книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы
.pdf
Л. В. ВЕНГЕРОВСКИЙ, А. X. ВАЙНШТЕЙН
ПРЕЦИЗИОННЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
СТАБИЛИЗАТОРЫ
„Э Н Е Р Г И Я "
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
|
|
1974 |
|
V. |
-L v |
\\^ ,"ч -Г . |
|
Ч |
|||
|
|
Ш
<h
6Ф2.14 |
|
В2Э |
|
УДК 621.316.722.1 |
: 621.382 |
ГОС. ПУБЛИЧНЛЛ |
| |
!А У Ч Н О -ТЕХ Н И ЧР.СЯА Л |
|
БИБЛИОТЕК Л *CCs* |
|
Венгеровский JI. В. и Вайнштейн А. X.
В 29 Прецизионные полупроводниковые стабилиза торы. Л., «Энергия», 1974.
120 с. с ил.
В книге рассмотрены вопросы проектирования прецизноннных компенсационных полупроводниковых стабилизаторов напряжения (ПСН). Приводятся анализ работы ПСН при воздействии на него различных видов возмущений и способы уменьшения погрешности. Даны основы проектирования ПСН с использованием современных линейных микросхем и примеры практической реализации ПСН для различных областей применения.
Книга предназначена для инженеров, занимающихся разра
боткой н проектированием прецизионных стабилизаторов напряже ния.
30404-138 |
6Ф2.14 |
175-73 |
|
051(01)-74 |
|
Рецензент Н. И. Буренин
© Издательство « Э н е р г и я » , 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
Полупроводниковые стабилизаторы напряжения яв ляются неотъемлемой частью большинства электрон ной аппаратуры и потребность в них по мере развития радиоэлектроники и вычислительной техники все воз растает.
Для создания схем полупроводниковых стабилизато ров, отвечающих требованиям современной радиоэлек тронной аппаратуры, необходимо проводить работы по выбору оптимальных схемотехнических решений и кон струкций, использовать микросхемную элементную базу, новые малогабаритные дискретные элементы, методы эффективного отвода тепла, обеспечивать ПСН унифи цированными конструктивно-технологическими .реше ниями.
Компенсационным стабилизатором напряжения на зывают устройство, обеспечивающее поддержание по стоянного значения регулируемого напряжения с не которой точностью, независимо от различного рода воз действий, называемых возмущениями.
Прецизионными, или высокоточными стабилизато рами напряжения (ПСН), принято считать стабилиза торы, поддерживающие выходное напряжение’с погреш ностью не более 0,1%. В ряде устройств ПСН обеспечи вают более надежную работу, а также служат источни ками эталонного (образцового)^ напряжения. Эталонное напряжение необходимо во многих системах авторегу лирования и телеметрии, в измерительных схемах, схе мах преобразования непрерывных величин в дискрет ную форму, схемах электрического моделирования и др.
Обычно перед разработчиком ставится задача соз дать ПСН для.; конкретной системы. Процесс создания ПСН включает формулировку задачи, синтез и реализа цию ПСН, оценку достигнутых - результатов разрабо-
3
тайного ПСН. По существу на всех этапах разработки оказывается необходимым качественный и количествен ный анализ возможных возмущений, действующих на ПСН, учет их влияния на выходную величину и приме нение методов и схемных решений для уменьшения этого влияния.
ПСН в наиболее распространенном варианте — это сложная электронная система автоматического регули рования, имеющая основной контур регулирования по напряжению и один или несколько контуров регулиро вания и цепей компенсации по возмущениям.
В данной работе рассматриваются вопросы улучше ния точностных характеристик полупроводниковых ком пенсационных стабилизаторов. Материал книги бази руется на опубликованных работах в этой области, по этому книгу следует рассматривать как дополнение к уже имеющейся литературе по проектированию полу проводниковых стабилизаторов.
Авторы не стремились свести поставленные вопросы к анализу готовых схем с приведением полного комплекса расчетных формул. Поскольку проектировщикам нужны стабилизаторы, отличающиеся по своим техническим данным от приведенных в литературе, авторы ставили своей задачей обратить внимание на наиболее важные узлы ПСН, показать, как влияют те или иные воздейст вия на выходное напряжение, как следует подходить к проектированию ПСН. В соответствии с этим основ ное внимание в книге уделено анализу дестабилизирую щих воздействий, их влиянию на работу ПСН и методам уменьшения этого влияния.
Авторы делают попытку рассмотреть ПСН как си стему автоматического регулирования (САР) и исполь зовать хорошо разработанный аппарат теории автома тического управления для оценки особенностей струк турных схем ПСН.
Все замечания и пожелания просьба направлять по адресу:. 192041, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинград ское отделение издательства «Энергия».
Г Л А В А П Е Р В А Я
ПСН КАК СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
1. СТАТИЧЕСКАЯ ТОЧНОСТЬ ПСН
Транзисторные компенсационные стабилизаторы с не прерывным регулированием [12], к которым относятся и ПСН, представляют собой систему автоматического регулирования (САР), в которой с заданной точностью поддерживается постоянным напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения, сопро-^ тивления нагрузки, параметров схемы и влияния окру жающей среды.
Принципиальное отличие ПСН от транзисторных компенсационных стабилизаторов заключается в том, что ПСН --это более сложная электронная САР, имею щая, помимо основного контура регулирования выход ного напряжения, дополнительные контуры регулиро вания и цепи компенсации по возмущениям.
Функциональное назначение звеньев основного кон тура ПСН и взаимодействие их входных и выходных сигналов можно представить в виде структурной схемы
(рис. 1, а).
Изменение входного напряжения UBX вызывает из менение выходного напряжения £/пых. Это изменение фиксируется и сравнивается схемой сравнения СУ с эталонным значением выходного напряжения, устанав ливаемым задающим устройством ЗУ. Сигнал рассогла сования поступает на усилительно-преобразовательное устройство УПУ и затем на регулирующий элемент РЭ, который компенсирует изменение входного напряже ния таким образом, чтобы выходное напряжение оста валось постоянным в пределах заданной точности.
5
Чем больше изменение входного напряжения, тем больше сигнал рассогласования на входе УЯУ, тем больше отклонение выходного напряжения от номиналь ного значения. Как правило, изменения входного на пряжения ПСН и сопротивления нагрузки следует счи тать одними из главных возмущающих воздействий, которые приводят к отклонению стабилизируемого вы ходного напряжения. Вообще возмущающими воздей ствиями являются все те факторы, которые вызывают нежелательные изменения выходного стабилизируемого параметра. Возмущающие воздействия могут быть при ложены в любой точке контура ПСН. Наоборот, регу лирующее воздействие служит для поддержания тре-
а) |
6) |
Рис. 1. Структурные схемы основного контура ПСН: а — исходная; б — преобразованная в два звена
буемого значения регулируемого параметра и ^воздейст вует на РЭ только через схему сравнения СУ.
Обычно компенсационные стабилизаторы напряже ния, работающие при небольших отклонениях входных и выходных величин от состояния равновесия, принято рассматривать как линейные системы [9]. Это значит, что связь между входным и выходным переменными со ставляющими напряжения можно с достаточной сте пенью достоверности описать уравнением вида:
dnU вых | „ |
dn |
!f/ ВЫХ I |
| n i l |
. и dmUB |
й„ ---- —------- h а п- |
1-----— ;------ Г • • • Т |
00 ‘-'вых — От |
||
dtn |
dt |
п—1 |
|
dtm |
rim—1и В |
(1) |
•f&m-i — r - f ?+* • - + ^0СВХ. |
d t m~ l
Этов уравнение остается полностью справедливым и для основного контура ПСН.
6
Уравнение (1) |
можно записать в виде |
|
||
К Р " + |
ап-]рп~ 1+ |
. • • + ао] и вых (р) = [Ьтрт+ |
||
|
|
+ Ьт - |
1Рт 1+ • • |
• + b0] UBX (р), |
где р = |
—-----символ дифференцирования. |
|
||
|
dt |
|
|
|
В свою очередь это выражение можно формально |
||||
представить следующим образом: |
|
|||
bmpn + b m- iPm- ' + . ■ . + &„ |
_ и вых(р) |
К { р ) |
||
\ р п + ап- \Р П~ 1 + • • •+ ао |
и ъх № |
|
||
Функция к (р) называется передаточной функцией. Передаточная функция широко используется для ана лиза работы ПСН и поведения его при подаче возмущаю щих и регулирующих воздействий.
Для исследования статической точности ПСН сущест
венно |
важна связь менаду |
передаточной |
функцией |
К 3 (р) |
замкнутой системы |
и разомкнутой |
Кр. к (р) |
(рис. |
1, б) |
|
|
|
КР. к (р)____ |
(2) |
|
|
К 3 (Р) = |
|
|
|
\ + Ко(р)КР(р) ’ |
|
|
где К0 (р) — передаточная функция объекта регулиро вания ПСН относительно регулирующего воздействия; К р (р) — передаточная функция регулятора.
Как видно из (2), влияние возмущающего воздейст вия UBX на выходное стабилизируемое напряжение и вых ПСН уменьшается в замкнутой системе в [1 + К 0 (р) X Х/Ср (р) 1 раз. Если к контуру ПСН в различных точках приложено р возмущающих воздействий, то основное уравнение регулирования, отражающее зависимость вы ходной регулируемой величины £/вых в функции от уп равляющего воздействия Дэт и возмущающих воздейст вий Z
^ВЫХ--f (Uэт> 2 0, Z%, Z2, . . . , Zp),
7
имеет вид: |
|
|
Ки (р) |
V ? ) |
+ |
Uвых |
|
[1 + /Со (р) ЛГр (Р)] f f Ki (Р)
|
i = 0 |
|
|
1=р |
|
+ |
I<Zi(P)ZiI<0W * p (Р) |
(3) |
S[1 + /Со (Р) /Ср (Р)] ‘f f /о (р) i=0
Здесь /Си (р) — передаточная функция основного кон тура по управляющему воздействию; Кс (р) — переда точные функции звеньев контура ПСН; i = 0, 1 , 2 , . . . , у, р — точки приложения управляющего и возмущаю щих воздействий.
На основании уравнения (3) можно записать выра жение для абсолютной погрешности выходного напря жения ПСН от изменения управляющего воздействия
иот возмущающих воздействий:
Кц (Р )А //ЗТ/С0 (р) /Ср (р)
[\ + К » (р ) /СР (р )] П Ki (р)
± |
/С2 .(р ) г.Дг0 (р) /Ср (Р) |
( 4) |
|
[1 |
+ /Со (Р) /Ср (P)J 'f f Ki (р) |
1=0 |
1=0 |
|
Из выражения (4) видно, что при отсутствии возму щающих воздействий Z(- абсолютная погрешность ПСН определяется отклонением от заданного значения уп равляющего воздействия U3r. При постоянно действую щих возмущениях погрешность может быть скомпенси рована изменением управляющего воздействия. Усло вие компенсации А/7ВЫХ= 0, т. е. выражения (4) равно 0. Тогда абсолютная погрешность после настройки с уче том компенсации погрешности будет
/Са ( Р ) Д Р ^ т0 /С0 (р )/С р (Р)
ВЫХ I — у —
[1 + Ко (р) Кр (р)] П Ki (р)
1=0
8
|
+ |
|
Kzl (p) AZ.0K0 (p) K v u>) |
||
|
|
|
t=p |
||
|
|
|
[1 + Ко (p) Kp (/>)] |
П к i (p) |
|
|
|
|
|
£=0 |
|
а относительная приведенная погрешность |
|||||
|
|
|
K Zi (p ) b Z . 0K 0 (p ) К (p) |
||
|
ДР u.ЭТ 0 |
|
|
£=p |
|
6 = |
i |
[i + Ko(p) Kp (p)] П Ki(p) |
|||
Us |
— S1=0 |
i = 0 |
|||
|
|||||
При Ко (P) Kp ip) » |
Us |
|
|||
1 |
|
||||
<=P
2 KZi (p) AZpiO
б « б д Р г/9т0± i=p
uвых о П Ki (p) i—Q
(5)
(6)
Правая часть выражения (6) соответствует полной относительной погрешности стабилизатора. Из этой за висимости видны составляющие погрешности. Полная погрешность состоит из относительной погрешности дрейфа управляющего воздействия Др U3T„ и относи тельной погрешности 6В изменения возмущающих воз действий, причем величина погрешности зависит от числа воздействий Zh передаточных функций Kzt (р), от диа пазона изменения воздействий AZi0, от точек приложе
ния возмущающих воздействий [т. е. от произведения
[=р
П Ki (/?)], от номинального значения выходного напря- г=о
жения £/выхо-
2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ПСН
Из выражения (б) вытекают и способы обеспечения требуемой точности ПСН:
1.Увеличение коэффициента передачи регулятора основного контура.
2.Уменьшение дрейфа управляющего воздействия.
3.Сужение диапазона изменения возмущений.
4.Введение контуров регулирования по возмущениям или компенсация возмущений.
9