Схема стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока

Электрические аппараты автоматического управления — Преобразователи тока и напряжения

Содержание материала

§ 9.7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

9.7.1. Общие сведения

Для питания схем автоматического управления, в которых используется оборудование, имеющее самые различные характеристики, все чаще прибегают к стабилизированному напряжению или стабилизируют ток.
Для этого используют автоматические бесконтактные электрические аппараты — стабилизаторы. В зависимости от характера входных и выходных параметров (напряжение, мощность, частота и др.) различают стабилизаторы тока, напряжения, мощности, частоты и т. п.
Наибольшее распространение в практике имеют стабилизаторы тока и напряжения, которые можно разделить на следующие группы.

1. Электромагнитные стабилизаторы,
2. Стабилизаторы, использующие элементы с нелинейной характеристикой (специальные, сопротивления, барретеры, лампы с тлеющим разрядом и др.).
3. Стабилизаторы на магнитных усилителях.

Электромагнитные стабилизаторы

Принцип работы электромагнитных стабилизаторов основан на использовании нелинейной зависимости между током и потоком в стальном сердечнике при насыщении последнего. Это можно пояснить таким примером. Пусть имеется два стальных сердечника: насыщенный 1 и ненасыщенный 2 (рис. 9.67, о). Во вторичную цепь первого сердечника включена нагрузка, или непосредственно напряжение ίΛ·

Если построить характеристики t/i=cp(/), Uz=(pzU) и U=φ3(/) (рис. 9.67,6), то можно увидеть, что при изменении тока от /4 до /2 напряжение на нагрузке меняется незначительно, от U’ до U», так как незначительно изменяется Uι. Вместе с тем
напряжение сети при изменении тока от Λ до /2 меняется» в значительных пределах (At/). Таким образом, имеет место стабилизация напряжения на нагрузке Z„.
Характеристики t/i=cpi(/) и ^/г=ф2(/) должны складываться геометрически для получения зависимости U’=(p3(I). Рассмотренная схема электромагнитного стабилизатора не получила широкого распространения, так как в таком виде она не обеспечивает достаточной стабильности напряжения и имеет невысокие энергетические показатели. Для улучшения характеристики такого стабилизатора необходимо иметь компенсационные обмотки. Это осуществляется в конструкциях трехстержневых стабилизаторов, в которых объединены свойства двух сердечников. Однако все перечисленные конструкции электромагнитных стабилизаторов не получили достаточного распространения, так как они имеют более низкий к. п. д. в сравнении с так называемыми ферро- резонансными стабилизаторами.

Феррорезонансные стабилизаторы могут быть выполнены по схемам резонанса напряжения и резонанса тока. В этих схемах вместо ненасыщенного сердечника включается емкость. В практике преимущественное распространение получили стабилизаторы, работающие по схеме резонанса тока, так как эта схема имеет лучшие показатели по сравнению со схемой резонанса напряжения.
Принципиальная схема феррорезонансного стабилизатора напряжения, выполненного по схеме резонанса тока, приведена на рис. 9.68. В этом стабилизаторе используется индуктивность рассеяния дросселя при увеличении его насыщения.

Стабилизатор состоит из трансформатора с первичной обмоткой, расположенной на ненасыщенной части магнитопровода с магнитным шунтом. Шунт имеет большое магнитное сопротивление. Вторичная обмотка трансформатора расположена на насыщенной части магнитопровода. Емкость С включена параллельно вторичной обмотке. Нагрузка включена во вторичную обмотку последовательно с компенсационной обмоткой. До насыщения магнитопровода, когда напряжение сети первичной обмотки равно, ниже или незначительно превосходит номинальное, поток первичной обмотки не заходит в шунт и замыкается через сердечники первичной и вторичной обмоток.
При возрастании напряжения на первичной обмотке сердечник вторичной обмотки насыщается, что приводит к возникновению большой индуктивности рассеяния, и магнитный поток замыкается через магнитный шунт, т. е. возникает параллельная
ветвь в магнитной цепи. Это приводит к тому, что магнитный поток в стержне вторичной обмотки сохраняется неизменным при изменении напряжения сети первичной обмотки.
Таким образом, резонансная схема становится стабилизатором. При изменении напряжения сети напряжение на нагрузке изменяется незначительно. Напряжение сети будет равно
где хр — индуктивность рассеяния. Емкость С включается на полное напряжение вторичной обмотки. Основным недостатком всех электромагнитных стабилизаторов является их чувствительность к частоте питающей сети.
Стабилизаторы напряжения электромагнитные типа СНЭ (рис. 9.68) применяются в тех случаях, когда необходимо иметь стабильное напряжение при меняющемся напряжении сети.
Стабилизатор представляет собой трансформатор с большой индуктивностью рассеяния, зависящей от магнитного шунта, которым снабжен магнитопровод. Вторичная обмотка нагружена на емкость С.
В результате взаимодействия емкости и индуктивности рассеяния часть магнитопровода, связанная со вторичной обмоткой, работает в режиме магнитного насыщения. В силу этого напряжение на вторичной обмотке изменяется в меньшей степени, чем напряжение сети. На ненасыщенной части трансформатора, кроме первичной обмотки, имеется еще и компенсационная обмотка /гк, напряжение которой пропорционально напряжению сети. Число витков пк таково, что геометрическая сумма напряжений обмоток пк и п3 в определенной области изменения напряжения сети Uo остается постоянной. Этим и достигается стабилизация напряжения UСТаб· Конструктивно стабилизатор выполнен из магнитопровода броневого типа с магнитным шунтом, собранным из трансформаторной стали. В силу большого рассеяния трансформатор смонтирован на основании из немагнитного материала.

Стабилизаторы, использующие элементы с нелинейной характеристикой

Барретер (рис. 9.69) представляет собой стеклянную колбу, наполненную водородом, в которую помещена стальная или вольфрамовая нить. Если ток, проходящий через нить, будет возрастать, то и сопротивление нити нелинейно будет возрастать, т. е. барретер имеет нелинейную характеристику. Барретер может работать на постоянном и переменном токе. Обозначение типа, например 0,ЗБ17-35, следует расшифровать так: 0,3 — номинальный ток =0,3 а, 17 — нижний предел напряжения барретирова- ния £/б1=17 в и Uo2=35 в. Недостатком барретероз является наличие тепловой инерции нити, в силу чего ее сопротивление не успевает изменяться с частотой питающего тока. Для постоянного тока этот недостаток не имеет значения.
В табл. 9.15 приведены данные некоторых типов барретеров.
Табл. 9.15. Барретеры

Непрерывные стабилизаторы напряжения

Транзисторные стабилизаторы напряжения, имеющие значи­тельные преимущества перед параметрическими стабилизаторами напряжения, наиболее широко распространены. Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения. Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рисунок 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УПТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два класса: параллельного и после­довательного типа.

Рис. 5.10. Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного (а) и последовательного (б) типов

Изменения входного напряжения или тока нагрузки в ком­пенсационных стабилизаторах вызывают отклонения выходного напряжения от номинального. Эти изменения сравниваются с опорным напряжением и через усилитель постоянного тока УПТ подаются на регулирующий элемент РЭ и изменяют его соп­ротивление. В компенсационных стабилизаторах напряжения па­раллельного типа (см. рисунок 5.10, а) это вызовет изменение тока, протекающего через резистор R, и падение напряжения на нем. В компенсационных стабилизаторах напряжения последовательно­го типа (см. рисунок5.10, б) изменится падение напряжения непосредст­венно на самом регулирующем элементе РЭ. В обоих случаях действие РЭ будет сводиться к поддержанию выходного напря­жения в заданных пределах, т.е. к его стабилизации.

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий к. п. д., экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации. В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б) регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой R_н в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R и стабилитрон VD1 образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения U_ст. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора U_н = U_СТ — U_6э. Так как напряжение U_6э транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U_ЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при R_н = const) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора U_н, что приводит к увеличению токов I, протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон I_ст и резистор R. Падение напряжения на R возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1(U_ЭК), адекватное изменению входного напряжения. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению. Уменьшение входного напряжения первоначально приведет к снижению вы­ходного напряжения, что в свою очередь снижает ток в парал­лельной ветви (VD1, R). Воздействие на транзистор будет таким, что снизится падение напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1, что увеличит выходное напряжение до исходного значения.

Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора.

Напряжение на выходе при этом останется в заданных пределах, т.е. оно стабилизируется.

С изменением тока нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется ток базы регулирующего транзистора , где В — статический коэффициент усиления тока базы.

Рис. 5.11. Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами

p-n-p (a), n-p-n (б) структурами

Так как потенциал базы транзистора VT1практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе R также постоян­но, не изменится при этом и ток I. Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1 на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будет изменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VТ1 становится меньшим, при малом токе нагрузки — большим. В обоих случаях падение напря­жения на участке эмиттер-коллектор транзистора останется почти неизменным. Следовательно, напряжение на выходе стабилизатора будет оставаться в заданных пределах.

Токи и напряжения в рассматриваемых схемах транзисторных стабилизаторов напряжения в установившемся режиме связаны следующими соотношениями:

; .

Входное напряжение U_вх = U_Н + U_ЭК на элементах параллельной ветви распределится таким образом:

, откуда ,

тога .

Максимальный ток нагрузки транзисторного стабилизатора

.

Из приведенного равенства очевидно, что максимально допус­тимый ток транзисторного стабилизатора в В раз больше мак­симально допустимого тока стабилитрона. Он зависит от коэф­фициента усиления транзистора и ограничивается его максимально допустимой мощностью рассеяния Р_яоп:

.

К основным параметрам стабилизаторов последовательного типа относятся:

коэффициент стабилизации ;

выходное сопротивление ,

где h_11э входное сопротивление для схемы с общим эмиттером;

h_21э— коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером;

коэффицент полезного действия .

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.

Для улучшения электрических характеристик схемы компенса­ционного стабилизатора напряжения последовательного типа в цепь обратной связи вводят усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторе VТ2 (рисунок 5.12, а). В эмиттерную цепь VT2 включен стабилитрон VD1 (источник опорного напряжения). Резистором R2 задается ток VD1. В базовую цепь VТ2 включен делитель напряжения R3R4. Резистор R1, включенный в коллектор­ную цепь VТ2, является нагрузкой усилителя постоянного тока. Делитель RЗR4 и резистор R2 со стабилитроном VD1 образуют измерительный мост, в одну из диагоналей которого включен резистор R_н, а в другую — участок эмиттер-база транзистора VТ2. При воздействии дестабилизирующих факторов и изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется ток, протекаю­щий через делитель R3R4. Изменяется падение напряжения на резисторе R4. Это напряжение, являющееся частью выходного, подводится к базе транзистора VT2и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1. Разностный сигнал усиливается транзистором VТ2.

Напряжение с коллекторной нагрузки усилителя постоянного тока (резистор R1) поступает на базу регулирующего транзистора VT1и вызывает изменение падения напряжения на нем (участок эмиттер — коллектор).

Таким образом, изменения входного напряжения будут ском­пенсированы на регулирующем транзисторе.

Коэффициент стабилизации этой схемы

,

— коэффициент деления делителя;

h₁₁ — входное сопротивление;

β₂-коэффициент усиления по току.

Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)

.

Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением r_Д. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение К_ст возможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

При больших токах нагрузки стабилизатора, когда необходимо использование мощного регулирующего транзистора, ток базы его может значительно (иногда в несколько раз) превышать ток коллектора транзистора усилителя постоянного тока. Для сог­ласования их по допустимым токам в качестве регулирующего элемента применяют так называемый составной транзистор с включением двух и более транзисторов. В схеме такого компен­сационного стабилизатора напряжения (рисунок 5.12, б) транзистор VТЗ является согласующим между усилителем постоянного тока и регулирующим элементом (согласует коллекторный ток транзис­тора VТ2 и базовый ток транзистора VT1). Резистором R5 подбирают режимы работы транзистора VT3. В остальном эта схема аналогична схеме (см. рисунок 5.12, а). Параметры схемы (коэффициент стабилизации и выходное сопротивление) опреде­ляются по тем же соотношениям. Необходимо только вместо коэффициента усиления по току регулирующего транзистора (β₁) подставлять значение общего коэффициента усиления составного транзистора из двух транзисторов VТ1 и VТЗ, равного их произ­ведению .

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R1 и R2. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.

Дата добавления: 2015-11-18 ; просмотров: 1328 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Непрерывные стабилизаторы напряжения

Транзисторные стабилизаторы напряжения, имеющие значи­тельные преимущества перед параметрическими стабилизаторами напряжения, наиболее широко распространены. Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения. Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рисунок 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УПТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два класса: параллельного и после­довательного типа.

Рис. 5.10. Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного (а) и последовательного (б) типов

Изменения входного напряжения или тока нагрузки в ком­пенсационных стабилизаторах вызывают отклонения выходного напряжения от номинального. Эти изменения сравниваются с опорным напряжением и через усилитель постоянного тока УПТ подаются на регулирующий элемент РЭ и изменяют его соп­ротивление. В компенсационных стабилизаторах напряжения па­раллельного типа (см. рисунок 5.10, а) это вызовет изменение тока, протекающего через резистор R, и падение напряжения на нем. В компенсационных стабилизаторах напряжения последовательно­го типа (см. рисунок5.10, б) изменится падение напряжения непосредст­венно на самом регулирующем элементе РЭ. В обоих случаях действие РЭ будет сводиться к поддержанию выходного напря­жения в заданных пределах, т.е. к его стабилизации.

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий к. п. д., экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации. В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б) регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой R_н в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R и стабилитрон VD1 образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения U_ст. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора U_н = U_СТ — U_6э. Так как напряжение U_6э транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U_ЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при R_н = const) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора U_н, что приводит к увеличению токов I, протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон I_ст и резистор R. Падение напряжения на R возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1(U_ЭК), адекватное изменению входного напряжения. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению. Уменьшение входного напряжения первоначально приведет к снижению вы­ходного напряжения, что в свою очередь снижает ток в парал­лельной ветви (VD1, R). Воздействие на транзистор будет таким, что снизится падение напряжения на участке эмиттер — коллектор VT1, что увеличит выходное напряжение до исходного значения.

Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора.

Напряжение на выходе при этом останется в заданных пределах, т.е. оно стабилизируется.

С изменением тока нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется ток базы регулирующего транзистора, где В — статический коэффициент усиления тока базы.

Рис. 5.11. Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами

p-n-p (a), n-p-n (б) структурами

Так как потенциал базы транзистора VT1практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе R также постоян­но, не изменится при этом и ток I. Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1 на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будет изменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VТ1 становится меньшим, при малом токе нагрузки — большим. В обоих случаях падение напря­жения на участке эмиттер-коллектор транзистора останется почти неизменным. Следовательно, напряжение на выходе стабилизатора будет оставаться в заданных пределах.

Токи и напряжения в рассматриваемых схемах транзисторных стабилизаторов напряжения в установившемся режиме связаны следующими соотношениями:

; .

Входное напряжение U_вх = U_Н + U_ЭК на элементах параллельной ветви распределится таким образом:

, откуда ,

тога .

Максимальный ток нагрузки транзисторного стабилизатора

.

Из приведенного равенства очевидно, что максимально допус­тимый ток транзисторного стабилизатора в В раз больше мак­симально допустимого тока стабилитрона. Он зависит от коэф­фициента усиления транзистора и ограничивается его максимально допустимой мощностью рассеяния Р_яоп:

.

К основным параметрам стабилизаторов последовательного типа относятся:

коэффициент стабилизации ;

выходное сопротивление ,

где h_11э входное сопротивление для схемы с общим эмиттером;

h_21э— коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером;

коэффицент полезного действия .

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.

Для улучшения электрических характеристик схемы компенса­ционного стабилизатора напряжения последовательного типа в цепь обратной связи вводят усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторе VТ2 (рисунок 5.12, а). В эмиттерную цепь VT2 включен стабилитрон VD1 (источник опорного напряжения). Резистором R2 задается ток VD1. В базовую цепь VТ2 включен делитель напряжения R3R4. Резистор R1, включенный в коллектор­ную цепь VТ2, является нагрузкой усилителя постоянного тока. Делитель RЗR4 и резистор R2 со стабилитроном VD1 образуют измерительный мост, в одну из диагоналей которого включен резистор R_н, а в другую — участок эмиттер-база транзистора VТ2. При воздействии дестабилизирующих факторов и изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется ток, протекаю­щий через делитель R3R4. Изменяется падение напряжения на резисторе R4. Это напряжение, являющееся частью выходного, подводится к базе транзистора VT2и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1. Разностный сигнал усиливается транзистором VТ2.

Напряжение с коллекторной нагрузки усилителя постоянного тока (резистор R1) поступает на базу регулирующего транзистора VT1и вызывает изменение падения напряжения на нем (участок эмиттер — коллектор).

Таким образом, изменения входного напряжения будут ском­пенсированы на регулирующем транзисторе.

Коэффициент стабилизации этой схемы

,

— коэффициент деления делителя;

h₁₁ — входное сопротивление;

β₂-коэффициент усиления по току.

Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)

.

Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением r_Д. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение К_ст возможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

При больших токах нагрузки стабилизатора, когда необходимо использование мощного регулирующего транзистора, ток базы его может значительно (иногда в несколько раз) превышать ток коллектора транзистора усилителя постоянного тока. Для сог­ласования их по допустимым токам в качестве регулирующего элемента применяют так называемый составной транзистор с включением двух и более транзисторов. В схеме такого компен­сационного стабилизатора напряжения (рисунок 5.12, б) транзистор VТЗ является согласующим между усилителем постоянного тока и регулирующим элементом (согласует коллекторный ток транзис­тора VТ2 и базовый ток транзистора VT1). Резистором R5 подбирают режимы работы транзистора VT3. В остальном эта схема аналогична схеме (см. рисунок 5.12, а). Параметры схемы (коэффициент стабилизации и выходное сопротивление) опреде­ляются по тем же соотношениям. Необходимо только вместо коэффициента усиления по току регулирующего транзистора (β₁) подставлять значение общего коэффициента усиления составного транзистора из двух транзисторов VТ1 и VТЗ, равного их произ­ведению .

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R1 и R2. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Компенсационные транзисторные стабилизаторы напряжения

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 7214 ; Нарушение авторских прав

Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока представляют собой системы автоматического регулирования, содержащие цепь отрицательной обратной связи. Сигнал обратной связи, управляющий регулирующим элементом, вырабатывается путем сравнения выходного напряжения с некоторым опорным напряжением. В качестве источника опорного напряжения обычно применяется параметрический стабилизатор. Блок-схема компенсационного стабилизатора приведена на рис. 8.

Рис. 8. Блок-схема компенсационного СН

Сигнал рассогласования между опорным и выходным напряжениями формируется на элементе сравнения и поступает на усилитель сигнала обратной связи, в качестве которого используется усилитель постоянного тока (УПТ). С выхода УПТ сигнал подается на регулирующий элемент, меняя его сопротивление таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным.

Рис. 9. Базовая схема последовательного компенсационного СН

Схема наиболее простого и распространенного компенсационного стабилизатора положительного напряжения, собранного на транзисторах n-р-n-типа, представлена на рис. 9. Стабилизатор отрицательного напряжения может быть собран по аналогичной схеме. Необходимо лишь поменять полярность источника питания и включения стабилитрона, а также заменить транзисторы n-р-n-типа на р-n-р. В данной схеме регулирующим элементом является мощный, с большим коллекторным током, транзистор VT1, включенный по схеме эмиттерного повторителя.

На маломощном транзисторе VT 2 собран УПТ по схеме с общим эмиттером и его нагрузкой является резистор R1. Источником опорного напряжения служит параметрический стабилизатор (R2, VD), к выходу которого подключен эмиттер транзистора VT2. Резисторы R3, R4 образуют делитель выходного напряжения. С плеча делителя R4 снимается часть выходного напряжения, равная

, (10)

и подается на базу VT2. Таким образом, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности U_бэ = U_R4 – U_ст, т.е. этот транзистор выполняет роль и усилителя сигнала ошибки, и элемента сравнения. Изменением соотношения плеч делителя R3, R4 можно менять величину выходного напряжения стабилизатора.

Работает схема следующим образом. Если выходное напряжение СН по какой либо причине увеличилось то, согласно (10), увеличится падение напряжения на R4 и на входе УПТ. Это приведет к увеличению тока коллектора VT2 и падения напряжения на R1. Напряжение между базой и эмиттером U_бэ, регулирующего транзистора VT1 уменьшается, что приводит к уменьшению его токов базы и коллектора. Сопротивление транзистора и падение напряжения на нем увеличиваются, а напряжение на выходе СН при этом возвращается к номинальному значению.

Коэффициент стабилизации по входному напряжению (k_U) СН, собранных по схеме рис. 9, как правило, не превышает 10 20. Их выходное сопротивление — около 0,1 Ома. Причем коэффициент стабилизации по нагрузке (2), как правило, на порядок больше k_U. Сравнительно невысокие значения выходных параметров таких стабилизаторов объясняются рядом причин:

1. Усилитель обратной связи (УПТ на транзисторе VT2) питается от нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

2. Согласно (10), наличие делителя выходного напряжения (R3-R4) приводит к тому, что не весь сигнал ошибки (∆U_н), а лишь его часть подается на базу транзистора VT2. Это уменьшает коэффициент обратной связи.

3. Напряжение питания УПТ сравнительно мало, поскольку оно равно разности между входным напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона, поэтому коэффициент усиления его также невелик.

4. Отличие от нуля дифференциального сопротивления стабилитрона (VD) уменьшает коэффициент усиления цепи обратной связи. Например, при увеличении эмит-герного тока транзистора VT2 напряжение на стабилитроне также увеличивается (см. ВАХ стабилитрона на рис. 3), а это приводит к уменьшению управляющего сигнала на переходе база-эмиттер УПТ.

Улучшить качественные показатели компенсационных СН можно за счет усовершенствований, вносимых в базовую схему (рис. 9).

Устранить влияние нестабильности напряжения питания U_п на работу УПТ можно, если вместо резистора R1 поставить стабилизатор тока, собранный, например, по схеме рис. 6. Он будет обеспечивать независимость базового тока регулирующего транзистора и коллекторного тока транзистора УПТ от колебаний входного напряжения.

Дальнейшее улучшение характеристик СН может быть получено путем замены делителя выходного напряжения (R3-R4) параметрическим стабилизатором, причем стабилитрон должен быть включен таким образом, чтобы сигнал ошибки ∆U_н был приложен между эмиттером и базой транзистора VT2.

Рис. 10. Питание УПТ от дополнительного источника

Существенно повысить па­раметры СН можно за счет при­менения дополнительного источника входного напряжения (U_п1 на рис. 10). Повышение напряжения питания УПТ, которое равно теперь U_н + U_п1 позволяет увеличить сопротивление его нагрузки R1, сохранив неизменными коллекторный ток VT 2 и базовый ток регулирующего транзистора (рис. 9). Коэффициент усиления VT2 возрастает и, следовательно, улучшаются параметры стабилизатора. Этому способствует также и то, что для питания маломощного УПТ, как правило, применяется дополнительный параметрический стабилизатор (R_д, VD) на рис. 10.

При токах нагрузки более 0,1 0,2 А в стабилизаторах напряжения регулирующий элемент выполняют обычно в виде составного транзистора VT1, VT2 (рис.11; остальная часть схемы соответствует рис. 9). Отметим, что при таком включении общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления VT1 и VT2, что приводит к улучшению качественныххарактеристик СН.

Рис. 11. Применение составного транзистора в качестве регулирующего элемента

Недостатком последовательных компенсационных полупроводниковых СН является то, что регулирующий транзистор очень чувствителен даже к кратковременным перегрузкам и коротким замыканиям (КЗ) на выходе.

Рис. 12. Схема защиты СН от перегрузок и КЗ

При КЗ через него течет очень большой ток, а к участку эмиттер-коллектор приложено практически все входное напряжение стабилизатора. Температура переходов транзистора возрастает и происходит тепловой пробой. Схемы защиты обычно строятся на транзисторах, которые запирают регулирующий элемент при перегрузке или КЗ на выходе. Одна из возможных реализаций схемы защиты приведена на рис. 12. Она состоит из транзистора VТ_д и двух резисторов R_д1 .и R_д2. Напряжение между базой и эмиттером этого транзистора равно разности U_бэ = U_Rд2 – U_см. Причем U_Rд2 = I_нR _д2 пропорционально току нагрузки.

Напряжение U_см снимается с нижней части потенциометра R_д1. В номинальном режиме работы стабилизатора U_см устанавливается таким, чтобы транзистор VT_д был заперт и не влиял на работу СН.

При возрастании тока нагрузки больше номинального в результате КЗ или при перегрузке падение напряжения U_Rд2 становится по величине больше, чем U_см. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT_д меняет знак, и транзистор открывается. Ток его коллектора возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1. Регулирующий транзистор при этом закрывается. При устранении КЗ схема защиты выключается автоматически.

В приведенной на рис. 9 базовой схеме стабилизатора регулирующий транзистор n-р-n-типа включен по схеме эмиттерного повторителя. В литературе [4] описана схема стабилизатора положительного напряжения, в которой применен транзистор р-n-р -типа, включенный по схеме с общим эмиттером. В этом случае регулирующий и усилительный транзистор должны быть разной структуры. Схема такого СН представлена на рис. 13. Достоинством схемы является то, что можно обойтись без нагрузочного резистора УПТ (R1 на рис. 9). Нагрузкой усилителя сигнала ошибки является сопротивление перехода эмиттер-база регулирующего транзистора VT1. Изменение порядка включения параметрического стабилизатора (VD, R1) по сравнению с базовой схемой вызвано необходимостью сохранить отрицательный характер обратной связи.

Рис. 13. Схема СН с регулирующим транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером

Схема работает следующим образом. При изменении выходного напряжения стабилизатора будет меняться напряжение и на базе, и на эмиттере транзистора VT2. Но благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона VD изменение напряжения на эмиттере будет значительно более глубоким, чем на базе.

Можно показать, что при изменении напряжения на выкоде стабилизатора на величину ∆U_н изменение напряжения между эмиттером и базой будет равно

. (11)

Отсюда при R1>>r_диф получим

. (12)

Уменьшение напряжения между эмиттером и базой VT2 приводит к уменьшению его коллекторного тока, который является базовым током регулирующего транзистора VT1. Сопротивление участка эмиттер-коллектор VT1 при этом возрастает и напряжение на выходе СН возвращается к номинальному.

Достоинством данного СН является более высокий коэффициент стабилизации k_U вследствие отсутствия дестабилизирующей связи через нагрузочный резистор УПТ, существующей в схеме на рис. 9, а также возможность использования корпуса прибора в качестве радиатора регулирующего транзистора, если положительный полюс СН является общим проводом.

3.5. Расчет компенсационного стабилизатора
напряжения

Для выполнения практической части лабораторной работы предлагается рассчитать и исследовать работу схемы последовательного СН, собранного по типовой схеме (рис. 9). Исходные данные для расчета:

а) Номинальное напряжение питания стабилизатора (U_п.ном) и пределы его изменения (±∆U_п). Обычно ∆U_п составляет 10% от U_п.ном. Выбираем U_п.ном в пределах 8 10 В.

б) Напряжение на выходе стабилизатора U_н. Для предлагаемого к исследованию макета его выбирают равным 3,5 4,5 В.

в) Сопротивление R_н или ток I_н нагрузки. В макете установлены два нагрузочных резистора номиналами 1 кОм и 560 Ом.

Поскольку к исследованию предлагается уже собранный макет, то расчет сводится к оценке величин нагрузочного резистора R1 УПТ и балластного резистора R2 источника опорного напряжения.

Кроме этого требуется рассчитать коэффициент стабилизации по входному напряжению.

Расчет балластного резистора проводится по формуле

.

Величина нагрузочного резистора УПТ вычисляется по формуле

. (13)

Ток базы регулирующего транзистора может быть оценен по формуле I_б1 = I_к1/h_21Э. Здесь I_к1 = I_н + I_ст+ I_д ;I_д — ток через делитель напряжения R3 — R4 (в макете I_д ≈ 1 мА). Величина тока коллектора VT2 удовлетворяет соотношению I_к2 > I_б1. Напряжение между эмиттером и базой VT1 удовлетворяет соотношению U_эб1 = h_21Э I_б1.

Контрольные вопросы

1. Какой из стабилизаторов (последовательный или параллельный) обладает большим КПД и почему?

2. Почему в схеме стабилизатора тока (рис. 6) вместо стабилитрона можно поставить диод, включенный в прямом направлении по отношению к источнику питания?

3. Что произойдет с регулирующими транзисторами простейших стабилизаторов параллельного и последовательного типа, схемы которых приведены на рис. 4 и рис. 5 при КЗ на выходе (R_н = 0)?

4. Каковы основные недостатки стабилизаторов напряжения с усилителями тока?

5. Как отреагирует базовая схема стабилизатора напряжения (рис. 9) на неисправность транзистора УПТ:

а) сопротивление участка эмиттер-коллектор r_эк = 0;

б) сопротивление участка эмиттер-коллектор r_эк = ∞ ?

6. В отличие от схемы на рис. 12 существует другой способ защиты регулирующего транзистора от перегрузок и КЗ. Каков он?

7. Почему собранный по схеме рис. 13 стабилизатор имеет гораздо больший коэффициент стабилизации по входному напряжению, чем стабилизатор, изготовленный по базовой схеме?