1.3.2 Компенсационный  стабилизатор 

      Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом, принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи.

       Рис. 1.7

      На  рис. 1.7 приведена блок-схема компенсационного стабилизатора, состоящего из трех элементов: регулирующего 1, измерительного 2 и усилительного 3. Элемент 1 представляет собой регулируемое активное (для стабилизаторов постоянного тока) и реактивное нелинейное (для стабилизаторов переменного тока) сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Элемент 2 фиксирует отклонение напряжения на выходе стабилизатора от некоторого эталонного напряжения. Элемент 3 усиливает изменение выходного напряжения и воздействует на регулирующий элемент, изменяя его сопротивление и поддерживая этим постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности.

         Достоинствами компенсационных  стабилизаторов является хорошо разработанная теория, возможность получения высоких коэффициентов стабилизации и очень малых выходных сопротивлений, простота настройки и регулировки.

 

      Схемы компенсационных  стабилизаторов постоянного  напряжения бывают последовательного (рис. 2.1) и параллельного (рис. 2.2) типов.  

        
 
 
 
 

        
 

        

 
 

        

      Различие  приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

            Стабилизаторы параллельного  типа имеют невысокий КПД и  применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются  стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

      Принцип работы компенсационных стабилизаторов

      Компенсационный стабилизатор с непрерывным способом регулирования (НСН) представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования выходного напряжения при воздействии различных возмущающих факторов (изменение питающего напряжения, нагрузки, температуры окружающей среды и пр.), в которой выходное напряжение поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе.

      В качестве регулирующего элемента схемы  обычно используются биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типа, работающие в режиме усиления. Поскольку в режиме усиления у транзистора существует линейная зависимость между входным и выходным сигналами, то стабилизаторы напряжения с непрерывным способом регулирования иначе называют линейными стабилизаторами напряжения.

      Типичная  простая схема компенсационного стабилизатора напряжения постоянного  тока с непрерывным способом регулирования последовательного типа приведена на рис. 1.10.

        

      Рассмотрим  работу этого стабилизатора, считая возмущающим фактором изменение  питающего напряжения U_П.

      При повышении напряжения питания U_П происходит увеличение выходного напряжения U_Н стабилизаторов и соответственно той его части U_Н.Д., которая снимается с резисторов R''_пт, R_д2 делителя напряжения.

      Сигнал  ошибки U_эб=U_н.д.–U_ст воздействует на вход транзистора Т₂, вызывая увеличение его коллекторного тока I_к2. Это приводит к уменьшению базового тока транзистора Т₁ (I_б1). Поскольку транзистор Т₁ работает в режиме усиления, то падение напряжения на нем возрастает, компенсируя происшедшее увеличение выходного напряжения.

      Через резистор R_К  одновременно протекают коллекторный ток I_К2 транзистора Т₂ и базовый ток I_б1 транзистора Т₁. Поскольку резистор R_К является сопротивлением нагрузки УПТ, то для получения больших значений усиления его сопротивление приводит к ограничению тока I_К1 и тока нагрузки стабилизатора. Разрешить это противоречие можно заменой транзистора Т₁ составным транзистором с большим коэффициентом передачи тока h_21Э1.

      Уменьшение  значения сопротивления R_Д1 достигается выбором более мощного делителя напряжения. Обычно ток делителя выбирается на порядок больше, чем базовый ток транзистора Т₂. Дальнейшее уменьшение сопротивления резисторов делителя напряжения не целесообразно, так как приводит к снижению КПД схемы, увеличению температурной нестабильности выходного напряжения стабилизатора из-за разогрева резисторов делителя.

      1.3.3 Импульсные стабилизаторы

      Выше  рассмотренные стабилизаторы являются стабилизаторами непрерывного действия. Значительно больший КПД имеют  импульсные или ключевые стабилизаторы. Мощность нагрузки такого стабилизатора достигает 90%. Существенное повышение КПД ключевых стабилизаторов достигается импульсным режимом работы регулирующего элемента стабилизатора. 

      Рис. 1.11

      На  рис. 1.11 приведена структурная схема  источника питания с ключевым стабилизатором. Здесь Тр – трансформатор, В – вентиль, Ф1 – первый сглаживающий фильтр, РЭ – регулирующий элемент, Пр – импульсное устройство, УЭ – усилительный элемент, ОЭ – опорный элемент, ИЭ – измерительный элемент, КЭ– коммутационный элемент, Ф2 – второй сглаживающий фильтр.

      Для управления РЭ нужен импульсный генератор или импульсное устройство типа триггера. Выходное напряжение имеет форму импульсов, поэтому этому стабилизатору требуется сглаживающий фильтр.

      Изменение выходного напряжения стабилизатора  приводит к изменению длительности поступающего на составной транзистор отрицательного импульса мультивибратора. Это приводит к изменению падения напряжения до прежнего уровня, таким образом, происходит автоматическое регулирование выходного напряжения стабилизатора за счет отрицательной обратной связи.

      Принципы  работы импульсных стабилизаторов.

      В стабилизаторах с импульсным регулированием регулируемый резистор заменяется ключом, что сводит к минимуму рассеиваемую на нем мощность (рис.1.12). Ключ может  подсоединять или отсоединять нагрузку, тем самым регулируя среднюю мощность забираемую ею от источника. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения, вызываемых коммутацией ключа, в силовую цепь импульсного стабилизатора включают специальный фильтр, состоящий из дросселя L, конденсатора С и разрядного диода VD. Цепь обратной связи стабилизатора управляет интервалами времени, в течении которых ключ замкнут или разомкнут.

      

      Напряжение  на нагрузке определяется как напряжением  источника Е, так и соотношением интервалов импульсов, в течении которых ключ замкнут или разомкнут. Воздействуя на длительность замыкающих ключ импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке и, следовательно, поддерживать его постоянным при изменении первичного напряжения Е.

      Преобразование  сигнала ошибки, являющегося в  импульсном стабилизаторе, как в линейном, медленно меняющимся постоянным напряжением, в импульсную последовательность с переменной скважностью (необходимо для управления ключом) производится в специальном импульсном устройстве, входящем в цепь ОС стабилизатора. Работой ключа можно управлять несколькими способами. Если импульсное устройство создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса, то такую схему называют стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией. Если же импульсное устройство замыкает ключ при напряжении на выходе, меньшем некоторого порога, и размыкает его при превышении порога, то такую схему называют релейной или двухпозиционным стабилизатором. Стабилизатор, ключ которого управляется от входного напряжения, называют импульсным параметрическим стабилизатором.

      В современных схемах импульсных стабилизаторов в качестве ключа широко применяются транзисторы и тиристоры. Реальные транзисторы, работающие в ключевом режиме, дроссели и диоды обладают малыми потерями, что позволяет сделать силовую цепь стабилизатора малогабаритной. Требуемая для обеспечения малых пульсаций индуктивность дросселя L уменьшается с ростом частоты коммутации ключа. Поэтому частоту коммутации выбирают настолько большой, насколько позволяют применяемые в качестве ключа транзисторы (реально до сотен килогерц).

      По  сравнению со стабилизаторами непрерывного действия ключевые стабилизаторы имеют  следующие недостатки: большее значение амплитуды пульсаций выходного напряжения и меньший коэффициент стабилизации, который тем ниже, чем больше мощность нагрузки. Комбинированные непрерывно-импульсные схемы позволяют в определенной степени устранить недостатки стабилизаторов обоих типов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

       На  основе обзора технической литературы выберем структурную схему для  реализации. Общую структурную схему источника вторичного питания с заданными параметрами моего варианта изобразим в виде последовательно соединенных звеньев (рис. 2.1). Каждое звено обеспечивает стабильную работу ИВП. Для получения характеристик, оговоренных в техническом задании, хорошо подходит ИВП на входе которого стоит трансформатор (Т). Для преобразования переменного напряжения в постоянное будем  использовать мостовой выпрямитель (В), так как у него наиболее простая конструкция, чем, например, у двухполупериодного. В качестве сглаживающего фильтра возьмем ёмкостной фильтр (Ф). Он является наиболее удобным в использовании, сравнительно недорогим и обеспечивает достаточный уровень стабилизации. В качестве блока стабилизации используем компенсационный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора и встроенным блоком защиты – ограничителем тока на транзисторе с резистором.

       С 

 Rн                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                                                    

     

     Рис. 2.1

   Воздействие на регулирующий элемент РЭ осуществляется управляемой схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью  ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

3. Расчет параметров  компонентов структурной  схемы

 

Расчет  буду вести с помощью программы  Mathcad.

Исходные  данные:

Номинальное напряжения питающей сети: Uc=110B

Отклонение  напряжения питающей сети от номинального: ΔUc=25%

Частота питающей сети: fc=50

Номинальное напряжение на выходе цепи: Un=15B

Отклонение  напряжения на выходе цепи от минимального: ΔUn=0,5%

Минимальное сопротивление нагрузки: Rn_min=5Ом

Максимальное  сопротивление нагрузки: Rn_max=1000Ом

Коэффициент срабатывания защиты по току: Кзащ=2 

      Основными показателями качества стабилизированного источника питания можно считать:

1. Относительный коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе источника при R_Н = const: