const.

Напряжение U кб VT1 определяется падением напряжения нарезисторах R 1 и R 2

U кэ VT1 = I 1 R 1+ I 2 R 2 = U вх- U выхупт.

Выходное напряжение усилителя постоянного тока U выхуптравно:

U выхупт= k (U б VT1 – U э VT2),где k – коэффициент усиления напряжения УПТ;(U б VT1 – U э VT2) – напряжение между базой и эмиттеромтранзистора VT2 УПТ.

Возникновение любых отклонений выходного напряжениястабилизатора от установленного значения приводит к изменениютока базы транзистора VT2, и соответственно тока его коллектора. Врезультате этого изменяется сопротивление коллекторного переходарегулирующего транзистора VT1 так, что возникшее отклонениекомпенсируется. Допустим, выходное напряжение U выхстабилизатора за счетувеличения входного напряжения U вх, либо изменения нагрузкиувеличилось. Тогда напряжение, снимаемое с делителя R 4, R 5, R 6 (1вых k U) тоже возрастает. Так как опорное напряжение оп U,снимаемое с VD7 постоянно, сигнал ошибки U ош= U эт– к1U выхуменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения

УПТ (VT2) и к соответствующему уменьшению падениянапряжения на резисторах R1 и R2. Напряжение U кбтранзистораVT1 уменьшается, VT1 подзапирается, его сопротивлениеувеличивается. Возникшее увеличение U выхкомпенсируетсяповышением падения напряжения на VT1. В результате этого выходное напряжение стабилизаторавозвращается к исходному значению. Чем выше коэффициент усиления по напряжению УПТ, темточнее поддерживается уровень выходного напряжения иповышается скорость его восстановления. Если коэффициентусиления УПТ стремится к бесконечности, то выходное напряжениестабилизатора полностью определится коэффициентом передачиделителя напряжения на резисторах R4, R5, R6 и значениемопорного (эталонного) напряжения Uоп. При перемещениидвижка потенциометра R 5 в нижнее по схеме положение разницамежду опорным напряжением и напряжением, снимаемым сделителя, становится большим, базовый и коллекторный токи VT2 увеличиваются, падение напряжений на R1 и R2 увеличиваются. Врезультате падение напряжения на VT1 снижается, а выходноенапряжение возрастает до нового заданного уровня. Так плавноможно изменять величину стабилизируемого напряжения U вых..__

 

Классификация усилителей

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических сигналовбез изменения их формы и частоты. Основным усилительнымэлементом является транзистор. Все усилители усиливаютмощность, но так как I. U. P между собой взаимосвязаны и частонужно выделить один из них, то различают усилители тока, усилители напряжения и усилители мощности. Следуетподчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителяхусиливается за счет энергии источников питания.

Электронный усилитель является наиболеераспространенным устройством. Он непосредственно используетсяв проводной связи, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, вуправляющих и регулирующих устройствах и многих другихслучаях. Кроме того, электронные усилители применяют в другихэлектронных устройствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др. Усилители можно подразделить на ряд типов по различнымпризнакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонамчастот усиливаемых сигналов.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены дляусиления напряжения постоянного тока или медленноизменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналовразличных датчиков, называемых также первичнымипреобразователями.

Усилители переменного тока делятся на низкочастотные(УНЧ), работающие в диапазоне от 20 Гц до!00 кГц ивысокочастотные (свыше 100 кГц). В зависимости от шириныдиапазона частот усиливаемых сигналов усилители делятся наширокополосные и узкополосные (избирательные) усилители.

Избирательные, или резонансные усилители усиливаютсигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто ихиспользуют в радиоэлектронной аппаратуре, в частности дляусиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках. Для них характерно отношение граничных частот, отвечающихусловию

Широкополосные усилители предназначены для усиленияширокого спектра частот. Для них характерно отношение

Усилитель низкой частоты

В схемах усилителей напряжения наиболее частоиспользуется транзистор, включенный по схеме с общим эмиттеромОЭ. Эта схема по сравнению со схемой с общей базой ОБ имеетгораздо большее входное сопротивление, что позволяет выполнятьпо схеме с общим эмиттером многокаскадные усилители. Для неискаженного усиления входной сигнал, подаваемыйна транзистор, должен лежать на линейном участке входнойхарактеристики. Это достигается выбором рабочей точкитранзистора – точки, характеризующей его состояние в режимепокоя, т.е. без действия входного сигнала. Положение рабочей точки определяется токами базытранзистора. Один из самых распространенных способов фиксацииположения рабочей точки по напряжению, применяемый в реальныхсхемах, показан на рис.4.3.

Классы усиления

Обратные связи в усилителях

Обратной связью называют воздействие выходного сигнала(или его части) на входную цепь. Электрическая цепь, котораясвязывает выход схемы с входом, называется цепью обратной связи. Если фаза сигнала обратной связи Uостакова, что онскладывается с входным сигналом Uвх, и входной сигнал возрастает, такая обратная связь называется положительной. Этот вид обратнойсвязи применяется в генераторах. Если сигнал обратной связидействует в противофазе с входным сигналом, то такая обратнаясвязь называетсяотрицательной (ООС). Она применяется вусилителях.

 

Следует различать обратные связи по току и напряжению. При обратной связи по току сигнал Uос пропорционален выходномутоку, при обратной связи по напряжению сигнал обратной связипропорционален выходному напряжению. В зависимости от способаподачи обратной связи во входную цепь усилителя различаютпоследовательную и параллельную обратные связи.

На рис. 4.5 представлена структурная схема усилителя, охваченногопоследовательной обратной связью и имеющего коэффициентусиления без обратной связи К. Отношение напряжения, поданногона вход системы через цепь обратной Uоск выходномунапряжению усилителя Uвыхназывается коэффициентом передачицепи обратной связи:

В левой части равенства стоит величина I/К, где К – коэффициентусиления без обратной связи. Первый член правой части равенства –I/Кос, второй член – это коэффициент передачи цепи обратной связиУчитывая вышесказанное, равенство можно привести к виду

Это выражение справедливо для положительной обратной связи. Вслучае действия отрицательной обратной связи выражение можнопереписать

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшаеткоэффициент усилителя, но она делает работу усилителя болеестабильной, расширяет его полосу пропускания, уменьшаетнелинейное искажение, увеличивает входное сопротивлениеусилителя и уменьшает его выходное сопротивление. Последние дваположения очень важны для транзисторных усилителей, входноесопротивление которых обычно мало.__