4.3. Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в таких устройствах достигается за счёт изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи, являющегося функцией выходного напряжения. При построении схем компенсационных стабилизаторов используют как дискретные элементы, так и интегральные схемы: ОУ и специализированные микросхемы интегральных стабилизаторов, например микросхемы серии К142ЕН.

Компенсационные стабилизаторы, как указано ранее, в зависимости от способа включения регулирующего элемента по отношению к нагрузке могут быть последовательными (рис. 4.13) и параллельными (рис. 4.14).

Рис. 4.13	Рис. 4.14

Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа по принципу действия представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента РЭ, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора в схеме сравнения СС сравнивается с эталонным (опорным) , формируемым источником опорного напряжения ИОН. Возникающий при этом разностный сигнал рассогласования усиливается усилителем постоянного тока У и воздействует на регулирующий элемент РЭ таким образом, чтобы выходное напряжение достигло эталонного уровня. При положительном сигнале рассогласования внутреннее сопротивление РЭ возрастает, падение напряжения на нём увеличивается и соответственно уменьшается выходное напряжение, стремясь к значению . При отрицательном сигнале рассогласования , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нём уменьшается, что приводит к возрастанию выходного напряжения. В качестве источника опорного напряжения обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки.

В компенсационном стабилизаторе параллельного типа (рис. 4.14) регулирующий элемент РЭ подключен параллельно нагрузке . Последовательно с ними включается балластный резистор . Разностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения СС, усиливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения .

Коэффициент стабилизации компенсационных стабилизаторов последовательного типа достигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усилителя У. Однако следует учитывать, что при увеличении коэффициента усиления и достижении им определенного значения схема стабилизатора может самовозбудиться.

Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов обоих типов имеет значение порядка нескольких Ом или даже долей Ом.

Коэффициент полезного действия стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резисторе расходуется дополнительная мощность.

Недостатком компенсационных стабилизаторов последовательного типа является их критичность к перегрузкам. При коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу РЭ прикладывается все входное напряжение и резко увеличивается ток через него, что может привести к выходу РЭ из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схему тем или иным типом схемы защиты от перегрузок.

Не смотря на указанный недостаток наибольшее применение находят компенсационные стабилизаторы последовательного типа (рис. 4.13).

Принципиальная схема простейшего компенсационного преобразователя последовательного типа приведена на рис. 4.15.

	Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VT1. Транзистор VT2 выполняет функции схемы сравнения и усилителя постоянного тока. Источник опорного напряжения реализован в виде параметрического стабилизатора на стабилитроне VD и резисторе .
Рис. 4.15

При увеличении выходное напряжение возрастает по абсолютной величине, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения . Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор , определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения . Коэффициент стабилизации схемы при абсолютно стабильном напряжении и без учета влияния делителя напряжения определяется выражением

, (4.2)

а выходное сопротивление , где - дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики.

Если не стабилен, то его колебания передаются через резистор на базу регулирующего транзистора VT1 и уменьшают коэффициент стабилизации схемы в раз, где . Увеличение снижает величину , но может привести к нарушению условия нормальной работы стабилизатора:

, (4.3)

которое вытекает из очевидного равенства .

Согласно равенству (4.3), увеличение тока базы транзистора VT1 на величину вызывает уменьшение на такую же величину тока коллектора транзистора VT2. Так как ток базы связан с током нагрузки соотношением , то при увеличении сопротивления ток может оказаться больше, чем ток , что нарушает условие (4.2).

Делитель напряжения включается в выходную цепь стабилизатора для обеспечения возможности ручной плавной регулировки выходного напряжения. В этом случае выходное напряжение стабилизатора

. (4.4)

Ток через делитель выбирают не более чем на порядок больше тока базы транзистора VT2, поскольку дальнейшее увеличение тока делителя за счет уменьшения сопротивлений нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению коэффициента полезного действия схемы. С учетом этого ограничения выражение (4.4) принимает вид

.

При включении делителя напряжения коэффициент стабилизации, определяемый формулой (4.2), уменьшается в раз, так как во столько раз уменьшается приращение входного тока транзистора VT2, соответствующее приращению выходного напряжения . Записав приращение входного тока без делителя, когда , и с делителем , где коэффициент деления , а , можно найти значение величины .

Рассмотренная схема стабилизатора обеспечивает коэффициент стабилизации и выходное сопротивление . Существенным недостатком схемы является необходимость наличия дополнительного стабильного источника . Для устранения этого недостатка резистор может быть подключен непосредственно к зажиму . Однако, как указывалось ранее, это приведет к уменьшению коэффициента стабилизации в раз. Одним из способов повышения коэффициента стабилизации и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора является применение в качестве регулирующего элемента составного транзистора VT11 – VT12 (рис. 4.16). В этой схеме коэффициент стабилизации увеличивается в число раз, равное коэффициенту усиления по току дополнительного транзистора VT12 и может достигать нескольких тысяч, а выходное сопротивление стабилизатора составляет сотые или тысячные доли ома. Сопротивление служит для обеспечения нормальной работы составного транзистора, а конденсатор образует цепь гибкой отрицательной обратной связи для устранения возможности самовозбуждения усилителя постоянного тока на VT2.

Рис. 4.16

Для дополнительного повышения коэффициента стабилизации в этой схеме вместо резистора может быть установлен токостабилизирующий двухполюсник (рис. 4.12).

Еще одним широко применяемым способом увеличения коэффициента стабилизации и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора является использование в качестве схемы сравнения и усилителя сигнала рассогласования дифференциальных каскадов или операционных усилителей. Простейшая схема стабилизатора с операционным усилителем приведена на рис. 4.17

Рис. 4.17

Выбор операционного усилителя для такой схемы осуществляется из условий:

, (4.5)

, (4.6)

где и - параметры транзистора VT1, и - предельные значения выходного напряжения и тока операционного усилителя, и - предельные значения выходного напряжения и тока стабилизатора.

Если условие (4.5) не выполняется, то в качестве усилителя нельзя использовать операционный усилитель или следует изменить исходные данные для выбора операционного усилителя. Если не выполняется условие (4.6), то в качестве регулирующего элемента следует использовать составной транзистор, тогда , где и – коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов, входящих в состав составного регулирующего элемента. Сопротивление балластного резистора выбирается в соответствии с выражением: . Расчёт сопротивлений делителя на резисторах производится для крайних положений движка. При крайнем верхнем положении движка выходное напряжение стабилизатора имеет минимальное значение . При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально .

Коэффициент стабилизации схемы определяется по выражению

,

где и - параметры физической эквивалентной схемы транзистора VT1, - коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером транзистора VT1, - справочное значение коэффициента передачи напряжения ОУ, - коэффициент деления напряжения делителем на резисторах . Выходное сопротивление схемы .

Недостатком всех схем компенсационных стабилизаторов напряжения последовательного типа является возможность выхода из строя транзистора регулирующего элемента при коротком замыкании нагрузки. Защиту от короткого замыкания выхода стабилизатора можно ввести, добавив в схему токоограничивающий транзистор VT2 и измерительный резистор (рис. 4.18).

	Обычно стабилизатор рассчитывается на максимальный ток нагрузки , при превышении которого падение напряжения на возрастает до пороговой величины , что обеспечивает открывание транзистора VT2.
Рис. 4.18

Через коллектор VT2 ток с выхода операционного усилителя в этом режиме отводится от базы VT1, что обеспечивает ограничение роста тока нагрузки величиной . Величина измерительного резистора определяется по соотношению .

Помимо статических параметров компенсационные стабилизаторы в системах электропитания характеризуются и динамическими параметрами, поскольку основным назначением стабилизатора как замкнутой системы автоматического регулирования является подавление возмущений, поступающих как со стороны входной цепи, так и со стороны потребителя энергии (нагрузки).

К основным динамическим параметрам стабилизатора относятся:

1. Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения (коэффициент сглаживания) , где , - амплитуды переменной составляющей соответственно на входе и выходе стабилизатора при синусоидальной форме пульсации входного напряжения;

2. Максимальное перерегулирование  или наибольший выброс (рис. 4.19) ; 3. Длительность переходного процесса (время установления - tуст) принято определять как время, за которое процесс входит в пределы,
	Рис. 4.19

ограниченные отклонением  5% от номинального значения выходного напряжения (рис. 4.19).

Так как компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия является замкнутой системой автоматического регулирования, то все показатели качества его выходного напряжения связаны с параметрами частотной характеристики разомкнутого контура регулирования. Передаточная функция, характеризующая связь входного и выходного напряжений стабилизатора может быть представлено в виде:

, (4.7)

где – петлевое усиление, операторное изображение коэффициента передачи разомкнутого контура регулирования; , – соответственно операторные изображения коэффициентов передачи регулирующего элемента со стороны входного воздействия и со стороны управляющего по цепи обратной связи воздействия на выход стабилизатора с учётом выходного сопротивления усилителя У; – операторное изображение коэффициента передачи схемы сравнения СС без учёта влияния входного сопротивления усилителя У; – операторное изображение коэффициента усиления усилителя У с учётом выходного сопротивления схемы сравнения, но без учёта влияния входного сопротивления регулирующего элемента РЭ.

Пренебрегая единицей в знаменателе выражения (4.7) и учитывая, что коэффициент стабилизации определяется для постоянных составляющих напряжений, можно записать выражение для коэффициента стабилизации через статические коэффициенты передачи структурных звеньев схемы, изображенной на рис. 4.13:

,

где , , , – коэффициенты передачи соответствующих звеньев стабилизатора по постоянному току.

Аналогичные рассуждения позволяют получить выражение для определения комплексного коэффициента сглаживания для гармонических колебаний: , в соответствии с которым для некоторой частоты коэффициент сглаживания с учётом того, что , имеет вид:

.

Выходное сопротивление стабилизатора также определяется с учётом петлевого усиления:

, (4.8)

где – собственное выходное сопротивление регулирующего элемента РЭ. В зависимости от того, для какого режима определены величины, входящие в выражение (4.8), можно вычислить значение для постоянной и переменной составляющих.

Параметры переходных процессов однозначно связаны с видом частотной характеристики контура регулирования.

Если логарифмическая амплитудно-частотная характеристика петлевого усиления стабилизатора соответствует характеристике, приведённой на рис. 4.20, то на выходе стабилизатора наблюдается колебательный переходной процесс (рис. 4.19) с установившейся
	Рис. 4.20

погрешностью выходного напряжения , где – выходное сопротивление замкнутого контура стабилизатора напряжения.