Компенсационные стабилизаторы напряжения

Принцип стабилизации напряжения сети можно рассмотреть на примере схемы (рисунок 6). Схема состоит из регулирующего элемента Р, измерительного элемента U(PV) и оператора (У). При изменении напряжения сети U_вх или тока нагрузки I_н в заданных пределах выходного напряжения U_вых должно оставаться постоянным. Согласно второго закона Кирхгофа U_вых= U_вх-U_р=const. Для поддержания постоянства выходного напряжения оператор должен изменять положение движка переменного резистора с учетом показаний вольтметра.

Рисунок 6 – Прнцип работы стабилизатора напряжения

Рассмотренная схема (рисунок 6) приемлема при медленных изменениях U_вх и I_н. В реальных устройствах U_вх и I_н могут изменяться в импульсном режиме или с большой скоростью. Поэтому стабилизаторы должны изготовляться на элементах с большим быстродействием, т.е. с использованием транзисторов и микросхем.

Стабилизаторы могут быть выполнены с последовательным (рисунок 7 а) и параллельным (рисунок 7 б) включением регулирующего элемента относительно нагрузки.

В последовательной схеме регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и постоянство выходного напряжения достигается за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элементе. В параллельной схеме регулирующий элемент включен параллельно с нагрузкой, а постоянство выходного напряжения поддерживается за счет изменения тока через регулирующий элемент, в результате изменяется падение напряжения на гасящем (балластном) сопротивлении R_r, включенном последовательно с нагрузкой.

Схема с параллельным включением регулирующего элемента применяется лишь в маломощных стабилизаторах из-за низкого КПД, так как мощность расходуется на гасящем резисторе R_r и включенном параллельно нагрузке регулирующем элементе Р. Достоинством этой схемы является то, что такой стабилизатор не боится перегрузок и коротких замыканий.

Стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента обладает более высоким КПД и находит более широкое применение. Принцип работы такого стабилизатора следующий. Пусть напряжение U_вх возросло, что в первый момент приведет к некоторому увеличению напряжения U_вых.

На измерительный элемент И поступит повышенное напряжение (или часть его). Измерительный элемент автоматически сравнивает напряжение U_вых с эталонным напряжением (источник эталонного напряжения находится в самом измерительном элементе) и вырабатывает сигнал рассогласования U_v. Этот сигнал усиливается усилителем У и поступает на регулирующий элемент Р. Под воздействием напряжения U_у регулирующий элемент увеличивает сопротивление. На возросшем сопротивлении регулирующего элемента увеличивается падение напряжения U_р настолько, насколько произошло увеличение входного напряжения, и выходное напряжение будет почти неизменным. Таким образом, насколько увеличится (уменьшится) выходное напряжение, настолько увеличится (уменьшится) падение напряжения на регулирующем элементе (т.е. произойдет компенсация входного напряжения), и выходное напряжение U_вых= U_вх-U_р останется постоянным. Поэтому такие стабилизаторы получили название компенсационных.

Принцип работы стабилизатора с параллельным включением регулирующего элемента описывается уравнением U_вых=U_вх-U_Rг=const. При изменении входного напряжения или тока нагрузки в заданных пределах ток регулирующего элемента I_р (т.е. падение напряжения U_Rг) изменяется таким образом, что выходное напряжение U_вых остается постоянным.

При напряжениях до 150 В применяются полупроводниковые стабилизаторы, так как они имеют малые габариты и массу, высокую надежность и большую долговечность. В последовательном полупроводниковом компенсационном стабилизаторе (рисунок 8) в качестве регулирующего элемента используется транзистор VT1, усилителя постоянного тока ─ транзистор VT2 и резистор R2. В качестве измерительного элемента применен мост, состящий из резисторов R4… R6 и параметрического стабилизатора, состоящего из стабилитрона VD5 и ограничительного резистора R3. К диагонали моста вг приложено выходное напряжение стабилизатора, а к диагонали аб присоединен участок эмиттер ─ база транзистора VT2.

При подключении к стабилизатору входного напряжения в нем протекают токи: ток делителя (плюс ─R6─ R5─ R4─ эмиттер VT1 ─ коллектор VT1 ─ минус); ток параметрического стабилизатора (плюс VD5─ R3─эмиттер VT1─ коллектор VT1 ─минус); ток коллектора VT2 (плюс ─ VD5 ─ VT2─коллектор VT2─ R2─минус); ток нагрузки (плюс ─ R_н(R8, R7) ─ эмиттер VT1─ коллектор VT1─ минус).

При уменьшении выходного напряжения, вызванного возрастанием тока нагрузки или уменьшением входного напряжения, уменьшается ток делителя. Падение напряжения на резисторе R6 и части резистора R5 уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2. Так как к эмиттеру транзистора VT2 приложено эталонное напряжение U_оп, то ток коллектора транзистора R6уменьшится пропорционально уменьшению входного напряжения. Падение напряжения на резисторе R2, приложенное плюсом к базе транзистора VT1, уменьшится, а следовательно, потенциал базы станет более отрицательным по отношению к эмиттеру. Напряжение U_ЭБ1 возрастает, и сопротивление транзистора уменьшится. При правильно выбранных параметрах схемы падение напряжения на транзисторе уменьшится настолько, насколько увеличится входное напряжение. Выходное напряжение при этом стремится к прежнему значению.

При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки процесс регулирования происходит таким образом, что напряжения U_ЭБ1 регулирующего транзистора понижается, сопротивление регулирующего элемента увели­чится и выходное напряжение стремится к прежнему значению.

Процесс регулирования происходит практически мгновенно.

При повороте оси переменного резистора R5 изменяется напряжение U_ЭБ1, что обеспечивает плавную регулировки выходного напряжения в заданных пределах от номинального значения. Для улучшения сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и подавления импульсных помех сопротивление верхнего плеча делителя шунтируется конденсатором С2.

При коротком замыкании нагрузки резко увеличивается ток в регулирующем транзисторе и возрастает падение напряжения на нем. Это может привести к выходу из строя транзистора VT1 как из-за увеличения мощности потерь, так и из-за возможного пробоя переходов.

Для защиты стабилизатора от перегрузок и коротких замыканий в его схему вводятся дополнительные элементы, которые в режиме перегрузки и короткого замыкания вырабатывают напряжение, запирающие транзистор VT1. В простейшем случае защита от коротких замыканий в стабилизаторах малой мощности может быть выполнена подбором сопротивления резистора R1 таким, чтобы выходной ток в режиме короткого замыкания не превышал максимально допустимого тока коллектора транзистора VT1 и выпрямительного моста.

Дата добавления: 2015-08-05