Компенсационные стабилизаторы.

Компенсационные стабилизаторы строятся по основной схеме состоящей в том, что между источником питания (напряжения) и нагрузкой располагают дополнительный элемент, на котором падает излишек напряжения источника. В дальнейшем при работе устройств это падение напряжения на дополнительном элементе изменяют таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось неизменным.

На рис. 108 показаны структурные схемы компенсационных стабилизаторов: рис. 108а ─ с последовательным регулирующим элементом, рис. 108б ─ с параллельным регулирующим элементом. Из конфигурации схем понятно название каждого из стабилизаторов, регулирующий элемент включен либо последовательно с нагрузкой, либо ─ параллельно.

Стабилизаторы в своем составе имеют: нестабильный источник постоянного напряжения -- U1, регулирующий элемент -- РЭ, схему управления -- СУ, источник опорного напряжения -- Uоп и сопротивление нагрузки -- Rн. Нестабильный источник постоянного напряжения (U1) -- это вся предшествуюшая часть схемы источника питания: трансформатор, выпрямитель, фильтр. Регулирующий элемент (РЭ) -- это активный элемент, обычно в качестве которого используют транзистор. Схема управления (СУ) сравнивает напряжение на нагрузке с опорным напряжением, и в случае рассогласования вырабатывает управляющий сигнал для регулирующего элемента на поддержание неизменным напряжения на нагрузке.

Стабилизатор с последовательным регулирующим элементом компенсирует изменение напряжения на нагрузке изменением напряжения на регулирующем элементе.

Стабилизатор с параллельным регулирующим элементом компенсирует изменение напряжения на нагрузке изменением напряжения на дополнительном резисторе (Rдоб), а это возможно только при изменении тока проходящего через этот резистор. Ток через резистор Rдоб имеет две составляющие: ток нагрузки и ток регулирующего элемента, которым и осуществляется регулировка.

Если сравнить два стабилизатора (с последовательным и с параллельным регулирующим элементом) питающих одинаковую нагрузку, то получим различные КПД. Обозначим КПД стабилизатора с последовательным РЭ -- η1, а КПД стабилизатора с параллельным РЭ -- η2.

, .

Приведенные уравнения показывают, что стабилизатор с параллельным РЭ принципиально имеет меньший КПД. Применение стабилизаторов с параллельным РЭ ограниченно.

Рассмотрим работу компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим элементом на примере простейшего из них -- эмиттерного повторителя, схема которого приведена на рис. 109. Элементы схемы: U1, VD1, C1 -- представляют собой однополупериодный выпрямитель с накопительным конденсатором. Транзистор VT1, резистор R1, стабилитрон VD2 составляют схему компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим элементом. Со схемотехнической точки зрения эти элементы являются эмиттерным повторителем, который в эмиттерной цепи повторяет напряжение имеющееся в базовой цепи. Между плюсом и минусом выпрямителя включена цепь состоящая из резистора R1 и стабилитрона VD2. Резистор R1 задает ток стабилитрона и ток базы регулирующего транзистора VT1. Учитывая, что Iэ≈βIб величина этого резистора определяет работу стабилизатора. В данной схеме транзистор является и регулирующим элементом и схемой управления. Ток базы может изменится только при изменении напряжения база - эмиттер.

На базе напряжение стабилизировано, так как оно является напряжением стабилизации стабилитрона. В процессе работы сопротивление нагрузки изменяет свою величину, а это, при неизменном токе эмиттера транзистора VT1, приводит к изменению напряжения нагрузки. Напряжение база - эмиттер определяется соотношением Uбэ = Uб - Uэ и, следовательно, при уменьшении Uэ напряжение база - эмиттер возрастает и как следствие возрастает ток базы. Возрастание тока базы приводит к возрастанию тока эмиттера (нагрузки). Таким образом осуществляется регулирование напряжения на нагрузке.

На рис. 110 показан график работы приведенной схемы. Uвх -- напряжение на входе стабилизатора, Uн -- напряжение на нагрузке. Из графика видно что входное напряжение имеет пульсацию 6,5В, а напряжение на нагрузке имеет пульсацию 260мВ при напряжении на нагрузке около 9В.

При использовании компенсационных стабилизаторов применение фильтров нецелесообразно.

График показывает одну из важных особенностей стабилизаторов, состоящую в том, что входное напряжение должно быть примерно в два раза больше напряжения на нагрузке.

Основными параметрами стабилизатора являются: КстU -- коэффициент стабилизации по напряжению, rвых -- выходное сопротивление, η -- коэффициент полезного действия. Коэффициент стабилизации определяется соотношением , выходное сопротивление -- rвых =∆(Uвх-Uвых) / ∆Iвых.

Для рассматриваемой схемы, учитывая пульсацию входного напряжения его действующее значение будет равно Uвх = 15в, коэффициент стабилизации -- . Как видим коэффициент стабилизации невысок, что объясняется малым усилением напряжения ошибки. Помимо малого коэффициента стабилизации эта схема обладает и другими недостатками. Так как регулирующий транзистор работает в линейном режиме в обязательном порядке выполняется соотношение ∆Iк = β*∆Iб, которое приводит к тому, что большие токи коллектора (нагрузки) требуют больших базовых токов. Базовый ток регулирующего транзистора является током нагрузки параметрического стабилизатора, состоящего из стабилитрона VD2 и резистора R1, c учетом всех его недостатков.

С целью улучшения характеристик компенсационного стабилизатора вводят усилитель сигнала ошибки (обычно операционный усилитель) и высокостабильный источник опорного напряжения. Схема такого стабилизатора показана на рис. 111. Представленная схема имеет тот же источник питания и ту же нагрузку. Это сделано для того чтобы можно было сравнивать схемы. В качестве регулирующего транзистора выбран тот же транзистор и использованы те же конденсаторы. В качестве усилителя сигнала ошибки применен операционный усилитель 741. В качестве источника опорного напряжения применена батарея, это допустимо так как ее нагрузкой является очень малый входной ток операционного усилителя. Сигнал ошибки формируется делителем R1, R2, и сравнивается с V2.

Выходной ток операционного усилителя определяемый разностью входных напряжений формирует ток нагрузки стабилизатора.

Обычно операционные усилители имеют защиту своих выходных каскадов и соответственно ограничение выходного тока на уровне 20мА. Это приводит к тому, что существенно ограничивается ток нагрузки. Выход из этого ограничения возможен двумя способами. Первый состоит в том, чтобы использовать операционные усилители с большими выходными токами, что приводит к удорожанию стабилизатора. Второй способ - это использование в качестве регулирующего составного транзистора (схема Дарлингтона).

Особенности работы стабилизатора с операционным усилителем показаны на рис. 112.

Пульсации выходного напряжения ∆Uвых = 4мВ при напряжении на нагрузке 9В. Коэффициент стабилизации Кст = 1020.

Однако если данный стабилизатор нагрузить большим током, то существенно возрастут пульсации напряжения на нагрузке и Кст резко снизится. Это объясняется многими причинами в том числе и тем, что ток базы регулирующего транзистора имеет ограничение. Этот недостаток можно исключить если в качестве регулирующего транзистора использовать транзистор Дарлингтона. Учитывая нелинейность переходной характеристики операционного усилителя и выходной характеристики биполярного транзистора для нормальной работы рассматриваемой схемы необходимо чтобы выходное напряжение стабилизатора не менее чем на 2,5 - 3В было меньше минимального напряжения на входе стабилизатора. Это приводит к тому, что требуется увеличить входное напряжение, и, главное, увеличить напряжение питания операционного усилителя. Рассмотренная схема при соответствующем выборе компонентов позволяет получить коэффициент стабилизации несколько тысяч при очень малом выходном сопротивлении, т.е. получить схему источника питания близкую к идеальному источнику напряжения. Однако рассмотренная схема обладает относительно малой надежностью, т.е. при снижении сопротивления нагрузки возрастает мощность рассеиваемая на регулирующем транзисторе и уменьшается КПД и коэффициент стабилизации. При коротком замыкании нагрузки создаются условия для аварии стабилизатора напряжения (все входное напряжение падает на регулирующем транзисторе а схема управления формирует максимальный ток).

Для увеличения надежности работы компенсационного стабилизатора в его схему вводятся цепи ограничения тока нагрузки (рис. 113 R4, Q2) и защиты от короткого замыкания нагрузки (рис. 113 R10, D2,R9). Рассмотрим работу этих цепей. Резистор R4 является датчиком тока нагрузки так как при увеличении тока нагрузки возрастает падение напряжения на резисторе R4, а это напряжение база - эмиттер транзистора Q2. При достижении этим напряжением величины 0,6 - 0,7В появляется ток базы и транзистор открывается, что приводит к тому что часть выходного тока операционного усилителя ответвляется в цепь образованную открытым транзистором Q2. Ток базы регулирующего транзистора Q1 уменьшается, что приводит к уменьшению тока нагрузки. Нужно иметь ввиду, что увеличение тока нагрузки возможно только при уменьшении сопротивления нагрузки, и защитное уменьшение тока нагрузки приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Величину сопротивления R4 выбирают таким образом, чтобы напряжение на нем достигало величины ≈ 0,7В при токе нагрузки (1,1 - 1,2)Iнаг ном. Этот способ позволяет получить на выходе стабилизатора почти неизменный ток нагрузки, в данном случае Iогр ≈ 1,2А, при любом уменьшении сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыкания.

В режиме короткого замыкания нагрузки мощность рассеиваемая на регулирующем транзисторе взрастает почти в два раза, так как напряжение на нем возрастает до величины входного напряжения стабилизатора. Такой режим работы является аварийным. Чтобы защитить стабилизатор при коротком замыкании нагрузки необходимо уменьшать ток короткого замыкания. С этой целью в схему вводят стабилитрон D2 и резисторы R9,R10. Напряжение пробоя стабилитрона должно быть больше падения напряжения на регулирующем транзисторе в номинальном режиме работы и меньше входного напряжения, чтобы в номинальном режиме стабилитрон находился в непроводящем состоянии и не подключал указанную цепь, а в режиме короткого замыкания стабилитрон был пробит и ток базы ограничивающего транзистора задавался не операционным усилителем а резистором R10. Если выбрать R10 = 2,5коМ, то ток регулирующего транзистора станет равным примерно 0,6А, что в два раза меньше чем максимальный (ограниченный) ток регулирующего транзистора. Установка указанной цепи позволяет работать стабилизатору даже при коротком замыкании нагрузки.

Иногда последовательно со стабилитроном D2 включают светодиод и тогда при наличии короткого замыкания этот светодиод светится, индицирует короткое замыкание.

Рассмотренные схемотехнические решения позволяют построить стабилизатор напряжения с любыми необходимыми характеристиками. Однако у компенсационных стабилизаторов трудно получить коэффициент полезного действия более 50%. Это привело разработчиков источников питания к новым идеям в схемотехнике стабилизаторов напряжения.

Импульсный стабилизатор.

Для уменьшения потерь в регулирующем транзисторе решили заставить его работать в насыщенном режиме или в режиме отсечки. В насыщенном режиме транзистор открыт полностью и падение напряжения на нем минимально (около 1В), в режиме отсечки транзистор полностью закрыт и напряжение на нем максимально, но ток проходящий по транзистору минимален (равен тепловому току базово - коллекторного перехода), поэтому мощность рассеиваемая на транзисторе минимальна. Дополнительную электрическую энергию решили запасать в дросселе включенном последовательно с нагрузкой. Указанные идеи получили схемотехническое решение показанное на структурной схеме на рис.114.

Когда напряжение на нагрузке станет равно минимальному схема управления (СУ), переведет транзистор VT1 в режим насыщения. Напряжение на левом конце дросселя L1 станет равным входному, полярность напряжения на дросселе показана знаками. Постепенно ток через индуктивность и напряжение на нагрузке возрастают. Когда напряжение на нагрузке станет равным максимальному схема управления закрывает транзистор VT1. В соответствии с законом коммутации ток в индуктивности измениться скачком не может, и для поддержания тока неизменным в момент закрывания транзистора на индуктивности появляется ЭДС самоиндукции имеющая обратные знаки. На катоде диода относительно анода будет отрицательный потенциал, p-n переход получает прямое смещение. Запасенная энергия магнитного поля, реализованная в виде тока в индуктивности L1, при открытом диоде VD1 передается в нагрузку. За счет использования энергии накопленной в индуктивности дополнительно повышается КПД. Рассмотренные схемотехнические решения позволяют повысить КПД у этого вида стабилизаторов до 80÷90%.

3.4.3. Источник питания с преобразованием частоты.

Основными недостатками источников питания с компенсационными и импульсными стабилизаторами являются их высокие массогабаритные показатели, т.е. указанные источники питания имеет большой вес и большие размеры. это связано с тем, что первичные цепи питаются переменным током частотой 50 гц. Единственной возможностью улучшить массогабаритные показатели это увеличить частоту питающего тока. На рис 115 показана структурная схема современного источника питания персональной ЭВМ

Однофазное напряжение 220В промышленной частоты выпрямляется мостовой схемой D1 и осуществляет заряд накопительного конденсатора С1 до напряжения постоянного тока величиной около 300В. К этому напряжению подключены две последовательные цепи VT1 и VT2, С2 и С3 образующие мостовую схему, в диагональ которой включен трансформатор Т1. Транзисторами управляет схема управления СУ, которая вырабатывает управляющие токи Iб1 и Iб2 с частотой 20 ÷ 100 Кгц. Главное требование к формирователю токов состоит в том, чтобы токи во времени не перекрывали друг друга как это показано на рис. 116. Если это требование не выполняется, то на какой, то интервал времени оба транзистора находятся в проводящем состоянии, и происходит короткое замыкание.

Регулирование напряжения осуществляется изменением длительности импульса тока базы (показано на рисунке штриховой линией). Для поддержания неизменным выходного напряжения вводится обратная связь с нагрузки в схему управления. Регулирование длительностью управляющего импульса называют широтно-импульсным регулированием.

Выходное напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т1 (выводы 3,4) выпрямляется диодом VD1 и подается на нагрузку Rнаг.

Особенности работы рассматриваемого устройства состоит в следующем. При наличии тока базы транзистора VT1 он переходит в режим насыщения и падение напряжения на нем минимально, транзистор VT2 при этом закрыт. Открытый транзистор дает возможность прохождения тока по цепи: накопительный конденсатор С1 (+) - транзистор VT1 - первичная обмотка трансформатора Т1 - конденсатор С3 (+) - конденсатор С1 (-), что дает возможность осуществить перемагничивание сердечника трансформатора в одном направлении. Наличие тока базы транзистора VT2 дает возможность прохождения тока по цепи: конденсатор С1 (+) - конденсатор С2 (+) - первичная обмотка трансформатора Т1 - транзистор VT2 - конденсатор С1 (-). Этот ток перемагничивает сердечник трансформатора в обратном направлении. Таким образом, за период частоты тока базы сердечник получает полное перемагничивание, что способствует полной передачи энергии из первичной во вторичную цепь трансформатора. Частота тока базы может достигать 100 Кгц и переключение направления тока в первичной обмотке трансформатора осуществляется с этой же частотой. Увеличение частоты тока в первичной обмотке приводит к существенному уменьшению размеров и веса трансформатора при той же мощности передаваемой в нагрузку. Так трансформатор при передаваемой мощности 200ВТ при частоте питающего тока 50гц имеет объем около 2 куб. дм и вес около 4кГ, а при частоте питающего тока 60 Кгц он имеет объем около 250 куб. см и вес около 300Г.

Другой важной особенностью использования высокой частоты преобразования является малое время разряда накопительного конденсатора в выпрямителе. Что позволяет даже при больших тока нагрузки (десятки ампер) применять однополупериодное выпрямление и относительно небольшой емкости накопительные конденсаторы. Применение описанных особенностей позволяет создавать легкие и малогабаритные источники питания персональных ЭВМ.

Лекция 14

Импульсная техника.

В данном разделе будут рассмотрены устройства, предназначенные для преобразования импульсных сигналов.