Меню

Какими факторами определяется кпд компенсационного стабилизатора как его увеличить



4.4. Компенсационные стабилизаторы

Для улучшения показателей качества стабилизаторов напряжения и тока, т. е. для увеличения коэффициента стабилизации, уменьшения выходного сопротивления у стабилизаторов напряжения и его увеличения у стабилизаторов тока, увеличения КПД стабилизаторов постоянного напряжения (тока), а также для возможности точной установки величины напряжения или тока на выходе стабилизатора применяется компенсационный способ стабилизации [5].

Компенсационные стабилизаторы выполняются с отрицательной обратной связью и представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования или системы управления по отклонению. В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают стабилизаторы с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента (рис. 4.7).

В стабилизаторах компенсационного типа напряжение на выходе стабилизатора Uвых (или его части, снимаемой со следящего делителя СД непрерывно сравнивается с опорным напряжением Uоп (происходит измерение величины отклонения Uвых).

Выходное напряжение стабилизатора поддерживается постоянным с заданной степенью точности. В схеме рис. 4.11, а изменение входного напряжения на величину DUвх приводит к появлению отклонения DUвых, которое в свою очередь вызывает увеличение падения напряжения на РЭ почти на такую же величину.

Из приведенного выше описания принципа действия компенсационного ста­билизатора напряжения ясно, что чем больше коэффициент усиления Куусилителя постоянного тока УПТ, тем меньше установившееся отклонение выходного напряжения или тем выше стабильность выходного напряжения, оцениваемая коэффициентом стабилизации.

Элементы стабилизатора напряжения, их связи и функциональное назначение показаны на рис. 4.12, где элементы представлены в виде звеньев, обладающих направленным действием.

Рис. 4.12. Структурная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения как системы автоматического регулирования.

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения можно представить как усилитель постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью (ОС), усиливающий сигнал (напряжение) источника опорного напряжения до необходимого уровня, определяемого нагрузкой Н.

Управляющим (задающим) воздействием в стабилизаторе постоянного напряжения является напряжение Uoп, которое определяет величину напряжения на выходе Uвых. Влияние дестабилизирующих факторов (изменение входного напряжения и тока на­грузки) учитывается в схеме рис. 4.12 воздействием возмущений F1и F2, которые вызывают появление отклонений Uвых от номинального значения. Возмущение F1 учитывает влияние изменения входного напряжения Uвх и приложено ко входу регулирующего элемента РЭ. Возмущение F2учитывает влияние изменения тока нагрузки Iн и приложено к выходу регулирующего элемента стабилизатора. Элементом сравнения является вход усилителя постоянного тока УПТ, на который подается разность напряжений Uо.сc выхода следящего делителя СД и Uоп источника опорного напряжения. Цепь прямой передачи сигнала образована усилителем УПТ и регулирующим элементом РЭ. Чем больше коэффициент усиления цепи прямой передачи при одном и том же коэффициенте передачи следящего делителя СД, тем меньше расхождение между необходимым и фактическим напряжением на выходе стабилизатора, так как для этого требуется меньшая величина сигнала рассогласования.

При анализе электронных устройств с отрицательной обратной связью необходимо рассматривать их частотные характеристики и вопросы устойчивости. Анализ таких устройств наиболее просто осуществляется с помощью передаточных функций отдельных звеньев. Если звенья обладают направленным действием, то пере­даточную функцию сложной электронной схемы, в частности компенсационного стабилизатора напряжения, можно представить в виде произведения простых сомножителей, характеризующих каждое звено.

В теории автоматического регулирования разработано большое число типовых звеньев, которые являются простейшими составными частями линейной динамической системы. Из этой теории известно, что система, охваченная цепью отрицательной обратной связи, имеет передаточную функцию

где Н(р)– передаточная функция замкнутой системы с обратной связью;

Н1(p)– передаточная функция цепи прямой передачи;

Н2(p)– передаточная функция цепи обратной связи.

Произведение H1(p)H2(p)является передаточной функцией разомкнутой системы, т.е. при разрыве цепи обратной связи, например, в точке «а».

Применительно к рис. 4.12 передаточная функция компенсаци­онного стабилизатора постоянного напряжения по управляющему воздействию Ну(р) может быть выражена в следующем виде:

где Ку(р)– операторный коэффициент передачи усилителя постоянного тока (коэффициент усиления усилителя);

КРЭ(p)– операторный коэффициент передачи регулирующего элемента по управляющему воздействию;

s(p)– операторный коэффициент передачи следящего делителя в цепи обратной связи (коэффициент деления делителя).

Принципиальная схема стабилизатора с последовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки (стабилизатор типа ПС) приведена на рис. 4.13. Транзистор T1выполняет функ­цию регулирующего элемента РЭ, автоматически поддерживающего напряжение на нагрузке Rн сзаданной степенью точности.

Рис. 4.13.Принципиальная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента (типа ПС).

Стабилизация напряжения Uвых на нагрузке осуществляется следующим образом. Допустим, что в результате увеличения входного напряжения Uвх или уменьшения тока нагрузки Iн (в результате увеличения сопротивления нагрузки Rн) напряжение на выходе стабилизатора Uвых начинает увеличиваться. При этом возрастает падение напряжения на резисторе R4 следящего делителя и потенциал базы транзистора Т2относительно общей точки схемы увеличивается. Потенциал эмиттера транзистора Т2 относительно общей точки остается практически неизменным, так как он определяется источником опорного напряжения Uoп. В результате к переходу эмиттер—база транзистора Т2прикладывается разность напряжений UR4 и Uоп, которая равна изменению напряжения на резисторе R4, т. е. DUR4. Коллекторный ток Iк.у транзистора Т2увеличивается, и падение напряжения на резисторе R1 возрастает. Через резистор R1протекают ток коллектора транзистора Т2Iк.у и ток базы транзистора Т1 Iб.р. Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению Kст.н необходимо обеспечить такой режим работы, чтобы ток коллектора Iк.у был бы много больше тока базы регулирующего транзистора Iб.р: Iк.у>> Iб.р. Тогда падение напряжения на резисторе R1будет определяться в основном током коллектора УПТ Iк.у, а изменение тока базы Т1 Iб.р будет зависеть от изменения падения напряжения на резисторе R1.

Читайте также:  Стабилизатор передней стойки шкода йети

При увеличении Iк.уи падении напряжения на R1 потенциал коллектора Т2,а следовательно, и потенциал базы транзистора Т1 уменьшаются относительно общей точки (становятся менее положительными). Ток базы транзистора Т1уменьшится, сопротивление его перехода коллектор—эмиттер постоянному току увеличится, падение напряжения на этом переходе возрастет и компенсирует увеличение напряжения на выходе стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора (на сопротивлении нагрузки) изменяется незначительно по сравнению с его значением, которое было до появления возмущения на входе стабилизатора. Но выходное напряжение стабилизатора всегда имеет некоторое остаточное отклонение, напряжение не возвращается точно к прежнему значению. Остаточное отклонение зависит от чувствительности цепи обратной связи и является мерой статической точности системы автоматического регулирования.

При уменьшении входного напряжения или увеличении тока нагрузки стабилизатор напряжения работает аналогично.

В установившемся режиме при отсутствии возмущений работа стабилизатора напряжения описывается соотношениями:

где Uк.р– падение напряжения на переходе коллектор—эмиттер транзистора Т1,являющегося регулятором;

Iд– ток через следящий делитель: Iд = (5¸10%)Iн;

Iст– среднее значение тока через стабилитрон Д1.

Величина Iст определяется соотношением (Iст.min+Iст.m)/2; s – коэффициент деления следящего делителя:

На регулирующем транзисторе рассеивается мощность Рк.р. Величина этой мощности в процессе работы стабилизатора все время изменяется, поддерживая неизменное значение мощности в нагрузке при R = const. Величина мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе,

Регулирующий транзистор работает в активной области, поэтому падение напряжения Uк.р на нем должно быть больше величины напряжения насыщения транзистора Uк.нк которому прибавляется амплитуда переменной составляющей Uпвходного напряжения:

Минимальное значение напряжения на входе стабилизатора Uвх minпри заданном Uвых находится по (4.39) и (4.43).

Коэффициент полезного действия стабилизатора постоянного напряжения определяется как отношение мощности на нагрузке к мощности, потребляемой от источника энергии постоянного тока с нестабилизированным напряжением Uвх при номинальном значении этого напряжения:

Составляющие входного тока Iст и Iд, как правило, много меньше тока нагрузки Iн, поэтому для ориентировочных расчетов принимают Iвх »Iн и величина КПД оценивается приближенной формулой

Источником опорного напряжения в схеме компенсационного стабилизатора является параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне Д1и балластном резисторе R2 скоэффициен­том стабилизации Кст.н.п в соответствии с (4.32):

где Uвых.п – напряжение на выходе параметрического стабилизатора, т. е. Uоп;

Uвх.п– напряжение на входе параметрического стабилизатора, т. е. Uвых;

Rд– дифференциальное сопротивление стабилитрона Д1.

Поскольку параметрический стабилизатор подключается параллельно нагрузке, т. е. к выходному напряжению Uвых, стабильность напряжения Uоп выше стабильности выходного напряжения компенсационного стабилизатора в Кст.н.п раз. Тип стабилитрона Д1при заданном значении Uвых выбирается в соответствии с (4.39). Величина коэффициента деления следящего делителя 0 выбирается обычно 0,4—0,9, что позволяет обеспечить достаточно высокий коэффициент стабилизации Kст.н, а также возможность нормальной работы УПТ и источника опорного напряжения.

Недостатками компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием являются: необходимость применения радиаторов для обеспечения нормального теплового режима регулирующего транзистора; большие масса и габариты, обусловленные применением радиаторов; невысокие значения КПД (40 — 60%) из-за необходимости рассеивания части мощности на регулирующем транзисторе.

Компьютерный практикум: Компенсационный стабилизатор

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров компенсационного стабилизатора.

1. Собрать схему компенсационного транзисторного стабилизатора напряжения (рис. 4.14), в соответствии с вариантом задания (табл. 4.6).

Напряжение источника постоянного напряжения V1

Сопротивление стабилитрона Rст = Uст / Iст.

Сопротивление нагрузки RHном рассчитать по формуле

RHном (R2) = 2Rст = 2Uст / Iст.

Сопротивление гасящего резистора R1 рассчитать по формуле

Читайте также:  Втулка поперечного стабилизатора газель некст

R1 = (U1 – Uст) / Iст .

Варианты. Параметры стабилитронов

№ варианта Тип VD1-VD3 Напряжение стабилизации номинальное Uст, В Ток стабилитрона номинальный Iст, мА
1 1N4730 3,9 64
2 1N4731 4,3 58
3 1N4732 4,7 53
4 1N4733 5,1 49
5 1N4734 5,6 45
6 1N4735 6,2 41
7 1N4736 6,8 37
8 1N4737 7,5 34
9 1N4738 8,2 31
10 1N4739 9,1 28
11 1N4740 10 25
12 1N4741 11 23
13 1N4742 12 21
14 1N4743 13 19
15 1N4744 15 17
16 1N4745 16 15,5
17 1N4756 18 14
18 1N4747 20 12,5
19 1N4748 22 11,5
20 1N4749 24 10,5
21 1N4750 27 9,5
22 1N4751 30 8,5
23 1N4752 33 7,5
24 1N4730 3,9 64
25 1N4731 4,3 58

Рис. 4.14. Рабочая схема для исследования компенсационного транзисторного стабилизатора.

Рис. 4.15. Пример амплитудной (передаточной) характеристики компенсационного транзисторного стабилизатора.

2. Построить амплитудную (передаточную, рис. 4.15) характеристику стабилизатора. Определить напряжение стабилизации Uст0 (начало горизонтального участка амплитудной характеристики).

3. Изменяя напряжение на входе стабилизатора, установить на выходе напряжение Uст0. Зафиксировать значение Uвх0. Увеличить напряжение на входе стабилизатора на 1В, измерить Uвых и определить

ΔUвых = Uвых – Uст0,

ΔIн = Iвых – Iном

4. Определить значение коэффициента стабилизации:

Kст = (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uст0),

Результаты измерений. Зависимости от сопротивления нагрузки

RH, Ом 0,5RHном 0,7RHном 0,9RHном RHном 2RHном 3RHном 5RHном 10RHном 20RHном
Uвых, В
Iн, А
ΔUвых, В
ΔIн, А
Rст2
Pвых
Iвх
Pвх
η, %

5. Определить внутреннее сопротивление стабилизатора:

Rст2 = ΔUвых / ΔIн,

где ΔUвых = Uвых – Uст; ΔIн = Iвых – Iном.

7. Используя показания маркеров тока и напряжения по формуле

Pвых = Uвых2 / RH = Uвых ? Iн

определить мощность, потребляемую нагрузкой (выходная мощность стабилизатора).

определить мощность, потребляемую стабилизатором (входная мощность стабилизатора).

η = (Pвых / Pвх)100%

определить коэффициент полезного действия параметрического стабилизатора напряжения. Результаты измерений и расчётов занести в табл. 4.7.

8. Установить величину сопротивления нагрузки RH = 0,9 RHном. Зафиксировать соответствующую величину Uвых.

Определить соответствующий ток нагрузки Iн = Uвых / RH.

Определить внутреннее сопротивление стабилизатора:

Rст2 = ΔUвых/ ΔIн,

где ΔUвых= Uвых – Uст0; ΔIн = Iн0 – Iн.

Изменяя значение сопротивления нагрузки RH, в соответствии с табл. 4.7, определить соответствующие значения η , Rст (п. 5-6).

Компьютерный практикум:Расчёт и моделирование компенсационного стабилизатора

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров компенсационного стабилизатора.

Задание: Рассчитать и промоделировать, с соответствием с вариантом (табл.4.8), схему компенсационного стабилизатора (рис.4.17).

Расчёт стабилизированного блока питания мы будем проводить с использованием конкретной схемы, которую мы сначала изобразим, соблюдая правила построения схем, а потом рассчитаем на основе предъявляемых к ней требований. 1.Прежде всего, обратите внимание, на то, что большинство блоков питания имеет минус на массе, поэтому мы так же выполняя условие – «минус на массе» изменим полярности диодов и конденсаторов, а кроме того — тип проводимости транзисторов с p-n-p на n-p-n.

Рис. 4.16. Расчётная схема компенсационного стабилизатора напряжения.

2.Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента мы будем использовать составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора, и на порядок увеличивает нагрузочную способность стабилизатора напряжения. Поэтому (см. схему) к ранее изученному стабилизатору, мы добавим этот транзистор VT3. Считаем, что каждый добавленный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность в 10…20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и «приложится». Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше. 3. Ток через делитель Iдел состоящий из R1,R2,R3 выбирают обычно на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи Rб, VD1. Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения, или повышения сопротивлений R1,R2,R3 нецелесообразно, так какприводит к существенному уменьшению КПД, или чувствительности схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям. 4. Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабилитрона – минимальным и максимальным током стабилизации. Как это выглядит практически, я затрону в процессе расчётов. 5. Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего элемента должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выходного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2 и VT3 «нечем будет управлять» — напряжение на эмиттерах будет превышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет. 6. Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные способности стабилизатора потому, что разница входного и выходного напряжения стабилизатора помноженная на выходной ток, будет «падать» в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах. Поэтому необходимо выбирать транзисторы способные выдерживать такую мощность – повторяется правило — чем мощнее транзистор, тем лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент передачи.

Читайте также:  Форд фокус 2 когда менять стойки стабилизатора передние

Источник

Компенсационные стабилизаторы напряжения. Получили свое название «компенсационные» потому, что компенсируют нестабильность питающего напряжения

Получили свое название «компенсационные» потому, что компенсируют нестабильность питающего напряжения, поддерживая напряжение на нагрузке относительно стабильным, т.е. последовательно с нагрузкой вводится регулирующий, «компенсирующий» элемент, обычно это транзистор, действующий в режиме сопротивления, которое нарастает при увеличении входного напряжения, или убывает при его уменьшении, следовательно, транзистор выполняет роль регулируемого на рис. 7.5.

Поскольку это уже настоящие стабилизаторы, следует привести основные требования к ним и характеристики.

По выходной мощности стабилизаторы разделяются на маломощные (до 1 Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт).

По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения на более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,01%).

Диапазон изменения входного напряжения U вх позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Диапазон изменения тока нагрузки I н позволяет установить пределы изменения тока нагрузки.

Относительный коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению на выходе источника при R н=const:

Отношение K cm=ΔU вх/ΔU вых как абсолютный коэффициент стабилизации равноценно коэффициенту сглаживания фильтра, и часто применяется для оценки сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора – это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку P н, к мощности, потребляемой от первичного источника питания P пот:

Коэффициент нестабильности по напряжению K HU – это отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения

, %/В

Коэффициент нестабильности по току – это отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки :

Коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения:

Быстродействие стабилизатора характеризует его способность быстро отрабатывать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки. Обычно быстродействие стабилизатора определяют временем установления выходного напряжения при заданном скачкообразном изменении напряжения на входе или тока нагрузки.

Дифференциальное выходное сопротивление стабилизатора – это отношение приращения выходного напряжения к приращению тока нагрузки:

Температурные коэффициент – это отношение относительного изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению температуры окружающей среды:

, %/ .

По виду входной электроэнергии выделяют стабилизаторы, работающие от сети переменного напряжения (однофазной или многофазной), работающие от сети постоянного напряжения и работающие от сети постоянного и переменного напряжения.

По числу выходов питающих напряжений — одноканальные, имеющие один выход, и многоканальные, имеющие два и более выходов питающих напряжений.

Как параметрические, так и компенсационные стабилизаторы могут выполняться по последовательной или параллельной схеме включения стабилизирующего элемента относительно нагрузки. По отношению к компенсационным стабилизаторам на практике предпочитают последовательное включение.

Стабилизатор должен иметь защиту от перегрузок и коротких замыканий в нагрузке и схему автоматического восстановления работоспособности при снятии перегрузки или короткого замыкания в нагрузке.

В случае порчи стабилизирующего элемента вторичное напряжение может повыситься до недопустимых величин и выжечь электронные схемы потребителя. Для предотвращения этого должна быть предусмотрена защита от превышения напряжения питания в этом аварийном режиме.

Стабилизатор должен удовлетворять ряду эксплуатационных и конструктивно-технологических требований. Среди них – надежность, работоспособность в условиях вибраций, ударов, ускорений, работоспособность в условиях воздействия климатических факторов; ремонтопригодность, безопасность и простота обслуживания, дистанционная управляемость; время готовности источника питания или время выхода его на режим, когда выходные напряжения достигают заданного уровня; способы сигнализации о неисправностях, масса устройств электропитания должна быть минимальной; конструкция стабилизаторов должна исключать возможность случайного сдвига органов регулирования.

Упрощенная схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием приведена на рис. 7.6

Рис. 7.6. Упрощенная схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием

Делитель напряжения ДН выполнен на резисторах R1, R2. Коэффициент передачи такого делителя:

Источник