Меню

Стабилизатор напряжения компенсационного типа примеры

ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Home Ремонт бытовой техники Статьи Компенсационные стабилизаторы напряжения или стабилизаторы непрерывного действия

Компенсационные стабилизаторы напряжения или стабилизаторы непрерывного действия


Рис. 1. Структурные схемы стабилизаторов непрерывного типа.

Компенсационные стабилизаторы напряжения или стабилизаторы непрерывного действияэто система автоматического регулирования, представляющая усилители постоянного тока, охваченные глубокой отрицательной обратной связью.

Принцип работы стабилизаторов напряжения компенсационного типа

Упрощенные схемы стабилизаторов компенсационного типа с последовательной (а) и параллельной (б) регулировкой приведены на рисунке 1. В процессе работы происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузке Rн (или части его) Uн с опорным напряжением Uоп. Полученный сигнал рассогласования ΔU=Uоп-Uн усиливается и подается на вход регулирующего элемента, сопротивление которого изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. Напряжение на нагрузке Uн=Uвх-ΔUр (ΔUр — падение напряжения на регулирующем элементе).

В качестве регулирующего элемента используют транзистор, коллектор и эмиттер которого включены в основную цепь, а на базу подается сигнал управления (рассогласования). В маломощных стабилизаторах регулирующий транзистор является необходимым элементом схемы. При больших токах нагрузки регулирующий элемент выполняется на составных или параллельно включенных транзисторах. Оконечный транзистор может быть дискретного исполнения. Регулирующий элемент одновременно выполняет функции сглаживающего фильтра. Наиболее широко распространены схемы с последовательным включением. Опорное напряжение снимается со стабилитрона, питание которого может осуществляться как со стороны выходного, так и входного напряжений.

Такие стабилизаторы выполняют на единой полупроводниковой микросхеме, обеспечивающей функции стабилизации напряжения, сглаживания пульсации, а также защиты от перегрузок.

Подробно устройство и принцип работы стабилизаторов напряжения в интегральном исполнении мы рассматривали в статье: Стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении.


Рис.2. Схема компенсационного стабилизатора, выполненная в интегральном модуле (а) и схема его включения (б).

Приведенная на рисунке 2 схема компенсационного стабилизатора напряжения в интегральном исполнении на микросхеме К142ЕН1 содержит все функциональные узлы, показанные на рис. 1.

Источник опорного напряжения состоит из элементов VT1, VT3, VT10, R1, R2, дифференциальный усилитель — из элементов VT2, VT6, VT7, R3 регулирующий элемент VT4, VT5. Для функционирования схемы и получения заданного выходного напряжения подключаются внешние элементы — резисторы и конденсаторы (рис. 2,6).

Работает схема следующим образом. Опорное напряжение Uоп от внутреннего источника и напряжение, пропорциональное выходному ΔUвых с внешнего делителя R5, R6, сравниваются дифференциальным усилителем. Разностный усиленный сигнал воздействует на базу составного транзистора VT4, VT5, изменяет сопротивление регулирующего органа и компенсирует изменение выходного напряжения на выводе 13.

Требуемое значение выходного напряжения устанавливается с помощью регулировочного резистора R5. Выходной делитель может быть заменен стабилитроном и резистором. Для увеличения выходного тока к выводам 13, 16 микросхемы может быть подключен внешний мощный транзистор. Функции защиты от перегрузок и коротких замыканий осуществляется элементами VT8, VT9, VT12, R4, R7-R9.

Неисправности компенсационных стабилизаторов, выполненных на транзисторах

Принцип работы компенсационных стабилизаторов, выполненных на транзисторах мы подробно рассматривали в статье: Типовые схемы компенсационных стабилизаторов напряжения на транзисторах.

Основные неисправности в стабилизаторах напряжения отыскивают, проверяя режим по постоянному току с помощью вольтметра или осциллографа с открытым входом. Однако, многие неисправности возможно найти только с помощью осциллографа.

Возбуждение стабилизатора проявляется в виде быстрых периодических колебаний напряжения на его выходе, частота собственных колебаний возбуждающегося стабилизатора в зависимости от параметров и вида неисправности может лежать в диапазоне от единиц до сотен килогерц, а амплитуда — от десятков милливольт до единиц Вольт.

Причина возникновения колебаний заключается в следующем. Стабилизатор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления, охваченным глубокой обратной связью. Для того чтобы схема стабилизатора была устойчива, фазовый сдвиг сигнала в петле обратной связи должен быть менее 180° во всей полосе частот, где коэффициент усиления превышает единицу. Обычно для соблюдения этого условия на выходе стабилизатора включают конденсатор большой емкости (С1 на рис. 1,6). Выход из строя этого конденсатора (обрыв или потеря емкости) может вызвать возбуждение стабилизатора. К такому же эффекту может привести увеличение сопротивления между выводом конденсатора и его обкладкой до нескольких десятых долей или единиц Ом, которое наблюдается в электролитических конденсаторах.

Такой отказ трудно обнаружить с помощью простых методов проверки электролитических конденсаторов (например, по броску стрелки Омметра). В некоторых схемах стабилизаторов в качестве С1 применяют два параллельно включенных конденсатора: электролитический большой емкости и какой-либо конденсатор с малой собственной индуктивностью. В этом случае возбуждение может быть вызвано обрывом второго конденсатора. Причиной возбуждения может быть также неправильный монтаж выходных цепей стабилизатора (конденсатор С1 связан с выходом длинными проводами), в этом случае возбуждение вызывается падением напряжения на паразитной индуктивности и сопротивлении проводов.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения выходной транзистор

Возбуждение стабилизатора возможно при индуктивном характере нагрузки, если запас устойчивости в контуре обратной связи стабилизатора мал, т. е. при активной нагрузке фазовый сдвиг на частоте единичного усиления, хотя и не достигает 180°, но превышает 135°.

Затухающий колебательный процесс на выходе стабилизатора при перепаде (подключении или снятии) нагрузки указывает на малый запас устойчивости. Возможные причины этого дефекта в основном те же, что и возбуждения. Стабилизатор с малым запасом устойчивости потенциально ненадежен, так как небольшие дестабилизирующие влияния могут сделать его неустойчивым.

Повышенный уровень пульсаций на выходе стабилизатора при нормальных пульсациях на входе и нормальном режиме стабилизатора по постоянному току указывает на обрыв конденсатора, блокирующего резистор R1 (С2 на рис. 1,а и б).

Источник

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;

* отсутствие собственных помех.

* 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.

Читайте также:  Универсальный стабилизатор для камеры

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.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Компенсационные стабилизаторы напряжения.

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.


Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа


Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения 7815 греется

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.


Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT.


Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения.

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 10 3 . Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия UCE2max

8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента IP изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – IBXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник