Стабілізатор постійної напруги з компенсаційним зв’язком по вхідній напрузі

Стабілізатор напруги постійного струму з компенсаційним зв'язком по ВХІДНІЙ напрузі, що складається з регулюючого елемента, включеного послідовно з навантаженням, вимірювального елемента вихідної напруги стабілізатора, з виходу якого напруга зворотного зв'язку, пропорційна ВИХІДНІЙ напрузі, подається на прямий вхід першого елемента порівняння, на інвертуючий вхід якого подається опорна напруга з виходу джерела опорної напруги, першого суматора, на один вхід якого подається напруга неузгодженості з виходу першого елемента порівняння, а на другий вхід - напруга уставки, з допомогою якого встановлюється номінальний опір регулюючого елемента, першого Винахід відноситься до систем електроживлення, зокрема , до стабілізаторів напруги постійного струму Відомий ПОСЛІДОВНИЙ компенсаційний стабілізатор напруги з безупинним регулюванням, що являє собою систему автоматичного регулювання містить коло негативного зворотного зв'язку Ефект стабілізації досягається за рахунок зміни параметрів регулюючого елемента Стабілізатор підключається до мережі постійного струму чи до мережі змінного струму через випрямляч і фільтр Зміна вхідної напруги струму навантаження викликає в перший момент зміну напруги на виході схеми рис 8 2 [1] Вимірювальний елемент (BE) порівнює вхідну напругу з опорною, у результаті чого на його виході виділяється сигнал неузгодженості Сигнал неузгодженості підсилюється підсилювачем (П) і впливає на регулюючий елемент (РЕ) Напруга на регулюючому елементі змінюється і компенсує зміни вихідної напруги з визначеним ступенем точності підсилювача напруги, на вхід якого подається напруга з виходу першого суматора, а його вихідна напруга подається на регулюючий елемент, який відрізняється тим, що введено розімкнуте компенсаційне коло по збуджуючому діянню відхилення вхідної напруги від номінального значення, що складається з вимірювального елемента вхідної напруги, включеного на вході стабілізатора, другого елемента порівняння, на прямий вхід якого подається напруга з виходу вимірювального елемента, пропорційно напрузі на вході стабілізатора, а на інвертуючий вхід - опорна напруга з джерела опорної напруги, другого підсилювача напруги, на вхід якого подається напруга з виходу другого елемента порівняння, другого суматора, на один вхід якого подається напруга з виходу першого підсилювача замкнутої частини стабілізатора, на другий вхід - напруга з виходу другого підсилювача компенсаційного кола, а вихідна напруга другого суматора, що є керуючою напругою, подається на регулюючий елемент Прикладом реалізації компенсаційного стабілізатора напруги безупинної дії, спрощена функціональна схема якої зображена на рис 8 2[1], є транзисторний стабілізатор, принципова схема якої показана на рис 8 16 [1] Регулюючий елемент, включений послідовно з навантаженням, виконаний на регулюючому транзисторі VT1 Вимірювальним елементом вихідної напруги служить дільник напруги, що складається з резисторів Rl, Rn, R2 Вимірювальна напруга - напруга зворотного зв'язку ІІзз - знімається з резистора R2 і частини потенціометра Rn Джерелом опорної напруги є параметричний стабілізатор напруги, зібраний на стабілітроні VD1 і резисторі R14 Напруга зворотного зв'язку ІІзз подається на базу, а опорна напруга U on - на емітер підсилювального транзистора VTn Завдяки такій схемі подачі напруги ІІзз, і и о п на VTn, між базою і емітером цього транзистора прикладається різниця напруги ІІбез - U33 - и о п і тим самим виконується функція елемента порівняння Напруга ІІбез є вихідною на О 00 (О ю 54680 пругою елемента порівняння і вхідною напругою другого вимірювального елемента, пропорційна підсилювача, зібраного на транзисторі VTn і резиснапрузі на вході стабілізатора , а на інвертуючий торі Rn вхід - опорна напруга з джерела опорної напруги, Напруга ІІбез містить в собі напругу неузгоджедругого підсилювача напруги, вхід якого з'єднаний ності Дії і напругу уставки и у с т , за допомогою якої з виходом другого елемента порівняння, другого встановлюється номінальний опір регулюючого суматора, включеного між підсилювачем і регулюелемента при номінальному значенні вхідної наючим елементом, на перший вхід якого подається пруги і навантаження напруга з виходу підсилювача замкнутої частини стабілізатора, а на другий вхід - напруга з виходу ВІДПОВІДНО ДО принципової схеми стабілізатодругого підсилювача компенсаційного кола ра (рис8 16[1]), и функціональну схему (рис 8 2 [1]) можна деталізувати більш докладно і вважати, Порівняння з прототипом показує, що заявлящо стабілізатор напруги постійного струму складаємий пристрій відрізняється наявністю компенсається з регулюючого елемента, включеного посліційного розімкненого кола, що складається з вимідовно з навантаженням, вимірювального елеменрювального елемента, вхідної напруги та вихідної напруги стабілізатора, з виходу якого стабілізатора, елемента порівняння, вихідна нанапруга зворотного зв'язку, пропорційна ВИХІДНІЙ пруга якого пропорційна відхиленню вхідної напрунапрузі, подається на прямий вхід елемента поріги стабілізатора від номінального значення, підсивняння, на інвертуючий вхід якого подається опорлювача компенсаційного кола і суматора Таким на напруга з виходу джерела опорної напруги, сучином, заявляємий пристрій, відповідає критерію матора, на один вхід якого подається напруга винаходу "новизна" неузгодженості з виходу елемента порівняння, а Порівняння винаходу з іншими технічними ріна другий вхід напруга уставки, за допомогою якої шеннями, відомими в науці і техніці, показує, що встановлюється номінальний опір регулюючого ВІДОМІ стабілізатори напруги безупинної дм, у яких елемента, підсилювача напруги, на вхід якого поза рахунок введення негативного зворотного зв'яздається напруга з виходу суматора, а його вихідна ку зменшується вплив відхилення вхідної напруги (керуюча) напруга подається на регулюючий елестабілізатора на його вихідну напругу, однак керумент юче діяння у цих стабілізаторах формуються з напруги неузгодженості і тому напруга неузгоджеЗазначений стабілізатор прийнято за протоності принципово не може бути зменшене до нуля тип Недолік стабілізатора - прототипу полягає в Будучи статичними системами ці стабілізатори тому, що він не дозволяє цілком усунути відхиленмають кінцеве за значенням неузгодженість при ня вихідної напруги (напруги неузгодженості Дії), стрибку вхідної напруги, а при лінійному чи більш викликане зміною (відхиленням) напруги на вході складному законі зміни вхідної напруги напруга стабілізатора неузгодженості зростає за часом У пропонованоЦе пояснюється тим, що необхідна зміна опому стабілізаторі керуюча напруга, що надходить на ру регулюючого елемента при ЗМІНІ ВХІДНОЇ напрурегулюючий елемент, формується із суми напруги ги UBX (наприклад, при збільшенні UBX варто збінеузгодженості замкнутої частини стабілізатора льшити опір регулюючого елемента) здійснюється прототипу і відхилення ДІІвх вхідної напруги від и за рахунок зміни керуючої напруги, що у прототипі номінального значення, що знімається з виходу формується з напруги неузгодженості Дії Таким компенсаційного кола При відповідному виборі чином відповідна зміна опору регулюючого елемепараметрів цього кола необхідна зміна опору рента і підтримка зміненого значення цього опору в гулюючого елемента буде здійснюватися тільки за стабілізаторі - прототипі здійснюється за рахунок допомогою напруги ДІІвх виникнення напруги неузгодженості Дії При цьому напруга неузгодженості, викликана Винахід дозволяє підвищити точність стабілізміною вхідної напруги, стає рівним нулю при зації напруги за рахунок зменшення напруги нестрибку цієї напруги, при його ЗМІНІ ПО лінійному, узгодженості, викликаної зміною вхідної напруги квадратичному і більш складному законі в межах, стабілізатора Це досягається тим, що в стабілізащо відповідають ЛІНІЙНІЙ ДІЛЯНЦІ ВОЛЬТ-ОМНОІ харатор напруги, що складається з регулюючого електеристики регулюючого елемента Це дозволяє мента, включеного послідовно з навантаженням, зробити висновок про ВІДПОВІДНІСТЬ технічного рівимірювального елемента вихідної напруги стабішення критерію "ІСТОТНІ ВІДМІННОСТІ" лізатора, з виходу якого напруга зворотного зв'язку, пропорційна ВИХІДНІЙ напрузі, подається на На фіг 1 зображена функціональна, а на фіг 2 прямий вхід елемента порівняння, на інвертуючий приклад принципової схеми стабілізатора напруги вхід якого подається опорна напруга з виходу постійного струму безупинної дії джерела опорної напруги, суматора, на один вхід Стабілізатор напруги постійного струму безуякого подається напруга неузгодженості з виходу пинної дм (фиг 1) складається з регулюючого елеелемента порівняння, а на другий вхід - напруга мента 1, уключеного послідовно з навантаженням уставки, за допомогою якого встановлюється но2, першого вимірювального елемента вихідної мінальний опір регулюючого елемента, підсилюнапруги ІІвих стабілізатора 3, з виходу якого навача напруги, на вхід якого подається напруга з пруга зворотного зв'язку ІІзз, пропорційна напрузі виходу суматора, а його вихідна керуюча напруга UBMX, подається на прямий вхід елемента порівподається на регулюючий елемент, включено роняння 4, на інвертуючий вхід якого подається опозімкнуте компенсаційне коло, що складається з рна напруга з виходу джерела опорної напруги 5, другого вимірювального елемента, включеного на першого суматора 6, на один із входів якого надвході стабілізатора, другого елемента порівняння, ходить напруга неузгодженості Дії з виходу перна прямий вхід якого надходить напруга з виходу шого елемента порівняння 4, а на другий вхід на пруга уставки U y c T і підсилювача напруги 7, на вхід якого подається напруга U6 з виходу суматора 6, а його вихідна напруга подається на регулюючий елемент 1, і введене компенсаційне коло за збуджуючим діянням - відхиленню AUBX вхідної напруги від свого номінального значення, що складається з вимірювального елемента 8 вхідної напруги UBX включеного на вході стабілізатора, другого елемента порівняння 9, на прямий вхід якого надходить напруга UBes з виходу вимірювального елемента 8, пропорційне напрузі на вході стабілізатора, а на інвертуючий вхід - опорна напруга з джерела опорної напруги 5, другого підсилювача напруги 10, на вхід якого подається напруга AUBBX ІЗ виходу другого елемента порівняння 9, другого суматора 11, на один вхід якого подається напруга з виходу підсилювача 7 замкнутої частини стабілізатора, на другий вхід - напруга з виходу другого підсилювача 10 компенсаційного кола, а вихідна напруга суматора 11, що є керуючою напругою, подається на регулюючий елемент 1 Стабілізатор працює так Напруга постійного струму UBX подається на вхід стабілізатора і через регулюючий елемента 1 надходить на вихід - на навантаження 2 На вихідну напругу UBMX впливають різні дестабілізуючі фактори (збуджуючі діяння), одним з основних серед них є зміна вхідної напруги Під ВПЛИВОМ дестабілізуючих факторів виникає відхилення AUBMX ВИХІДНОЇ 54680 ді суматора 6 напруга U6 дорівнює U6 = U ycT ± AU (7) Вихідна напруга U6 суматора 6 підсилюється підсилювачем 7 У стабілізаторі без компенсаційного кола (відсутні елементи 8, 9, 10, 11) напруга U7 з виходу підсилювача 7 безпосередньо надходить на регулюючий елемент 1 Ця напруга є керуючою - її зміна викликає відповідну зміну опору регулюючого елемента При номінальних значеннях UBX І опорі навантаження, за допомогою напруги уставки и у с т установлюють номінальний опір регулюючого елемента 1, при якому вихідна напруга стабілізатора напруги UBMX ВІД свого номінального UBMXH значення Тому вхідну напругу можна представити у виді суми номінальної напруги UBMXH І відхилення AUBMX UBMX - UBMX H ± AUBMX (1) Вихідна напруга UBMX стабілізатора вимірюється за допомогою вимірювального елемента 3 Вимірювана напруга, що є напругою зворотного зв'язку U33, пропорційна UBMX U33 = Pi UBMX (2) Чи після підстановки в (2) значення UBMX З номінальному значенню UBMX UBMXH, при цьому напруга неузгодженості д и = 0 При ЗМІНІ, наприклад, збільшенні стрибком напруги UBX У початковий момент збільшуються UBMX, U33 і ВІДПОВІДНО до формули (6), на виході елемента порівняння 4 виникає напруга неузгодженості д и позитивної полярності Напруга AU, складаючись з иУст, приводить до зростання напруги \JQ, a отже, і до збільшення керуючої напруги U7 Збільшення керуючої напруги U7 (за рахунок появи напруги неузгодженості AU) приводить до зростання опору регулюючого елемента 1 відносно його номінального значення, а отже, до підвищення спадання напруги на регульованому елементі 1 У результаті цього UBMX зменшується, прагнучи до свого номінального значення, а д и зменшується до деякого значення, але не стає рівним нулю Це пояснюється тим, що тільки завдяки наявності напруги неузгодженості д и досягається відповідна зміна (у розглянутому випадку збільшення) опору регулюючого елемента відносно свого номінального значення при ЗМІНІ UBX Причому, можна показати, склавши математичну модель стабілізатора, що напруга неузгодженості AU пропорційна AUBX ди = ди в х /(1 + кР), (1) _ U33 - Pi дорівнює (UBMXH ± AUBMX) - Pi UBMXH± ,0-, { } ±РіДиВих=иззн±Ди де U33 - Pi UBMXH - номінальне значення напруги зворотного зв'язку (пропорційне номінальному значенню вихідної напруги), AU = Pi AUBMX - відхилення напруги зворотного зв'язку від його номінального значення (напруга НеуЗГОДЖеНОСТІ A U ПРОПОРЦІЙНО ВІДХИЛеННЮ A U B M X вихідної напруги від номінального значення) Напруга зворотного зв'язку U33 подається на елемент порівняння 4, де порівнюється з опорною напругою и о п На виході елемента порівняння 4 виникає різницева напруга иеП4 = и 3 3 - и о п (4) Значення опорної напруги і номінальна напруга зворотного зв'язку вибираються рівними U on = U33 н (5) Підставивши в (4) значення U33 (3) і враховуючи (5) одержуємо U en4 = и3з н ± Ди - и о п = ± Ди (6) тобто, на виході елемента порівняння 4 виділяється напруга неузгодженості д и У суматорі 6 здійснюється додавання напруги уставки и у с т і напруги неузгодженості д и На вихо де Кр - коефіцієнт підсилення стабілізатора в розімкнутому стані Стабілізатор є статичною системою, тому при лінійному і більш складних законах зміни AUBX напруга неузгодженості зростає за часом У стабілізаторі, що заявляється, за допомогою вимірювального елемента 8 вимірюється вхідна напруга UBX Напруга на виході вимірювального елемента UM38 пропорційна UBX U B e8=P 2 UBX (8) Підставивши у формулу (8) значення UBX UBX - UBMX H ± AUBX де UBXH - номінальне значення вхідної напруги, а AUBX - відхилення цієї напруги від номінального значення, одержимо UBe8 = р2 (UBX Н ± AUBX) = Р2 ,q, UBx н ± ± р 2 AUBX = U B H ± AU { > Де UBH- P2 UBXH - номінальне значення вимірювальної напруги на вході, AUBBX - Р2 AUBX - відхилення вимірювальної напруги на вході від номінального значення, AUBBX пропорційно AUBX Вимірювальна напруга UBes з виходу вимірю 54680 вального елемента 8 надходить на елемент порівняння (відраховуючий пристрій) 9, де здійснюється операція відрахування На виході елемента порівняння 9 виникає напруга иэсэ, яка дорівнює иеп9 = иве8 - иоп (Ю) Шляхом вибору коефіцієнта Рг забезпечується рівність номінальної складової вимірювальної вхідної напруги і опорної напруги U B H9=Uon (11) Підставивши в (10) значення UBes з (9) і враховуючи (11), одержуємо и е П 9 = U B H ± A U B B X - U o n = ± A U B B X (12) тобто, на виході елемента порівняння 9 виникає напруга AUBBX, пропорційна (ВІДПОВІДНО ДО фо рмули (9)) A U B X Напруга AUBBX ПІДСИЛЮЄТЬСЯ підсилювачем 10 Підсилююча напруга U-ю з виходу підсилювача 10, тобто з виходу компенсаційного кола, подається на суматор 1 1 , де складається з напругою керування U7 замкнутої частини стабілізатора Напруга на виході суматора 11 Un = U 7 + U 1 0 (13) Таким чином, керуюча напруга U n у запропонованому стабілізаторі формується як з напруги неузгодженості AU замкненої частини стабілізатора (напруга U 7 ), так і безпосередньо з відхилення AUBX (напруга U-ю) Збільшуючи шляхом підвищення коефіцієнта підсилення підсилювача 10 значення напруги U-io на виході компенсаційного кола можна одержувати необхідну напругу керування Un на вході регулюючого елемента при меншому значенні напруги U 7 , а отже, при меншій напрузі неузгодженості д и При деякому значенні цього коефіцієнта можна домогтися такого положення, що необхідна напруга керування U n буде формуватися тільки з вихідної напруги U-ю компенсаційного кола При цьому AU = 0 Оскільки через введене компенсаційне розімкнуте коло відхилення вхідної напруги AUBX безпосередньо впливає на опір регулюючого елемента і коло впливу є безшерційним (не містить інерційних елементів), то в запропонованому стабілізаторі напруга неузгодженості дорівнюється нулю (AU = 0) не тільки при стрибку вхідної напруги, але істотно зменшено також при лінійному і більш складних законах зміни AUBX В даному стабілізаторі можна домогтися не тільки повного усунення напруги неузгодженості, але при подальшому підвищенні коефіцієнта підсилення підсилювача 10 можна одержати ефект перекомпенсацм, наприклад, при зменшенні UBX напруга на виході буде не зменшуватися (як звичайно), а збільшуватися Однак перекомпенсація також небажана, як і недокомпенсація На фіг 2 зображений приклад принципової схеми стабілізатора Регулюючим елементом 1 є потужній транзистор VT-i, що працює в безупинному режимі Вимірювальний елемент 3 вихідної напруги являє собою дільник напруги, що складається з резисторів R1, R2, R3 Вимірювальна напруга - напруга зворотного зв'язку Озз знімається з резистора R3 і частини резистора R2, U33 - Р1 UBMX, ЧИ ЗГІДНО (3) и3з=и3зн +AU (14) Джерелом опорної напруги 5 є параметричний 8 стабілізатор напруги, зібраний на стабілітроні VD1 і резисторі R4 Напруга U33 подається на базу, а опорна напруга на емітер малопотужного підсилювального транзистора VT2, що реалізує елемент порівняння 4, суматор 6 і підсилювач постійного струму 7 Дійсно, завдяки такій схемі подачі напруг U33, і и о п на VT2, між базою і емітером прикладається різницева напруга UBE2=U 3 3-U O n (15) і тим самим виконується функція елемента порівняння 4 Підставивши у формулу (15) значення U33 з (14), одержуємо UBE2 = U33 - Uon ± AU (16) При розгляданні функціональної схемі стабілізатора (фіг 1) приймалося U33H - Uon і вводилася напруга уставки U y c T Напруга на вході підсилювача 7 дорівнювала и 6 =и у с т ±ди (17) и3зн - и о п = и у с т 1 (18) Для того, щоб напруга UBE2 на вході підсилювального транзистора VT2 була рівною напрузі \JQ, повинно виконуватися [див формулу (16)] рівняння І ТОДІ UBE2 = U 6 = и у с т 1 ± Д и (19) З (18) знаходимо иззн - и у с т і + и о п чи, підставивши замість иззн його значення Рі UBMXH, Pi одержимо UBMXH Uoni + U o n звідки можна визначити значення коефіцієнта Рі = (20) При виконанні умови (18), а також вимоги иусті>Ди (21) буде забезпечуватися працездатність підсилювального транзистора VT2, тому що при цьому потенціал бази буде позитивним відносно емітера (UBE2 > 0) Таким чином, завдяки подачі на базу транзистора VT2 з вимірювального елемента напруги U33 = и у с т і + и о п ± AU, а на вхід підсилювального транзистора VT2 напруги UBE2 - U y c T i ± AU, що містить напругу уставки U y c T i як додаток, виконується функція суматора 6 Посилена напруга U y i знімається з резистора R4 і подається через резистор R8 на операційний підсилювач DA, що виконує функцію суматора При необхідності операційний підсилювач може здійснювати додаткове посилення напруги U y i Вимірювальний елемент 8 вхідної напруги стабілізатора (вимірювальний елемент компенсаційного кола) зібраний на дільнику напруги, що складає з резисторів R10, R11, і R12, Напруга UBes = UBe2 знімається з резистора R12 і частини резистора R11 і подається на базу транзистора VT3 На емітер цього транзистора подається опорна напруга и о п зі стабілітрона VD1 Таким чином, між базою і емітером транзистора VT3 прикладається різницева напруга иБЕз = и в е 8 - и о п (22) 54680 10 напруги на вході стабілізатора напруга неузгодженості зростає за часом Введення в стабілізатор розімкнутого компент ч виконується функція елемента порівняння саційного ланцюга істотно дозволяє зменшити 9 напругу неузгодженості, яка викликана приростом Бажано б було, як і при розгляді функціональвхідної напруги ної схеми (фиг 1) ВІДПОВІДНО до формули (11) приЗавдяки цьому підвищується точність стабілійняти UBH = и о п , коли ІІБЕЗ = UBe8 = ± AUBBX Однак зації напруги, тому що компенсується вплив осноу цьому випадку при ІІБЕЗ - AUBBX U on (24) 1) вхідна напруга змінюється в широких медє ДиВвхгпах = р2 AUBxmax, AUBXmax - максижах, при цьому крім зміни за законом східчастої мально можливе відхилення UBX І UBXH В бік зменфункції ця напруга може змінюватися по лінійному шення і більш складному закону При виконанні умови (24) 2) потрібно висока точність стабілізації, наприUBE3 = A U B H - и ± A U B B X = U 2 ± U B X клад, при живленні сучасних радіоелектронних де UyCT2 = UBH - U on - напруга 2-ої уставки пристроїв У результаті спільної дм напруги уставок UycTi і Часто для одержання необхідної точності стаиУст2 установлюється номінальне значення опору білізації застосовується двоступенева стабілізація регулюючого елемента - застосовується попередній і кінцевий стабілізаНапруга UBE3 ПІДСИЛЮЄТЬСЯ транзистором VT3 тори напруги Стабілізатор, що заявляється, волоПідсилена напруга Uy2 знімається з резистора R6 і діє високою точністю стабілізації, у багатьох випачерез резистор R7 подається на другий вхід опедках може замінити зазначені вище стабілізатори раційного підсилювача DA, що виконує, як відзнанапруги, що буде сприяти підвищенню надійності, чається, функцію суматора 11 За допомогою опезменшенню вартості джерела електроживлення і раційного підсилювача DA напруга UY2 його масо-габаритних показників компенсаційного кола складається з напругою Uyi Як приклад стабілізатора напруги, що заявлязамкнутої частини стабілізатора Сумарна напруга ється, приведений стабілізатор, у якому регулююU-I1, яка є керуючою напругою стабілізатора, з вичий елемент включений послідовно з навантаженходу операційного підсилювача DA подається на ням Однак шляхом введення розімкнутого базу регулюючого транзистора VT1, змінює ВІДПОкомпенсаційного кола по ВХІДНІЙ напрузі може бути ВІДНИМ чином його потенціал відносно емітера, а також підвищена точність стабілізації у випадку отже, і опір транзистора VT1 рівнобіжного включення регулюючого елемента і Стабілізатор напруги, постійного струму безунавантаження пинної дії, що заявляється, володіє важливою техДжерела інформації ніко-економічною перевагою в порівнянні з прото1 Электропитание устройств связи /Учебник для типом высших учебных заведений / Под ред проф В Е У стабілізаторі-прототипі виникає кінцева наКитаєва, - М Радио и связь, 1988 - 280с пруга неузгодженості при стрибку вхідної напруги, 2 Источники электропитания радиоэлектронной а при лінійному і більш складних законах зміни аппаратуры Справочник /Под ред ГС Найвельта - М Радио исвязь, 1985 -576с чи після підстановки значення UBe8 з (9) І І Б Е З = U B H U o ± n о п A U B B X = U e n ( 2 3 ) 9 y c T B — тС>- - - RIG I ., I. *?. . ФІГ.1 — * ґ—п « « Л j ^ -гт-* Фіг.2 Підписано до друку 03 04 2003 p Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 г—'I f