Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН)

В параграфе 1.4 рассмотрен параметрический стабилизатор напряжения, входящий в состав вторичного источника питания. Такое устройство часто не удовлетворяет повышенным требованиям к стабильности напряжения. Здесь представлен качественно более совершенный стабилизатор, в котором использован операционный усилитель. В принципе КСН является системой автоматического регулирования, в котором 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 схем. В настоящее время компенсационные стабилизаторы создают на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении. Аналогично параметрическому стабилизатору компенсационный стабилизатор включают между сглаживающим фильтром и нагрузочным устройством.

Компенсационный стабилизатор (рис. 3.2.36, а) состоит из блока сравнения (БС), в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока (У) и регулирующего элемента (РЭ).

На рис. 3.2.36, б изображена схема такого компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. В этом стабилизаторе в качестве усилителя используется О У VOP.

Рис. 3.236. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения (а) и его схема с ОУ (б).

На инвертирующий вход ОУ подается напряжение U_{BX И11В} — часть выходного напряжения {/_вых, которая устанавливается делителем напряжения R . На неинвертирующий вход ОУ поступает напряжение U_{BX неинв} с выхода параметрического стабилизатора напряжения, который состоит из балластного резистора R₆ и стабилитрона VD. Источником питания для него является входное напряжение устройства U_BX. Таким образом, дифференциальное входное напряжение ОУ равно U_BX,_диф = U_BX WmlB — U_BxmiB. Выход ОУ соединен с базой транзистора VT. Выходное напряжение ОУ U_{nwx 0P} = K_uopU_Bxmф есть напряжение между этим узлом и узлом нулевого потенциала (X). Биполярный транзистор VT включен по схеме с общим коллектором и образует эмиттерный повторитель с нагрузкой, состоящей из параллельно вклюценных резисторов R и R_H. Источником питания для него также является входное напряжение устройства /7_ВХ. Стабилизация напряжения U_BbiX при колебаниях напряжения U_BX или изменениях сопротивления нагрузки R_H достигается за счет последовательной цепочки изменений: /7_ВХДИф, /7_{вых 0Р}, тока базы КГ /_Б, тока коллектора VT /_Б, /7_ВЫХ. При этом направления изменений такие, что достигается минимизация напряжения U_{ax uu))}. Этот процесс позволяет получить коэффициент стабилизации, равный нескольким тысячам.

Пример 3.2.3

На рис. 3.2.37 представлена передаточная характеристика КСН — зависимость выходного напряжения f/_BbIX от входного напряжения U_BX. Определим значение коэффициента влияния входного напряжения на выходное напряжение (1.4.9).

Рис. 3237. Скриншоты передаточной характеристики и схемы КСН

(модель в MicroCAP)

Решение

На этой зависимости имеются участок АВ с линейным ростом U_BUX при U_RX = = (Н7 В и участок ВС с практически постоянным U_MAX при U_nx > 7 В. В таблице под графиком приведены координаты точек В (U_nxB = 7,083 В, U_BlAxB = 6,948 В) и С (U_BxC = 19,938 В, U_BhlxC = 6,958 В). Разности напряжений даны в столбце.

Delta: AU_m = U_{m C} — 11_{ш В} = 12,865 В и ДU_Bm = U_{mx C} — U…_{. .} = 0,01 В. В столбце.

Slope: коэффициент влияния К = AU_Bblx/AU_BX = 0,01/12,865 = 7,963 • 10 ⁴ ~ 0,0008.

Упражнение 3.2.7

В условиях примера 3.2.3 найти коэффициент стабилизации, определенный, но формуле (1.4.10).

В рассмотренном стабилизаторе помимо уменьшения медленных изменений выходного напряжения снижаются и пульсации за счет уменьшения переменных составляющих выходного напряжения. На рис. 3.2.38 приведены схема модели КСН и осциллограммы зависимостей напряжений от времени. Входное напряжение КСН равно сумме постоянного напряжения 20 В (источник V5) и синусоидального напряжения амплитудой 10 В и частотой 50 Гц (источник V4). Зависимость входного напряжения от времени v (2)

Рис 3.238. К сглаживанию пульсаций с помощью КСН (MicroCAP).

показана на верхнем графике. Разность (Delta) максимального и минимального значений At/_BX = 20 В.

На нижнем графике v (A) показано выходное напряжение КСН u_mAX(t). Разность (Delta) максимального и минимального значений АС/_вых = 50 мВ при постоянной составляющей [/_{вых ср} = (6,961 + 6,956)/2 = 6,9585 В. Коэффициент пульсаций выходного напряжения равен р = At/_BWX/(2f/_{Bblx cp}) = = 25−10^_3/6,9585 ~ 0,0036. В схеме отсутствует конденсатор, поэтому коэффициент пульсации не зависит от сопротивления нагрузки и внешняя характеристика КСН практически линейная.

Сравнивая КСН с параметрическим стабилизатором напряжения, следует отметить следующие достоинства КСН: высокий коэффициент стабилизации (более тысячи); низкое эквивалентное выходное сопротивление (10 ³—10 ⁴ Ом); практически безынерционность и более высокий коэффициент полезного действия, составляющий 0,5—0,6.

В настоящее время электронная промышленность выпускает КСН в интегральном исполнении. Эти устройства включают в себя все элементы структурной схемы рис. 3.2.36, а. Интегральные устройства позволяют подругому осуществлять питание сложных электронных устройств. Их применяют в качестве индивидуальных стабилизаторов для отдельных блоков и каскадов. В то же время общие источники вторичного электропитания можно выполнять нестабилизированными.