Устройства согласования стабильности напряжения

Преобразованное по уровню и частоте напряжение (с помощью рассмотренных выше устройств преобразования), как правило, не может быть непосредственно применено для питания аппаратуры, так как коэффициент пульсации и изменение среднего значения выпрямленного напряжения может превышать предельно допустимые для современной элементной базы ЭС значения. Поэтому необходимы дополнительные устройства, которые бы обеспечивали получение заданной стабильности выходного напряжения ИВП. При этом, как отмечалось ранее, вопрос обеспечения стабильности выходного напряжения может быть разбит на две отдельные задачи, решение которых, в общем случае, осуществляется самостоятельными техническими средствами. Это задача стабилизации мгновенных значений выходного напряжения (уменьшения переменной составляющей напряжения - пульсаций напряжения) и задача стабилизации среднего значения выходного напряжения на заданном уровне.

Стабилизация мгновенного значения выходного напряжения. Как видно из приведенных ранее временных диаграмм (см. рис 3.2.б и 3.3.б) напряжение на выходе выпрямителя в течение периода изменяется от максимального (амплитудного) значения до нуля. Задача устройства стабилизации мгновенного значения напряжения сводится к поддержанию уровня напряжения, близкого к среднему в течение всего периода его изменения. Для этого необходимы элементы, которые бы копили энергию источника на интервале, когда входное напряжения превышает среднее, и отдавали ее в нагрузку на остальной части полупериода, когда напряжение сети меньше среднего за период. Эту функцию могут выполнять такие элементы как емкость и индуктивность, способные запасать энергию соответственно в электрическом и магнитном полях. Устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного значения напряжения, носят название сглаживающих фильтров.

На рис.3.10 а) приведена схема однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего совместно с емкостным сглаживающим фильтром, а на рис. 3.10 б) – временные диаграммы, поясняющие его работу.

а)

б)

Рис.3.10. Однофазный однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром а) и временные диаграммы, поясняющие его работу б).

Предположим, что в момент = 0 входное напряжение равно нулю, а напряжение конденсатора Сф больше нуля. Тогда к диоду VD приложено обратное напряжение и его ток до момента равенства этих напряжений (момент ) равен нулю. На этом интервале для рассматриваемой схемы справедлива схема замещения, приведенная на рис 3.11.а). Конденсатор Сф разряжается на сопротивление нагрузки Rн.

а)

б)

Рис.3.11. Схемы замещения выпрямителя на интервалах разряда а) и заряда б) конденсатора фильтра.

После момента и начинается заряд конденсатора Сф. При этом справедлива схема замещения рис.3.11.б). Полагая для простоты и , получим, что напряжение нагрузки практически повторяет форму входного напряжения. Этот процесс продолжается до момента , когда входное напряжение достигает своего максимального значения. При этом в момент ток заряда конденсатора Cф падает до нуля. Далее до момента входной ток диода падает до нуля, а ток разряда конденсатора меряет знак и достигает значения тока нагрузки. Начинается разряд конденсатора Сф. Этот процесс продолжается до момента .

Из приведенного описания следует, что чем больше емкость конденсатора Сф и меньше ток нагрузки, тем меньше величина переменной составляющей на выходе выпрямителя , а сама величины выходного напряжения стремится к амплитудному значению .

Зная параметры нагрузки и допустимое значение , величину емкости конденсатора фильтра Сф можно посчитать из следующих соображений:

, откуда .

Время для однополупериодной схемы выпрямления согласно рис.3.10.б равно . Для двухполупериодной схемы выпрямления . В момент напряжение , откуда .

Коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра можно оценить полагая, что амплитуда первой гармоники выходного напряжения Тогда .

Зная величину и тип используемого выпрямителя можно найти коэффициент сглаживания емкостного фильтра и требуемую величину его конденсатора .

Как следует из проведенного описания, эффективность емкостного фильтра падает при увеличении тока нагрузки. Поэтому данный фильтр используется в случае получения высоких выходных напряжений при малых токах нагрузки. При значительных токах нагрузки более эффективно работают фильтры, содержащие индуктивность. На рис.3.12 приведены схемы LC а) и, CLC б) фильтров.

Рис.3.12. Схемы LC а) и СLС б) фильтров.

Эффективность LC фильтра, как правило, выше, чем емкостного фильтра. Это объясняется тем, что энергию хранят два элемента. Коэффициент сглаживания такого фильтра определяется выражением:

,

где: - круговая частота первой гармоники выходного напряжения.

CLC фильтр это комбинация емкостного и LC фильтров. Его суммарный коэффициент сглаживания можно определить как произведение коэффициентов сглаживания составляющих его звеньев. Обычно емкостной фильтр рассчитывается из допустимого значения переменной составляющей для выбранного типа конденсатора, а элементы LC фильтра – из требуемого суммарного коэффициента сглаживания устройства.

Стабилизация среднего значения выходного напряжения ИВП осуществляется с помощью дополнительного звена, коэффициент передачи которого по постоянной составляющей изменяется таким образом, чтобы уменьшить или полностью исключить отклонение выходной электрической величины от заданного значения. Звено, выполняющее данную функцию, называется стабилизатором.

Существующие стабилизаторы могут быть разделены на два класса: параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор, обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента. Примером такого стабилизатора является устройство, выполненное на основе стабилитрона.

Компенсационный стабилизатор является замкнутой системой автоматического регулирования, в которой коэффициент передачи звена, включенного в цепь передачи электрической величины, зависит от разности входного и некоторого эталонного сигнала. Это типичный пример устройства, содержащего цепь ООС.

В зависимости от стабилизируемой электрической величины различают стабилизаторы напряжения, тока или мощности. По способу управления стабилизаторы делятся на непрерывные и ключевые (импульсные или релейные). Стабилизаторы непрерывного типа используют активный режим работы биполярного или полевого транзистора, в то время как стабилизаторы импульсного или релейного типов - ключевой режим работы полупроводниковых приборов.

Параметрический стабилизатор напряжения. Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне, приведена на рис. 3.13, а. Это параллельная схема стабилизации. В данной схеме для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратного электрического пробоя стабилитрона VD. Поясним принцип работы схемы с использованием ВАХ стабилитрона (рис. 3.13, б).

а)

б)

Рис.3.13. Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора а) и ВАХ, поясняющие его работу б).

Предположим, для простоты, что ток нагрузки равен нулю ( ). Тогда . Отложим на оси напряжений значения минимального и максимального входного напряжения и через эти точки проведем прямые, угол наклона которых определяется сопротивлением балластного резистора . Точки пересечения ВАХ стабилитрона с проведенными прямыми дадут значения соответствующих минимального ( ) и максимального ( ) выходного напряжения. Так как в режиме обратного электрического пробоя дифференциальное сопротивление стабилитрона ( ) существенно меньше сопротивления нагрузки ( ), то .

Величину балластного сопротивления можно найти используя схему замещения устройства, приведенную на рис 3.14.

Рис.3.14. Линейная схема замещения параметрического стабилизатора.

Ток балластного резистора ( ) складывается из тока стабилитрона ( ) и тока нагрузки ( ). Поэтому для балластного резистора можно записать следующее выражение:

.

Подставляя в это выражение значения и можно найти требуемое значение балластного резистора.

Важно помнить, что при всех значениях входного напряжения точка пересечения ВАХ стабилитрона и прямой, определяемой балластным сопротивлением, должна лежать в допустимой области работы стабилитрона (точки А и В на рис.3.13.б).

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на использовании цепи ООС. Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительный элемент (ИЭ), элемент сравнения (СЭ) и источник эталонного напряжения Uэт (рис. 3.15).

Рис 3.15. Стрктура компенсационного стабилизатора напряжения.

Выходное напряжение измерительного элемента ( ), пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки изменяет коэффициент передачи РЭ таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось на неизменном уровне.

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме работы (режим генератора тока). В ключевых компенсационных стабилизаторах роль РЭ выполняет транзистор, работающий в режиме переключения.

Если выходное напряжение ИЭ пропорционально выходном напряжению устройства, в схеме рис. 3.15 реализуется режим стабилизации напряжения (соответственно при измерении тока или выходной мощности можно получить стабилизаторы тока и мощности).

Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения.Простейшая схема такого устройства приведена на рис. 3.16. Она состоит их параметрического стабилизатора на стабилитроне ( ) и транзистора . Эмиттерный переход этого транзистора выполняет роль измерительного устройства, так как к нему приложена разница эталонного и выходного напряжений ( ).

Рис.3.16. Схема непрерывного компенсационного стабилизатора напряжения.

При увеличении выходного напряжения напряжение уменьшается, соответственно уменьшаются ток эмиттера транзистора и выходное напряжение ( ). Уменьшение выходного напряжения наоборот увеличивает ток базы и выходное напряжение.

Качество стабилизации выходного напряжения можно значительно улучшить, если сигнал ошибки ( ) усилить с помощью дополнительного усилителя.

Ключевой стабилизатор напряжения отличается от непрерывного режимом работы регулирующего элемента. Последний может находиться только в двух состояний подключая или отключая входное напряжение к нагрузке. Следовательно, к нагрузке прикладывается последовательность прямоугольных импульсов и встает вопрос стабилизации мгновенного значения напряжения. Наиболее эффективна такая стабилизация может быть выполнена рассмотренным выше LC фильтром. На рис.3.17 приведена простейшая схема ключевого стабилизатора напряжения.

Рис.3.17. Ключевой компенсационный стабилизатор напряжения.

К ее особенностям относятся наличие импульсного модулятора, преобразующего сигнал ошибки в последовательность импульсов переменной длины (ШИМ – широтно-импульсный модулятор), управляющих работой транзистора и наличие диода VD, шунтирующего вход LC фильтра. Этот диод предназначен для протекания тока индуктивности L на интервале выключенного состояния транзистора .

Увеличение выходного напряжения приводит к уменьшению длительности управляющего импульса на выходе ШИМ, что снижает время открытого состояния транзистора и, следовательно, среднее значение прямоугольного напряжения на входе LC фильтра. Выходное напряжение при этом уменьшается. При снижении выходного напряжения длительность импульсов на выходе ШИМ растет, растет и выходное напряжение.

Рассмотренная схема относится к импульсным системам регулирования. Если ШИМ заменить пороговым элементом, то реализуется релейный принцип регулирование. Реле будет включать транзистор при падении выходного напряжения ниже заданного уровня. и выключать его при его повышении выше заданного уровня.