Компенсационные стабилизаторы.

Эти стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схемы.

Компенсационные стабилизаторы подразделяют на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные.

Любой компенсационный стабилизатор состоит из блока сравнения (БС), в который входит источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока (У) и регулирующего элемента (РЭ).

Здесь изображена схема компенсационного стабилизатора на дискретных пролупроводниковых приборах. В этом стабилизаторе в блок сравнения (БС) входит параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резистора R₅, и резистивный делитель R₁R₂R₃. Усилителем постоянного тока является усилитель на транзисторе Т₂ и резисторе Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т₁.

В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузочном резисторе Uн (или части его) с опорным напряжением Uоп.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока Iн, напряжение Uн повышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряжения равная bUн (b- коэффициент деления резистивного делителя), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп, т.к. опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂ из- за увеличения напряжения bUн уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т₂ снижается. Это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором транзистора Т₁, что равносильно увеличению его сопротивления. В следствии этого падение напряжения на транзисторе Т₁ возрастает, благодаря чему напряжение Uн приобретает значение близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистора R₂ осуществляется регулирование напряжения Uн.

В современных стабилизаторах на интегральных микросхемах для повышения коэффициента стабилизации вместо усилителя на транзисторе Т₂ применяют интегральный операционный усилитель. Это позволяет получить коэффициент стабилизации равный нескольким тысячам. В таком стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходных напряжений, снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения.

К достоинствам компенсационных стабилизаторов относят:

* высокий коэффициент стабилизации К>100;

* низкое внутреннее сопротивление Riст=10^-3…10^-4 Ом;

* практическая безинерционность;

* отсутствие собственных помех.

К недостаткам относятся:

* невысокий КПД, не превышающий 0,5…0,6 ;

* значительная масса из- за необходимости применения радиатора на регулирующем транзисторе при стабилизации больших токов.

В отечественной аппаратуре наиболее широкое распространение получил стабилизатор на микросхемах серий К142, К275, К181, которые оснащены схемами защиты от перегрузок и короткого замыкания.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН)

Получают все большее распространение из- за высокого КПД, достигающего 0,8…0,85, меньшие габариты и массу.

Так же, как и в компенсационном стабилизаторе, в нем применяется отрицательная обратная связь, ослабляющая изменение выходного напряжения или нагрузочного тока. Отличием ИСПН от компенсационных стабилизаторов является работа регулирующего элемента РЭ- транзистора в режиме ключа, когда транзистор либо открыт, либо закрыт. Именно режим ключа позволяет получать очень высокий КПД.

Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы. Для последующего преобразования таких импульсов в постоянное напряжение служит сглаживающий фильтр Ф. Регулирующий элемент и сглаживающий фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которую осуществляют блок сравнения БС и импульсный блок ИС. В блоке сравнения выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Получающаяся при этом разность напряжений воздействует на импульсный блок, который вырабатывает управляющие импульсы разной длительности или частоты следования, удовлетворяющие работе регулирующего элемента.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующего элемента подразделяются на стабилизаторы с частотно- импульсной модуляцией и широтно- импульсной модуляцией (ШИМ).

Рассмотрим работу ИСПН на примере релейного стабилизатора. В этом стабилизаторе в блоке сравнения функции сравнения эталонного (опорного) напряжения с выходным напряжением стабилизатора совмещены с функциями релейного устройства, те и другие функции выполняет стабилитрон Д₁.

Релейное устройство через транзисторы Т₃, Т₂, принадлежащие импульсному блоку, управляет регулирующим элементом- транзистором Т₁. В качестве сглаживающего фильтра чаще всего используются Г- образные LC- фильтры.

Релейный стабилизатор работает таким образом. При подаче постоянного входного напряжения Uвх регулирующий транзистор Т₁ открывается. Благодаря наличию индуктивной катушки Lф, ток через которую не может изменяться скачком, напряжение на выходе стабилизатора будет постепенно увеличиваться, bUвых, где b- коэффициент деления делителя R₈R₉R₁₀. При некотором значении этого напряжения стабилитрон Д₁ открывается, что приводит к отпиранию транзистора Т₃ и запиранию транзистора Т₂, так как транзистор Т₃ закрывает его вход. В свою очередь, транзистор Т₂ запирает регулирующий транзистор Т₁. После этого, напряжение на выходе стабилизатора и в блоке сравнения начинает уменьшаться. При определенном значении bUвых стабилитрон Д₁ закрывается, что приводит к запиранию транзистора Т₃ и отпиранию транзисторов Т₂ и Т₁. Далее процесс повторяется.

Изменения выходного напряжения из- за воздействия дестабилизирующих факторов приводят к соответствующим изменениям длительности закрытого и открытого состояний регулирующего транзистора Т₁, в результате, среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться с определенной степенью точности.

Стабилитрон Д₂- для шунтирования обратного выброса ЭДС.

Основным преимуществом всех релейных ИСПН является их высокое быстродействие, а существенным недостатком- относительно большая амплитуда пульсаций выходного напряжения. Эти пульсации невозможно свести к нулю, т.к. переключение релейных элементов возможно только при изменениях выходного напряжения.