Конспект_СвСУ. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах

• Название: Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
• Анкор: Конспект_СвСУ.docx
• Дата: 09.09.2018
• Размер: 8.24 Mb.
• Имя файла: Конспект_СвСУ.docx
• Тип: Конспект лекций; #24302
• страница: 41 из 42

7.3 Параметрические стабилизаторы напряжения
Выделяют параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения. У некоторых авторов компенсационные и импульсные стабилизаторы объединены.

Под параметрическими стабилизаторами имеют в виду схемы, у которых применен нелинейный элемент – стабилитрон, с мало изменяющимся на нем напряжением и сильно изменяющимся током (параметром), как изображено на рисунке 7.4

Рисунок 7.4 – Нагрузочные прямые на характеристике стабилитрона
Если собрать схему, изображенную на рисунке 7.5, то при изменении напряжения питания от до (или наоборот), напряжение на нагрузке будет относительно стабильным – в пределах проекций точек 1 и 2 на горизонтальную ось , потому что характеристика стабилитрона почти вертикальна.
Рисунок 7.5 – Схема параметрического стабилизатора
Таким образом, в схеме параметрического стабилизатора необходим балластный резистор , принимающий на себя избыток напряжения питания при его качке.

Схему рисунка 7.5 можно представить так, как показано на рисунке 7.6
Рисунок 7.6 – Схема параметрического стабилизатора,

подготовленная к объединению и
Из схемы рисунка 7.6 видно, что и можно объединить, используя метод холостого хода и короткого замыкания из теоретических основ электротехники:
;
Приходим к схеме рисунка 7.7, характеристики для которой
Рисунок 7.7 – Эквивалентная схема
изображены на рисунке 7.4. Задаваясь диапазоном и разместив прямые так, как это необходимо разработчику, рассчитываем при заданной величине .

Схемы параметрических стабилизаторов могут быть различными, но их общий недостаток – низкий КПД. Поэтому применяют параметрические стабилизаторы в основном в качестве источников опорного напряжения в компенсационных и импульсных стабилизаторах, т.е. в тех случаях, когда снимаемая с них мощность настолько мала, что проблемой КПД можно пренебречь.

Так как стабилизаторы, несмотря на стабильность характеристик, изменяют свои параметры при нарастании или убывании температуры, то производят различные усовершенствования, как на рисунках 7.8 а), б), в).
Рисунок 7.8 – Усовершенствованные схемы стабилизации
Стабилитроны с напряжением стабилизации больше 6 В имеют положительный температурный коэффициент (ТКН) напряжения около , а диоды в прямом включении имеют отрицательный ТКН (около ). При последовательном включении, как на рисунке 7.8, а) можно значительно ослабить общую температурную нестабильность. Так, например, в стабилитронах типа Д818Е последовательно со стабилитроном при его изготовлении включены два диода, которые и обеспечивают температурную стабилизацию.

В схеме рисунка 7.8, б) стабилитрон VD включен в эмиттерную цепь транзистора VT2, следовательно, возникает отрицательная обратная связь по напряжению (по напряжению потому, что в коллекторной цепи VT2 нет резистора, следовательно, весь сигнал выделяется в эмиттерной цепи, и он пропорционален напряжению). Эта отрицательная обратная связь существенно снижает выходное сопротивление каскада, приближает характеристику стабилитрона на рисунке 7.4 к вертикали, т.е. к нулю, диапазон уменьшается. Кроме того, переход БЭ транзистора VT1 имеет отрицательный ТКН, компенсирует положительный ТКН стабилитрона VT2.

Схема рисунка 7.8, в) реализована на операционном усилителе, изображенном по Европейскому стандарту в виде прямоугольника (по Американскому стандарту операционный усилитель изображается треугольником ). Знак в поле прямоугольника означает однонаправленную передачу сигнала слева направо и отсутствие такой передачи справа налево. Знак указывает на то, что в идеале операционный усилитель имеет бесконечно большие коэффициент усиления, полосу пропускания, входное сопротивление. Из двух входов операционного усилителя один обозначен кружочком – инвертирующий, второй – неинвертирующий. В цепи инвертирующего входа образована отрицательная обратная связь через резисторы R1 и R2, снижающая коэффициент усиления по напряжению со 100 тысяч единиц до единиц, стабилизирующая процессы в схеме. Стабилитрон VD1 и диод VD2 включены так, как показано на рисунке 7.8, а).

Например, если , , то необходимо выполнить условие R2=9R1 (при R1=1кОм получим R2=9кОм). Для обеспечения тока необходимо выбрать .

Опорные источники с напряжением запрещенной зоны (bandgap) свое название получили потому, что выходное напряжение при нулевом значении ТКН равно напряжению запрещенной зоны кремния, т.е. примерно 1,22 В. На этом принципе выполнен регулируемый прецизионный интегральный стабилизатор 142ЕН13 (аналог микросхемы TL431 фирмы Texas Instruments). Упрощенная схема этой ИМС приведена на рисунке 7.9, а).

Рисунок 7.9 – Стабилизатор bandgap
Т.к. фирма Texas Instruments американская, то операционный усилитель ОУ изображен на рисунке 7.9, а) в американском стандарте, в виде треугольника. Диод VD введен для защиты от несанкционированного обратного напряжения («защита от дурака»). Справа на рисунке 7.9, а) приведено условное изображение этой микросхемы в виде стабилитрона с боковым выводом У. На рисунке 7.9, б) изображена схема включения, она подобна рисунку 7.5, отличие в делителе R1, R2, устанавливающем уровень стабилизируемого напряжения.

Типовые параметры микросхемы рисунка 7.9:

- ТКН 0,0003 %;

- регулируемое выходное напряжение от 2,5 до 36 В;

- дифференциальное выходное сопротивление 0,2 Ом;

- максимальный ток нагрузки 100 мА;

Как уже отмечалось, недостаток схемы – низкий КПД.

Температурно-стабилизированные источники напряжения типа 2С483 (аналог ИMC LM199 фирмы National Semiconductor) содержат интегральный стабилитрон, выполненный по одной из рассмотренных схем, и прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры. Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. Т.е. термостат изначально нагрет и при повышении температуры окружающей среды вплоть до температуры нагретого термостата, его температура остается почти постоянной. Но если температура окружающей среды превзошла температуру термостата, то, конечно, и его температура повышается.

Т.о. в регулируемой области температурно-стабилизированные источники обеспечивают ТКН до 0,00002 %, что на порядок меньше, чем у любого интегрального стабилитрона.

Схема включения температурно-стабилизированного источника опорного напряжения (ИОН) изображена на рисунке 7.10.
Рисунок 7.10 – Схема включения температурно-стабилизированного ИОН
Интегральный стабилитрон имеет дифференциальное выходное сопротивление меньше 0,5 Ом, низкий уровень шума и высокую долговременную стабильность. Время выхода на рабочий режим (время разогрева) составляет 3с.

7.4 Компенсационные стабилизаторы 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 рисунке 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 не 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 позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Диапазон изменения тока нагрузки позволяет установить пределы изменения тока нагрузки.

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



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

Температурный 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 напряжений.

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 рисунке 7.11.

Рисунок 7.11 – Упрощенная схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием
Делитель напряжения ДН выполнен на резисторах R1, R2. Коэффициент передачи такого делителя:


Источник опорного напряжения – это обычный параметрический стабилизатор схемы рисунка 7.5.

Усилитель сигнала ошибки УСО выполнен на операционном усилителе ОУ. Регулирующий (компенсирующий) элемент РЭ построен на транзисторе VT по схеме эмиттерного повторителя. Коэффициент передачи такого регулирующего элемента близок к единице.

Уравнение компенсационного стабилизатора можно записать в следующем виде:



где напряжение опорного источника, выходное напряжение стабилизатора, коэффициент передачи делителя напряжения ДН, коэффициент усиления сигнала рассогласования УСО и регулирующего элемента РЭ.

Следовательно, значение напряжения на выходе стабилизатора определяется соотношением



Если усиление УСО достаточно велико, то при условии, что получаем



Из этого соотношения следует, что выходное напряжение стабилизатора можно не только стабилизировать, но и регулировать в определенных пределах, причем, чем меньше , тем выше выходное напряжение, т.е. при перемещении движка потенциометра вверх по схеме рисунка 7.11 (если делитель R1, R2 заменить потенциометром), выходное напряжение уменьшается.

Поскольку выходное напряжение зависит от нестабильности опорного напряжения , то оно не может быть стабильнее последнего.

Выходной ток компенсационного стабилизатора значительно больше, чем у параметрического и ограничивается возможностями регулирующего элемента. КПД компенсационного стабилизатора выше, чем у параметрического потому, что нет необходимости в токе, ответвляющемся в цепь стабилитрона. Тем не менее, почти весь избыток напряжения должен выделяться на регулирующем элементе с целью поддержания стабильным напряжения на нагрузке, поэтому КПД компенсационных стабилизаторов тем ниже, чем больше стабилизируемый диапазон. Следовательно, по своему принципу действия эти стабилизаторы не удовлетворяют требованиям таблиц 7.1, 7.2, их время прошло, несмотря на то, что до таблиц 7.1, 7.2 были разработаны и изготовлены множество различных типов компенсационных стабилизаторов, в том числе и интегральных.
7.5 Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные стабилизаторы могут действовать по различным видам схем, в том числе и подобным рисунку 7.11 компенсационного стабилизатора, но силовые транзисторы в них работают в импульсном (ключевом) режиме, поэтому КПД, массогабаритные показатели, удельная мощность близки к предельно возможным. Только они способны удовлетворить требованиям таблиц 7.1, 7.2.

Предельно возможная величина КПД обуславливается ключевым режимом, при котором регулирующий элемент (транзистор) либо открыт, либо закрыт. Свойства ключевых режимов подробно проанализированы в разделе 1 «Ключи». Массогабаритные показатели улучшаются потому, что ключи действуют на повышенных частотах, для трансформации необходимы магнитопроводы, числа витков значительно меньшего и размера и количества. Так, если при частоте 50 Гц трансформатор 100-200 Вт весит больше килограмма, то при 20 кГц достаточно небольшое ферритовое кольцо. Но частота переключений может быть 200 кГц и больше, это зависит от совершенствования схем и качества ключевых транзисторов.

Два существенных недостатка свойственны ключевым стабилизаторам. Первый связан с тем, что обычно сетевое напряжение 220 В выпрямляют в постоянное (AC/DC), затем преобразуют в высокочастотные импульсы, которые трансформируют во вторичные обмотки с целью получения необходимого уровня напряжения, а также гальванической развязки. Но замыкать и размыкать цепи постоянного тока под напряжением 250 В (имеется в виду, что выпрямленное напряжение 220 В переменного тока всегда больше цифры 220 В) – это означает образовывать крутые фронты и спады, скачки высокого уровня при значительных токах, т.е. мощные электромагнитные броски, защититься от которых трудно, несмотря на наличие набора конденсаторов и экранирование.

Второй недостаток объясняется импульсностью действия схемы. Если в результате каких-либо внешних воздействий в стабилизируемом напряжении возникает помеха (нарастающий или убывающий импульс), то схема обратной связи не может его отработать, например, на интервале закрытого состояния ключа, потому что он закрыт, т.е. неуправляем. И только спустя некоторое время, определяющееся свойством прямых цепей и цепей обратной связи, схема компенсирует помеху в выходном напряжении.

В этом отношении непрерывные компенсационные стабилизаторы имеют преимущество по сравнению с импульсными. В них помеха также отрабатывается с задержкой, определяемой свойствами схемы с обратными связями, однако дискретности (импульсности) отработки нет.

В начальном периоде развития электроники, для относительно небольших напряжений питания, безопасных по отношению к обслуживающему персоналу, случайно прикасающемуся к токоведущим цепям, разработаны три варианта импульсных стабилизаторов: понижающий, повышающий и инверсный, схемы которых приведены на рисунке 7.12.

Рисунок 7.12 – Схемы импульсных стабилизаторов
Схему рисунка 7.12, а) иногда называют чопперной (от chopper - прерыватель). Когда ключ VT открыт, VD закрыт, ток протекает по цепи: , открытый VT, индуктивность L, параллельно включенные емкость и нагрузка . После закрывания VT удовлетворяется закон сохранения тока: под действием ЭДС самоиндукции ток протекает по контуру: индуктивность L слева направо, параллельно включенные емкость и нагрузка , диод VD, вновь индуктивность. Этот ток убывает по экспоненте (могут быть колебания). Система управления с отрицательной обратной связью стабилизирует схему. Выходное напряжение всегда меньше входного.

В схеме рисунка 7.12, б) выходное напряжение может быть больше в сравнении с наименьшим входным, поэтому ее еще называют бустерной. Физический смысл здесь в том, что импульсный регулирующий элемент (ключ VT) включен последовательно с индуктивностью L. Когда он замкнут (транзистор VT открыт), ток протекает по цепи: , индуктивность L, открытый ключ VT, . Ток нарастает по экспоненте, или имеет нарастающий колебательный характер, и конечная величина его определяется только возможностями этой цепи, а также длительностью импульса (длительностью открытого состояния ключа). Диод VD при этом закрыт плюсовой полярностью напряжения конденсатора по цепи: , диод VD в обратном направлении, открытый VT, .

В момент закрывания транзистора VT, вследствие наличия индуктивности L, удовлетворяется закон сохранения тока. Последний протекает по цепи: индуктивность L слева направо, диод VD в прямом направлении, параллельно включенные фильтр и нагрузка , источник питания , вновь индуктивность L. Но так как этот ток может быть достаточно большим, то он и выделяет на нагрузке более высокое напряжение, в сравнении с тем, которое может создать источник питания . Практически такое превышение может достигать пятикратной величины.

В схеме рисунка 7.12, в) на интервале импульса открытого состояния ключа VT ток протекает по цепи: источник , открытый VT,индуктивность L, . Диод VD закрыт в обратном направлении, индуктивность L накапливает энергию. После размыкания ключа VT ток протекает в индуктивности L в том же направлении (сверху вниз, как показано стрелкой) и в первое мгновение той же величины, далее через параллельную группу , а также диод VD в прямом направлении. Следовательно, знак + полярности напряжения на нагрузке будет внизу, т.е. стабилизируемое напряжение инвертируется. Т.к. накопление энергии в индуктивности L для схем б) и в) одинаково, то схема в) также может быть бустерной, повышающей.

Последующее развитие электроники предложило новые образцы схем импульсных стабилизаторов. Идеи, которые были приняты здесь в основу, состояли в следующем.

Прежде всего напряжение питания на выходе стабилизатора должно быть гальванически отделено от сетевого напряжения (напряжение в розетке 220 В), т.е. те, кто пользуются электронными приборами, должны быть защищены с точки зрения техники безопасности. Следовательно, необходим силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками. Но на частотах сети 50…60 Гц размеры и вес трансформатора недопустимо велики. Необходимо выпрямить сетевое напряжение и преобразовать его в импульсы с частотой несколько сот килогерц. В этом случае размеры трансформатора получаются приемлемыми.

С другой стороны, большинство бытовых потребителей имеют небольшую мощность. Поэтому стабилизаторы для них можно делать на однотактном принципе. В итоге разработаны два варианта схем: прямоходовые (forward) и обратноходовые (flyback), изображенные на рисунке 7.13.

Рисунок 7.13 – Схемы прямоходового (а) и обратноходового (б) однотактных стабилизаторов
Эти схемы почти одинаковы, тем не менее, процессы в них протекают по-разному. Из теоретических основ электротехники (ТОЭ) известно, что в упрощенном виде схемы трансформаторов можно изображать в приближенном эквивалентном виде без вторичных обмоток. Воспользуемся этим приемом и изобразим схемы рисунка 7.13, а), б) в упрощенном виде, как на рисунке 7.14.

Рисунок 7.14 – Эквивалентные схемы прямоходового и обратноходового стабилизаторов
Диод VD1 на схеме рисунка 7.14, б) изображен внизу потому, что на схеме 7.13, б) звездочки одноименных выводов трансформатора Тр расположены внизу для w₁ и вверху для w₂. Таким образом, отличия схем а) и б) в том, что концы обмоток изменили свое положение на противоположное, кроме того диод VD1 в схеме б) включен в нижней части схемы. Если ключ замкнут (транзистор VT открыт), то в схеме а) одновременно протекают два тока I₁ и I₂. Первый нарастает при простейшей аппроксимации по экспоненте, второй заряжает конденсатор С_ф, напряжение на нем нарастает (примем тоже экспоненту), образуя пропорциональные ток и напряжение на нагрузке.

В момент закрывания ключа должен удовлетворяться закон сохранения тока, т.е. предполагается, что ток I₁ протекает в том же направлении по цепи: w₁ сверху вниз (в том же направлении), нагрузка С_ф-R_н, индуктивность L_ф, диод VD1 в обратном направлении. Но диод VD1 не может пропускать ток в обратном направлении, образуется разрыв как через ключ, так и в цепи VD1. Возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся преодолеть эти разрывы, удовлетворить закон сохранения тока. Как ключ VT, так и диод VD1 могут быть пробиты. Необходимы схемы защиты от пробоя, известны различные варианты, но идеального решения нет.

В схеме б) при открытом ключе VT ток I₁ протекает через w₁, диод VD1 закрыт плюсом напряжения С_ф. Энергия накапливается в w₁ и магнитопроводе. При размыкании ключа ток под действием ЭДС самоиндукции протекает в том же направлении, сверху вниз в w₁, далее через VD1, индуктивность L_ф, нагрузку и опять по w₁ сверху вниз, т.е. удовлетворяется закон сохранения тока, ЭДС самоиндукции имеет небольшую (неразрушительную) величину. Т.о., в схеме б) ток в цепи нагрузки образуется на интервале закрытого состояния ключа, отсюда и название – обратноходовая, в сравнении с а), где ток протекал на интервале открытого ключа – прямоходовая.

В практической электронике чаще применяют обратноходовую схему, имеющую меньше проблем с защитой ключа от ЭДС самоиндукции, как было отмечено в предыдущем абзаце.

На рисунке 7.15 приведена реальная схема обратноходового импульсного стабилизатора, реализующая изложенные принципы организации электронных процессов. Разработана фирмой Texas Instruments (журнал «Электронные компоненты» №12, 2006г.). Схема полностью удовлетворяет требованиям таблиц 7.1 и 7.2. Она состоит из двух частей, верхней и нижней. Верхняя часть выпрямляет сетевое напряжение, а также корректирует коэффициент мощности на основе UCC28501. Нижняя часть преобразует выход верхней схемы в импульсы MOSFET ключом, трансформирует их с гальванической развязкой, выпрямляет, фильтрует и стабилизирует в напряжение постоянного тока 19,4 В. Сигнал обратной связи, стабилизирующий процессы, поступает с выхода через оптическую гальваническую развязку (CNY17-1) на один из входов контроллера UCC28600.

Рисунок 7.15 – Принципиальная схема 120-Вт энергосберегающего источника питания на основе UCC28600