Регуляторы-стабилизаторы непрерывного действия

Регуляторы-стабилизаторы непрерывного действия могут быть разделены на две группы: параметрические и компенсационные (с обратной связью). Параметрические стабилизаторы напряжения наиболее просты и широко применяются в разнообразных электронных устройствах для стабилизации напряжений питания отдельных функциональных узлов схемы. Принцип действия параметрических стабилизаторов напряжения основан на использовании ярко выраженной нелинейности ВАХ некоторых полупроводниковых приборов: стабилитронов, диодов и др. На рис. 4.16, а приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на нагрузке R_w выполненного на стабилитроне VD. Балластный резистор R_C) ограничивает ток в стабилитроне и воспринимает избыток напряжения источника питания. Принцип стабилизации поясним, используя графический метод анализа нелинейных цепей. На рис. 4.16, б показаны ВАХ стабилитрона (кривая 1) и нагрузки R_H (прямая 2, проведенная под углом а_н = arctg R_H). Суммируя их ординаты, получаем зависимость входного тока /_вх от выходного напряжения (кривая 3). На том же графике представлено зеркальное отображение ВАХ балластного резистора (прямая 4, пересекающая ось абсцисс в точке, соответствующей входному напряжению Е, и проведенная под углом а_б = arctg /?_б). Штриховыми линиями показаны изменения положения прямой 4, вызванные отклонениями входного напряжения АН. Мы видим, что изменение выходного напряжения А?/_вых будет значительно меньше из-за нелинейности кривой 3.

Приближенно коэффициент стабилизации в данной схеме определяется как.

где 7?_д — динамическое сопротивление стабилитрона.

Компенсационные стабилизаторы применяются при увеличении мощности нагрузки или для повышения качества стабилизации. Принцип действия компенсационных регуляторов (стабилизаторов) основан на зависимости выходной ВАХ транзистора от базового тока. Благодаря этому свойству транзистор можно рассматривать как регулируемое (током базы) сопротивление. Транзистор может быть включен последовательно или параллельно нагрузке (рис. 4.17). Путем регулирования его сопротивления можно стабилизировать выходное напряжение при изменении нагрузки или входного напряжения. В схеме последовательного стабилизатора, приведенной на рис. 4.17, а, при увеличении входного напряжения сигнал, поступающий на базу транзистора VT от системы управления СУ, повышает сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора до такого значения, когда падение напряжения на транзисторе AU_K3 не станет равным (с точностью, обусловленной в основном схемой СУ) изменению входного напряжения. При уменьшении Е сопротивление транзистора уменьшается и соответственно уменьшается падение напряжения на нем. Таким образом, регулируя падение напряжения на транзисторе, можно методом отрицательной обратной связи стабилизировать выходное напряжение.

Рис. 4.16. Параметрический стабилизатор напряжения:

а — принципиальная схема; 6 — ВАХ стабилитрона и нагрузки В схеме параллельного стабилизатора, приведенной на рис. 4.17, б, транзистор VT включен параллельно нагрузке и дополнительно введен балластный резистор R (_y При изменении входного напряжения стабилизация выходного осуществляется за счет соответствующего изменения падения напряжения на балластном резисторе путем изменения сопротивления R_K3 (сопротивления перехода коллектор — эмиттер транзистора VT). При увеличении входного напряжения Е уменьшается сопротивление /?_кэ, а падение напряжения на сопротивлении R₆ увеличивается, компенсируя возмущение. В случае уменьшения входного напряжения происходит обратный процесс. Регулирование выполняется методом отрицательной обратной связи при помощи системы управления.

Системы управления регуляторов могут иметь различное схемное исполнение, но в основе их работы лежит принцип регулирования методом отрицательной обратной связи. Такая система в самом общем виде состоит (рис. 4.17, в) из датчика выходного напряжения 1> сравнивающего устройства 2 и усилителя постоянного тока 3. Принцип регулирования заключается в следующем. Предположим, что входное напряжение стабилизатора изменилось на АЕ. В результате начинает изменяться выходное напряжение стабилизатора Дt/_BbIx. Это изменение регистрируется датчиком выходного напряжения 1. Напряжение U_R с датчика 1 поступает в устройство 2, где сравнивается с эталонным напряжением {/₀. Разность этих напряжений е поступает в усилитель 3, который усиливает это напряжение до Д{7_р. С выхода усилителя напряжение Д{/_р подается непосредственно (или через согласующее устройство) на исполнительный орган 4, в качестве которого используются силовые транзисторы. Реальное значение выходного напряжения будет несколько отличаться от заданного. Эта разность зависит от коэффициента усиления цепи обратной связи (в основном звена 3).

Рис. 4.17. Компенсационные стабилизаторы напряжения:

а — последовательного типа; б — параллельного типа; в — структурная схема системы управления Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия выполняются на мощности от долей ватта до нескольких десятков ватт. Их схемотехника базируется на огромных возможностях современной аналоговой микроэлектроники. Они обладают высочайшими показателями, но качеству стабилизации, выпускаются в миниатюрном интегральном исполнении, а при увеличении мощности или напряжения нагрузки позволяют подключать внешние силовые биполярные или МОП-транзисторы.

На основе рассмотренных принципов регулирования могут быть также созданы стабилизаторы тока. В схемах стабилизаторов тока вместо датчика напряжения вводится датчик тока, который контролирует отклонение последнего от заданного значения.

По принципу действия компенсационные регуляторы-стабилизаторы непрерывного действия снижают пульсацию выходного напряжения, являясь одновременно фильтром для переменной составляющей. Главный их недостаток — низкий КПД и, как следствие этого, плохие массогабаритные показатели при существенном повышении мощности нагрузки в сравнении с импульсными регуляторами.