Главная » Книги и журналы

1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 22

термокомпенсированных стабилитронов позволяет обеспечить высокую температурную стабильность напряжения на нагрузке. Температурные изменения стабилизированного иапряжения в диапазоне температур от -60 до -Ь60°С для таких стабилизаторов составляют примерно 0,05-0,5 7о номинального значения выходного напряжения.

К основному недостатку данного способа термокомпенсации относится повышенное зиачение динамического сопротивления цепи, состоящей из последовательно включенных стабилитрона и компенсирующих диодов. Это же в равной степени относится и к термокомпенсированным стабилитронам, динамическое сопротивление которых превышает динамическое сопротивление некомпенсированных стабилитронов типов ДвИА и Д808 более чем в 3 раза. Увеличение динамического сопротивления приводит к уменьшению коэффициента стабилизадаи напряжения, т. е. повышение темпе-ратурной стабильности выходного напряжения с помощью компенсирующих диодов достигается ценой уменьшения его стабильности при изменении напряжения питания.

Для увеличения коэффициента стабилизации используется последовательное включение нескольких параметрических стабилизаторов, когда вход каждого последу.ющего стабилизатора подключается к выходу предыдущего (рис. 6-5). Термокомпенсирующие

Рис. 6-5. Последовательное включение параметрических стабилизаторов.

диоды на рис. 6-5 не показаны, но могут включаться последовательно с каждым стабилитроном многокаскадного стабилизатора для повышения температурной стабильности его выходного напряжения. Общий коэффициент стабилизации напряжения многокаскадного параметрического стабилизатора равен произведению коэффициентов стабилизации всех его каскадов. Это же справедливо и для коэффициента сглаживания пульсаций напряжения. Так, например, для двухкаскадного параметрического стабилизатора, выполненного на стабилитронах типа Д814А, при токе стабилизации 10 мА удается получить нестабильность выходного напряжения около 0,002-0,02 7о [18].

Основной недостаток многокаскадных параметрических стабилизаторов заключается в их низком к.п.д., в необходимости существенного повышения входного напряжения по отношению к напряжению на нагрузке. Так, например, для трехкаскадного параметрического стабилизатора с выходным напряжением 8 В при его нестабильности ±0,001%, вызванной изменениями питающего напряжения на ±]07о, требуется входное напряжение не ниже 50 В. Многокаскадные параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока используются крайне редко - только в измерительных устройствах высокой точности, например цифровых вольтметрах.

6-3. Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока

Всякий компенсационный стабилизатор включает в себя источник опорного напряжения, в качестве которого обычно используются параметрический стабилизатор, усилитель постоянного тока (в редких случаях роль усилителя постоянного тока может выполнять регулирующий транзистор) и регулирующий транзистор.

На рис. 6-6 приведена схемд простейшего стабилизатора с по-

Рис. 6-6. Простейшая схема компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока последовательного типа.

следовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки, не содержащая усилителя постоянного тока. Здесь напряжение на нагрузке Rg равно разности между опорным напряжением, снимаемым с выхода параметрического стабилизатора {Ri, Д), и падением напряжения на входе транзистора Т. Последнее, как правило, невелико и составляет доли вольта.

Если напряжение на нагрузке по какой-либо причине увеличилось, одновременно уменьшается напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора, что приводит к его некоторому закрыванию. Ток коллектора этого транзистора уменьшается ровно настолько, чтобы выходное напряжение вернулось к своему номинальному значению. При уменьшении выходного напряжений, наоборот, происходит увеличение напряжения между базой и эмиг-тером регулиру.ющего транзистора, его ток коллектора увеличивается, в результате чего также происходит компенсация первоначального изменения выходного напряжения стабилизатора.

Рассматриваемый стабилизатор не позволяет регулировать или устанавливать с достаточной точностью выходное напряжение, которое практически равно напряжению стабилизации стабилитрона Д и вследствие разброса значений Uct может изменяться на + (5-15) % своего номинального значения.

Более совершенная схема последовательного компенсационного стабилизатора, напряжения постоянного тока приведена на рнс. 6-7. Б этом стабилизаторе регулирующий транзистор выполнен составным из двух транзисторов Ti и Гг. На его вход подается сигнал с выхода усилителя постоянного тока на транзисторе Ts- Это позволяет уменьшить внутреннее сопротивление такого стабилизатора до сотых и тысячных долей ом (для простейшего стабилизатора на рис. 6-6 внутреннее сопротивление обычно составляет несколько десятых долей ом)-.

Стабилизатор работает следу.ющим образом. Выходной сигнат, снимаемый с резистора. R и части резистора Ra, сравнивеатся с

опорным напряжением, которое подается с выхода параметриче-. ского стабилизатора на стабилитроне Д и резисторе R. Разность этих сигналов прикладывается между базой и эмиттером транзистора Гз, коллекторный ток которого вместе с током базы составного регулирующего транзистора протекает через резистор.Уве^ личение по какой-либо причине выходного напряжения стабилизатора приводит к увеличению напряжений на резисторах Rs и Ri и на входе транзистора Гз. Вследствие последнего возрастает коллекторный ток Гз и падение иапряжения на резисторе Ry. В результате уменьшаются токи базы и коллектора регулирующего транзистора (Г Гг), и напряжение на выходе стабилизатора вновь возвратится к своему номинальному значению. (

Уменьшение выходного напряжения, наоборот, приводит к уменьшению напряжения на входе транзистора Гз и уменьшению его коллекторного тока, соответствующему увеличению токов базы и коллектора регулирующего транзистора и восстановлению номинального значения выходного напряжения.

Резистор Rs с переменным сопротивлением служит для ручной регулировки и установки точного значений выходного напряу^ения стабилизатора; значение последнего благодаря использованию делителя Ri-i?e может превышать напряжение стабилизации стабилитрона Д. Резистор Rz, через который протекает обратный ток коллектор-эмиттер транзистора Г^ повышает температурную устойчивость данного стабилизатора.

Для устранения самовозбуждения стабилизатора и исключения паразитных автоколебаний усилитель постоянного тока охвачен цепью гибкой отрицательной обратной связи. Ее роль выполняет конденсатор Су емкостью в десятые доли - единицы мкФ. Конденсатор Сф, включенный на выход стабилизатора, улучшает его работу при импульсном характере нагрузки. Емкость этого конденсатора, как правило, достигает значений десятков - сотен мкФ.

Подключение резистора Ry к шине источника питания (рис. 6-7)

Рис. 6-7. Компенсационный стабилизатор с составным регулирующим транзистором.

является причиной сравнительно низкого значения коэффициента стабилизации напряжения. При таком включении Ry появляется дестабилизирующая прямая связь со входа стабилизатора на базу регулирующего транзистора. Колебания входного напряжения, передаваемые через резистор Ry, препятствуют действию основной обратной связи с выхода усилителя постоянного тока. Поэтому для улучшения качества последовательного компенсационного стабилизатора резистор Ry рекомендуется подключать к вспомогательному источнику стабилизированного напряжения, причем это напряже-

яие ito возможности должно превосходить напряжение питания стабилизатора.

Другой способ улучшения характеристик компенсапионного стабилизатора заключается в замене резистора Ri тркостабилизи-рующим двухполюсником. Схема усовершенствованного стабилизатора с токостабилизирующим двухполюсником приведена на рис. 6-8. В отличие от предыдущей схемы здесь база составного

Рис. 6-8. Компенсационный стабилизатор с составным регулирующим транзистором и токостабилизирующим двухполюсником.

регулирующего транзистора (Г Гг) и коллектор транзистора Гз усилителя постоянного тока подключены к минусовой шине источника питания через транзистор Г4, которьтй играет роль токоста-билизирующего двухполюсника. На вход подается стабилизированное напряжение с выхода параметрического стабилизатора на диоде Дг, включенном в прямом направлении, и резисторе Rj (вместо диода Дг может быть использован стабилитрон, показанный на рис. 6-8 пунктиром).

Так как напряжение на входе Г* стабилизировано, то и ток его коллектора также стабилизирован. Таким образом, сумма тока базы регулирующего транзистора и тока коллектора транзистора усилителя постоянного тока поддерживается неизменной и не зависит от колебаний питающего напряжения. В остальном работа рассматриваемой схемы полиостью аналогична работе предыдущей схемы.

На рис. 6-9 приведена схема последовательного компенсационного стабилизатора, в котором регулирующий транзистор включен в плюсовую шину источника питания (а не в минусовую шину, как для рассмотренных выше схем). Принцип действия этой схемы полностью аналогичен принципу действия предыдущей схемы, приведенной иа рис. 6-8.

Для электропитания современной радиоэлектронной аппаратуры часто требуются малые стабилизированные напряжения - от долей до единиц вольта. При создании низковольтных стабилизаторов напряжения постоянного тока сталкиваемся с трудностью, заключающейся в отсутствии высококачественных низковольтных

Рис. 6-9. Компенсационный стабилизатор с регулирующим транзистором, вкл.юченным в цепь плюсовой шины источника питашя.

-о- -о-

Д

Рнс. 6-10. Низковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока.

?1 с:л£- eril. Г :

стабилитронов. Одна из простейших и наиболее распространенных схем низковольтных стабилизаторов приведена на рис. 6-10. Здесь параллельный параметрический стабилизатор {R, Д) питается от вспомогательного источника с напряжением U, большим напряжения питания и„. Делитель напряжения Rs-Rb подключен к выходу стабилизатора и через R к вспомогательному источнику. В данном стабилизаторе выходное напряжение может быть значительно меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Рассмотренные выше компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока относятся к стабилизаторам последова-тельного типа. Наряду с ними в технике электропитания современной радиоэлектронной аппаратуры нашли применение также параллельные компенсационные стабилизаторы. Простейшая схема такого стабилизатора приведена на рис. 6-11.

Рис. 6-11. Простейшая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа.

На вход регулирующего транзистора Т, подключенного параллельно нагрузке, подается разность двух напряжений - выходного и опорного, снимаемого со стабилитрона Д. Последний входит в состав параметрического стабилизатора (Д, R2), который питается суммарным напряжением t/n-Ь t/i,. При увеличении выходного напряжения увеличивается напряжение между базой и эмиттером )егулирующего транзистора Т, возрастает его коллекторный ток. i результате этого увеличивается падение напряжения на резисторе Rl, включенном в цепь источника питания, и уменьшается выходное напряжение стабилизатора. При уменьшении выходного напряжения происходят обратные процессы: напряжение между базой и эмиттером регулирующего транзистора и его ток коллектора уменьшаются, падение напряжения на Ri также уменьшается, а напряжение на выходе возвращается к своему номинальному значению.

Схема параллельного компенсационного стабилизатора с улучшенными параметрами приведена на рис. 6-12. Здесь, как и в ста-

Рис. 6-12. Компенсационный стабилизатор параллельного типа с улучшенной характеристикой.

бйлизаторах других типов, напряжение на входе транзистора Т2 усилителя постоянного тока равно разности между частью выходного напряжения, снимаемого с резисторов R3 и R4, и опорным напряжением, подаваемым с выхода параметрического стабилизатора (2, Д). Ток базы регулирующего транзистора Ti протекает через коллекторную цепь транзистора и пропорционален разности указанных выше напряжений.

При увеличении выходного напряжения транзистор открывается в большей степени, его коллекторный ток возрастает, что приводит к возрастанию тока коллектора Ti и увеличению падения напряжения на резисторе Ri. Последнее полностью компенсирует начальные изменения выходного напряжения стабилизатора. При

умбньшенйй выходного напряжения, наоборот, транзисторы, fi и Т-2 в большей степени закрываются, что приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе Ri. В этом случае также проявляется компенсирующая реакция стабилизатора на изменение напряжения питания.

Параллельные компенсационные, стабилизаторы в отличие от последовательных стабилизаторов характеризуются нечувствительностью к перегрузкам и коротким замыканиям на их выходе и ие требуют дополнительных устройств защиты от . перегрузок. Однако вследствие того, что к.п.д. таких стабилизаторов значительно ниже, чем у последовательных стабилизаторов, они получили значительно меньшее практическое применение в технике электропитания радиоэлектронной аппаратуры по сравнению с ранее рассмотренными последовательными стабилизаторами.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ.

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

7-1. Принцип действия основных схем импульсных стабилизаторов

Рассматривае!<1ые в настоящей главе стабилизаторы представляют собой импульсные системы автоматического регулирования и предназначены для стабилизации напряжений постоянного тока. Такие преобразовательные устройства включают в себя ключевой элемент, схему его управления, которая в процессе регулирования изменяет скважность импульсов на входе ключевого элемента (модулятор), и накопители энергии - дроссели и конденсаторы, выполняющие роль сглаживающих фильтров (демодулятор).

Класс импульсных стабилизаторов, нашедших широкое применение в современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры, чрезвычайно многообразен и достаточно хорошо изучен. В отличие от рассмотренных в предыдущей главе непрерывных стабилизаторов импульсные стабилизаторы обладают значительно меньшими потерями в силовом регулирующем элементе и значительно более высоким к.п.д. Преимущества последних становятся особенно ощутимыми при широких пределах изменения напряжения питания. Так, например, при изменении напряжения питания от 23 до 34 В. и выходном напряжении 20 В к.п.д. импульсных стабилизаторов обычно Составляет 80-85%, в то время как к.п.д. непрерывных стабилизаторов не превышает 55-60%.

По принципу действия импульсные стабилигаторы делятся на две группы - релейные или двухпозиционные стабилизаторы и стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией.

Релейный стабилизатор представляет собой автоматическую систему, в которой регулирующий транзистор переключается из открытого состояния в закрытое и обратно, когда изменяющееся во времени выходное напряжение стабилизатора достигает соответственно порога срабатывания или отпускания релейного элемента, управляющего регулирующим транзистором. Для стабилизаторов данного типа частота переключения регулирующего транзистора в процессе регулирования может изменяться в широких пределах, что относится к недостаткам таких устройств.

Б стабилизаторах с широтио-импульсиой модуляцией частота переключения регулирующего транзистора постоянна. Здесь в про-

цессе регулирования изменяется лишь соотношение' между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора, причем их сумма в любом рабочем периоде постоянна и равна длительности периода.

Пусть, например, на вход регулирующего транзистора подаются два сигнала; один из которых t/лин в течение каждого периода изменяется по одному и тому же линейному закону, а другой t/вых пропорционален напряжению на нагрузке (рис. 7-1). Очевидно, что

		iZ. , г

		Т

Рис. 7-1. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу широтно-импульсного .модулятора при нарастающем (а) и спадающем (б) линейно-изменяющемся напряжении Клин-

в этом случае переключение регулирующего транзистора будет происходить в момент равенства обоих сигналов. При увеличении напряжения на нагрузке возрастает t/вых. что вызывает уменьшение длительности открытого состояния регулирующего транзистора и соответствующее уменьшение выходного напряжения стабилизатора. При уменьшении напряжения на нагрузке, наоборот, длительность открытого состояния регулирующего транзистора и выходное напряжение стабилизатора увеличиваются. По сравнению с релейными стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией оказываются более сложными и содержат большее число элементов.

Рассмотрим электромагнитные процессы в импульсном стабилизаторе, схема которого изображена на рис. 7-2. Стабилизаторы

ж

д

АР

Схема
упрабления

Рис. 7-2. Импульсный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора, дросселя фильтра и нагрузки.

подобного вида получили преимущественное распространение в современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры.

На рнс. 7-2 на вход регулирующего транзистора Т подается л-спульсный сигнал от схемы управления. Изменение скважности liiKHX импульсов происходит под действием сигнала, поступающего Lr схемы обратной связи (ОС), вход которой подключен к выходу

стабилизатора. Дроссель Др и конденсатор Сф преобразуют однополярные прямоугольные импульсы переменной скважности, поступающие с коллектора 7 , в напряжение постоянного тока. Диод Д обеспечивает электрическую цепь для протекания тока в дросселе, когда регулирующий транзистор находится в закрытом состоянии.

П^сть в начальный момент времени ty (рис. 7-3) транзистор Т

Рис. 7-3. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу стабилизатора (см. рис. 7-2).

переключился в открытое состояние. При этом на вход фильтра LC-THna прикладывается напряжение питания, и диод Д закрывается. В дросселе фильтра начинает возрастать ток, достигая своего максимального значения к моменту выключения транзистора Т. Накопление энергии в Др и Сф приводит к некоторому незначительному увеличению напряжения на выходе стабилизатора.

В момент <2 сигналом от схемы управления транзистор Т закрывается. Энергия, накопленная в элементах фильтра, начинает расходоваться в нагрузке, а диод Д при этом открывается. То{ диода Д в интервале h-h спадает по линейному закону вплогь до момента очередного открывания транзистора Т (t). После эю-го процессы в схеме стабилизатора повторяются.

В установившемся режиме при неизменном значении напряжения питания выходное напряжение стабилизатора прямо пропорционально относительной длительности открытого состояния регулирующего транзистора у:

U = Uny. (7-1)

где y = tiif; tn-длительность интервала t-t-i (рис. 7-3); f - частота преобразования.

Амплитуда пульсаций тока в дросселе фильтра равна:

л , t/nv {1-у)

(7-2)

где - индуктивность дросселя Др.

Амплитуда пульсаций выходного напояжения Л f/. при известном значении произведения Z-фСф опоеделяется выражением

Амплитуда тока коллектора регулирующего транзистора равна амплитуде тока диода Д и амплитуде тока в дросселе фильтра:

Ки - пр.и - Др.макс - + А Др -

(1-Y)

(7-4)

Минимальное значение тока в дросселе фильтра равно:

Др.мин

(1-Y)

(7-5)

При уменьшении индуктивности дросселя фильтра увеличиваются пульсации тока в нем, ухудшается использование регулирующего транзистора по току, возрастает установленная емкость конденсатора фильтра. При весьма малой индуктивности i-ф в схеме стабилизатора может наступить режим прерывистого тока в дросселе фильтра (см. пунктир' на рис. 7-3), при котором ухудшается внешняя (нагрузочная) характеристика стабилизатора. Для обеспечения режима непрерывного тока в дросселе фильтра его индуктивность должна рассчитываться в соответствии со следующим неравенством:

La>R (l-Y)/2f. (7-6)

Кроме последовательного стабилизатора, схема которого изображена на рис. 7-2, в ИВЭ используются также импульсные стабилизаторы, схемы которых приведены иа рис. 7-4 и 7-5.

Рис. 7-4. Импульсный стабилизатор с последовательным включением дросселя фильтра и нагрузки и регулирующим транзистором, подключенным а„ параллельно нагрузке.

В параллельном стабилизаторе (рис. 7-4) регулирующий тран- зистор Т подключен параллельно нагрузке, отделенной от него диодом Д. При открывании Т в дросселе Др запасается избыточная электромагнитная энергия, а его ток нарастает от своего минимального значения /др.мин п° линейному закону:

Др Др.мнн Ь

1ф

1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 22