книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами

t/'p,o— ^ P iA — A ip ^ O .

С учетом последнего, а также ранее принятого допущения о пренебрежимо малых потерях мощности в устройствах Уо, Уд КПД СПР может быть определен как отношение его

выходного напряжения к входному при максимальном входном напряжении в длительном режиме работы.

КПД «классического» СН

т!сн«(1нЛб)/(1+Д1). (83)’

КПД СПР при равновероятном изменении А в диапа­ зоне Ai—Дб определяется с учетом (78) и (82) выражением

а при кратковременных отклонениях А до значения Дб — выражением

Соответствующие зависимости приведены на рис. 16,6. Из характеристик рис. 16,6 видно,'что использование СПР позволяет существенно уменьшить потери мощности и по­ высить КПД СН в случае широкого (не менее 25—30% но­ минального значения) диапазона изменения значений пи­ тающего напряжения вне зависимости от длительности его отклонений от номинала. При меньших отклонениях пита­ ющего напряжения усложнение схемы, характерное для СПР, может быть оправдано либо при очень жестких тре­ бованиях к тепловыделению в СН, либо, как это будет по­ казано далее, при выполнении СПР по гибридно-инте­ гральной, технологии. В обычной же инженерной практике в этом случае предпочтительнее СН «классического» типа.

В заключение приведем рекомендуемую последователь­ ность расчета рассмотренной схемы СПР.

1. По заданным значениям Ai, Дб,. используя зависимо­ сти рис. 16,6 или выражения (86) и (87), определяем ко­ эффициенты Км или Ка2 и решаем вопрос о целесообраз­

ности использования СПР.

2. Задаемся или определяем из (.82)’ или с помощью графика (рис. 16,6) значение А'.

3. Выбираем элементы VA РЭ0, РЭА, схемы РЗ, опре­

деляем значения i/'p.o, £/'Р)Д, £/пр.

Напряжение U0 выбирается так, чтобы при малых его

отклонениях от номинального обеспечивался ненасыщен­ ный режим работы РЭ0. Напряжение стабилизации допол­ нительного СН (элементы РЭЛ, Уд, UA) выбирается рав­ ным минимально допустимому напряжению на входе РЭ0.

Поскольку в длительном режиме работы напряжение ис­ точника Uо превышает последнее, устройство обратной свя­ зи Уд удерживает РЭЛв обесточенном состоянии.

При значительном уменьшении напряжения питания на­ пряжение на входе РЭ0 уменьшается до минимально до­

пустимого и удерживается стабильным на этом уровне до­ полнительным СН, регулирующий элемент которого РЭа

переходит в активный режим работы.

Параллельное включение источников U0, UA вместо по­

следовательного (см. рис. 16,а) позволяет уменьшить по­ тери мощности в СПР в длительном режиме работы, так как в этом случае исключаются потери в диоде VD — ана­

логичный диод в схеме рис. 17,а показан лишь условно, по­ скольку является элементом источника UQy обычно реали­

зуемого в виде выпрямителя.

При расчете параметров схемы значения U0l V"PtQмогут

быть определены из (78), (80) при условии £/пр=0. Значе­ ния UA определяются из (79) с учетом UR— UB~{-iU0.

Выражения, определяющие Ка для схемы рис. 16,а, и

графические зависимости рис. 16,6 могут использоваться таюке и для расчета схемы рис. 17,а.

Предпочтительная область использования данной схемы СПР — стабилизация напряжений порядка 10 В и более.

Для стабилизации более низких напряжений — порядка 5 В — используются СПР с параллельным включением ос­ новного и дополнительных РЭ. Один из вариантов схемы такого СН приведен на рис. 17,6 [23].-

В данном варианте стабилизация напряжения на на­ грузке и управление обоими РЭ осуществляются одним основным устройством отрицательной обратной связи У0 через балластные резисторы R0, Ял. Однако при малых от­

клонениях напряжения питания от номинального, когда на­ пряжение основного источника U0 превышает напряжение на нагрузке и элемент РЭ0 не насыщен, Уд удерживает в

насыщенном состоянии вспомогательный транзистор УГВ, Последний шунтирует управляющий переход РЭА и удер­

живает его в обесточенном состоянии независимо от сигна­ ла поступающего с У0.

При уменьшении U0 до минимально допустимого, при­ мерно равного UH, насыщается элемент РЭ0 и меняется по-

лярность напряжения на его переходе коллектор — база. Это изменение воспринимается устройством Уд, которое переключается во второе устойчивое состояние и снимает сигнал управления с транзистора VTB. Последний закры­ вается, сигнал обратной связи'с Ур начинает поступать на РЭА и стабильность напряжения Un начинает обеспечивать­

ся с помощью дополнительной силовой цепи: регулятор РЭД — источник и л. При восстановлении номинального

значения питающего напряжения схема возвращается в ис­ ходное состояние.

В рассмотренной схеме в момент перехода элемента РЗд в активный режим работы и обратно неизбежно появ: ление переходных процессов в выходном напряжении СПР. Действительно, при снятии сигнала запрета (закрывании VTB) на РЭД будет поступать сигнал, соответствующий его полностью открытому состоянию, так как такой сигнал в предшествующий момент времени был необходим для управления РЭ0. В то же время полностью открытое со­ стояние РЭД должно обеспечиваться только при Дя^Дб. Поскольку сигнал запрета снимается при Д = Д', в этот мо­ мент в выходном напряжении должен появляться импульс перенапряжения с амплитудой до £/д( 1—Д ')— UH и дли­ тельностью, определяемой быстродействием цепи У0—РЭА. Аналогичный процесс имеет место при переводе РЭЛ в за­

крытое состояние.

Положение усугубляется, если внутреннее сопротивле­ ние источника U0 соизмеримо с сопротивлением нагрузки,

что обычно и имеет место на практике. В этом случае при включении в работу элемента РЭЛ, когда прекращается протекание тока через элемент РЭ0 и источник U0 перехо­ дит в режим холостого хода, напряжение UQвозрастает на

падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Увеличение U0 вызывает обратное переключение Уд, от­ ключение РЭД, переключение тока нагрузки на РЭ0, соот­

ветственно снижение UQ из-за падения напряжения на его

внутреннем сопротивлении, и т. д. Таким образом, в пере­ ходных режимах возникают релаксационные колебания с частотой, зависящей от частотных свойств РЭЯ, РЭ0, Уд, У0,

постоянной времени сглаживающего фильтра и относитель­ ного значения внутреннего сопротивления источника V0.

Как правило, амплитуда импульсов в переходном режиме доходит до 10—20% t/я, что существенно ограничивает об­ ласть применения данной схемы.

В СПР с двухконтурным управлением высокие требова­ ния должны предъявляться к временной и температурной'

стабильности параметров устройствуправления дополни­ тельными РЭ, к уровню уставки по напряжению, при кото­ ром включается РЭА (в схемах рис. 16,а, 17,6), к значению

напряжения стабилизации дополнительного СН (в схеме рис. 17,а). В противном случае нестабильности данных па­

раметров СПР должны учитываться при расчете основной цепи стабилизации напряжения, что ведет к увеличению расчетного значения напряжения U0t т. е. к увеличению по­ терь мощности в РЭ0, снижению КПД СПР и его эффек­

тивности по сравнению с обычными схемами непрерывных СН.

8. СПР С ОДНОКОНТУРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Принцип организации одноконтурного управления в схемах СПР наглядно иллюстрирует рис. 18,а [24]. Здесь стабилизация напряжения UH осуществляется с помощью устройства обратной связи У, воздействующего на РЭ0 че­ рез элемент R с линейной характеристикой (резистор) и

Рис. 18. СПР с одноконтурным управлением:

диод VD. Характеристики цепи управления выбираются из

двух условий:

1) насыщенное состояние РЭ0 должно обеспечиваться

сигналом управления, не превышающим пороговое напря­ жение VD\

2) диапазон изменения выходного напряжения устрой­ ства У должен превышать пороговое напряжение VD и быть

достаточным для обеспечения насыщенного состояния РЗД. В этом случае при напряжении U0, близком к номи­ нальному, стабилизация напряжения UH будет осуществ­ ляться по цепи Uо—, РЭ0, так как выходной сигнал У будет менее порогового напряжения VD и, .следовательно, РЭА

будет обесточен. При уменьшении напряжения источника Uо до значения VQ(\—А') элемент РЭ0 подойдет к состоя­ нию насыщения. При последующем уменьшении 0 о напря-

жение UHтакже начнет уменьшаться, что вызовет резкое

увеличение выходного сигнала У. Последний превысит по­ роговое напряжение VD, РЭЛ перейдет в активный режим

работы, и стабилизация Х/н будет осуществляться по цепи У—РЭЯ—£/д. При восстановлении U0 схема возвратится в исходное состояние, так как при U o ^ U „ вновь вводится в

работу основной элемент РЭ0, выходное напряжение не­

сколько повышается, уменьшается выходной сигнал У и за­ крывается РЭЛ.

В рассматриваемой схеме имеет место дополнительная нестабильность выходного напряжения, появляющаяся с момента перехода в активный режим работы Р З Д. Значе­ ние этой нестабильности Ад зависит от отношения порогов вого напряжения Un элемента VD к напряжению £/„ и ко­

эффициента усиления /Су устройства У и может быть най­ дено из простого соотношения

При использовании в устройстве У операционных уси­ лителей (типа 153УДЗ, 140УД6 и пр.) Ад получается пре­ небрежимо малой — порядка 0,01—0,02%.

Поскольку СПР с параллельным соединением РЭ ис­ пользуются преимущественно для стабилизации относи­ тельно низких напряжений, расчет их параметров, должен проводиться с учетом остаточных напряжений на РЭ0, РЭЛ.

Методика расчета приводилась ранее для схемы рис. 16,а, в связи с чем приведем лишь конечные результаты:

Интересно отметить, что принцип СПР может быть реа­ лизован в схеме СН с составным транзистором и дополни­ тельным источником питания [25]. Вариант такого СПР приведен на рис. 18,6.

Данная схема будет функционировать как СПР, если переход эмиттер — база основного транзистора РЭй и до?

полнительный регулирующий элемент РЭА могут пропус­ кать полный ток нагрузки. В этом случае, пока U0> U a и элемент РЭ0 работает в ненасыщенном режиме, ток на­ грузки протекает в основном от источника £/0. Элемент РЭА

используется при этом как предварительный усилитель тока.

При уменьшении U0 до значения, примерно равного Un> когда РЭ0 входит в насыщенное состояние и уже не может

обеспечить стабильное напряжение на нагрузке, напряже­ ние £/н несколько уменьшится, что вызовет увеличение вы­

ходного сигнала устройства У назначение, необходимое для обеспечения питания нагрузки от источника UA через РЭА. Отсюда следует, что для обеспечения заданной ста­

бильности выходного напряжения во всем диапазоне изме­ нения напряжения питания расчет контура стабилизации данного СПР должен проводиться без учета усилительных

свойств РЭ0^ В то же время контур стабилизации должен

обладать достаточным запасом устойчивости, с тем чтобы обеспечить заданное’ качество переходных процессов в но­ минальном режиме работы, когда участвует в работе РЭ» и коэффициент усиления в контуре повышается на коэф­ фициент усиления РЭ0.

К достоинствам рассмотренной схемы по сравнению со схемой рис. 18,а следует отнести ее простоту —для управ­ ления РЭо нет необходимости в дополнительных усилив

тельных каскадах, вдвое меньшая выходная мощность тре­

буется от устройства обратной связи У — и более полное использование элементов схемы в номинальном режиме ра­ боты (в схеме рис. 18,а в этом режиме элементы РЭА, UA

обесточены и, следовательно, не используются). Недостач ками ее являются наличие дополнительных потерь мощное

сти на переходе эмиттер — база РЭ0 при питании нагрузки

вследствие чего приходится выбирать более доощные элемёиты в РЭ0.

Поэтому при современной элементной базе схема может быть рекомендована к применению при токах нагрузки СПР около 2—5 А й в энергосистемах, где напряжение ис­ точника питания преимущественно близко к номинальному и лишь эпизодически отклоняется от него на достаточно большое значение.

Проведенный в § 6—8 анализ показывает возможность существенного снижения потерь мощности в РЭ и как следствие — уменьшения габаритов, повышения надежно­ сти и КПД СН. Однако все рассмотренные схемы реали­ зуются с применением дополнительных источников пита­ ния, рассчитанных на полный ток нагрузки, что снижает эффективность применения СПР, в частности по таким па­ раметрам, как габаритные характеристики и показатели надежности.

Рис. 19. СПР с балластными резисторами:

л — с дополнительным регулятором тока; б — с одноконтурным управлением

На практике имеют место случаи, когда первостепен­ ным является уменьшение мощности потерь в транзисто­ рах РЭ стабилизатора, повышение его надежности, умень­

шение габаритных размеров, а Ьовышение КПД не явля­ ется столь лимитирующим или не представляется возмож­ ным. Это относится к устройствам небольшой мощности, с хорошими условиями охлаждения и длительным циклом непрерывной работы; к СН, выполненным по интегральной технологии; к системам питания, где введение дополнитель­ ного источника нецелесообразно или исключено. В подоб­ ных случаях применяются СПР с балластными резистора­ ми, один из вариантов которых приведен на рис. 19,а.

По построению данная схема аналогична приведенной на рис. 18,а, но наличие в цепи РЭ0 балластного резистора RA существенно изменяет функционирование схемы при вводе в активный режим РЭА. Этот режим начинается с момента уменьшения напряжения источника. UA до значе­ ния, при котором регулятор РЭ0 вводится устройством У в

насыщенное состояние.

При последующем уменьшении питающего напряжения до предельного значения РЭ0 остается в насыщенном со­

стоянии, а ток через него пропорционально уменьшается до

Сопоставление (95). с аналогичным выражением, опре­ деляющим мощность потерь в регуляторе обычного СН (83), позволяет сделать вывод, что в дайной схеме при тех же исходных данных на ПРЭ выделяется в 5 раз меньшая мощность. Соответственно Яд должен рассчитываться на мощность, в 4 раза большую, чем определяемая из (95). В целом же потери мощности в силовой цепи те же, что и в обычном СН.

На практике находят применение также СПР с балласт­ ными резисторами и дополнительным управлением по току нагрузки (рис. 19,6) [26]. В данной схеме в силовую цепь включены датчики тока ДТ0у ДТд, сигналы которых через

дополнительное устройство управления Уд используются для управления РЭ0. Параметры датчиков выбираются так,

чтобы поддерживать заданную пропорциональность между током Iр,о через РЭ0 и током / Р)Д через РЭД.

При минимальном (предельном) питающем напряже­ нии РЭД вводится устройством У0 в состояние насыщения и шунтирует РЭа и Я д , вследствие чего ток через РЭ0 не

протекает, несмотря на то что Уд обеспечивает насыщенное состояние РЭ0. С увеличением напряжения питания до не­

которого промежуточного значения (1 —ДЛ) элемент РЗД переходит в активный режим работы, а РЭ0 остается в на­

сыщенном состоянии, так как только при указанном про­ межуточном значении питающего напряжения начинает выполняться заданная пропорциональность токов через РЭ0, РЭА. При последующем увеличении питающего напря­ жения пропорциональность токов.через РЭ0у РЭД не изме­

няется, а оба РЭ начинают -работать в активном режиме. Расчетными параметрами сх'емы являются: напряжение источника питания £/д, номинальное значение сопротивле­ ния Яд, максимальная мощность потерь на РЭОУРЭД, коэф­

фициент пропорциональности токов / Pl0, / Р,д. Потери мощ­ ности на РЭ0 максимальны при максимальном напряжении питания, равном £/A(1 + A I). Мощность потерь на РЭД име­

ет два максимума — при максимальном напряжении пита­ ния и при напряжении питания, соответствующем отклоне­ нию Д, определяемому из (93). При расчете обычно зада­ ются равенством всех указанных максимзльцых значений мощности потерь,