книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

На рис. 2 приведены структурные схемы ПСН, реа­ лизующие некоторые из этих способов. Наиболее рас­ пространенной схемой ПСН, обеспечивающей снижение уровня воздействия окружающей среды, можно назвать стабилизацию температуры с помощью системы элек­ трического термостатирования (рис. 2, а). Система элек­ трического термостатирования представляет собой не­ зависимый замкнутый контур регулирования, в котором регулируемой величиной является температура, воз­ действующая на элементы ПСН. При широком диапазоне изменения температуры ошибка от этого воздействия

Рис. 2. Структурные схемы ПСН: а — с дополнительным кон­

Кр (Р) — передаточная функция регулятора; К0 (р) — передаточная функ ция,объекта* регулирования; КрТ (р) — передаточная функция регулятора ДКРТ; Кт (р) — передаточная функция термостата; ДГ0 с — диапазон изменения температуры окружающей среды; Д Тт — диапазон изменения температуры в термостате; 7*ст —.задающее значение температуры в тер­

мостате; ОКРИ — основной контур регулирования по напряжению

может достигать существенной величины. В этом случае элементы ПСН помещают в термостат, где осуществляется стабилизация температуры на определенном уровне, что обеспечивает требуемое уменьшение ошибки. На практике в термостат помещают не все элементы ПСН, а только те, на которые изменение температуры оказы­ вает наиболее сильное влияние. Таким образом, теперь на ПСН будет воздействовать не изменение температуры

10

раз. На практике с помощью дополнительного контура регулирования температуры (Д К Р Т ) удается снизить температурную составляющую погрешности ПСН на один-два порядка. Структурная схема (рис. 2, а) иллю­ стрирует два способа снижения погрешности ПСН: уменьшение температурного дрейфа управляющего воз­ действия (помещение в термостат задающего устройства) и сужение диапазона изменения температуры окружаю­ щей среды (помещение в термостат схемы сравнения и входных каскадов основного контура регулирования на­ пряжения ОКРН).

Другим, наиболее распространенным способом по­ вышения точности ПСН является применение регулиро­ вания по возмущениям или компенсация возмущений. Структурные схемы ПСН с введенными возмущениями показаны на рис. 2, б и а. Схема рис. 2, б отличается от обычной схемы ПСН, работающей по принципу откло­ нения регулируемой величины, тем, что в ней на вход регулятора, помимо этого отклонения, подается соответ­ ствующим образом преобразованное в специальном звене компенсации добавочное воздействие от возмуще­ ния. В схеме рис. 2, в это воздействие ZtKzi (р) подается на вход регулирующего элемента совместно с регули­ рующим воздействием регулятора. Такие комбиниро­ ванные схемы, как и схемы, работающие только на прин­ ципе компенсации возмущений, позволяют получать системы регулирования, инвариантные относительно тех возмущений, дополнительные воздействия от которых вводятся в ПСН. Объясняется это тем, что в таких ПСН, как и в обычной одноконтурной схеме, имеется только один замкнутый контур передачи воздействий через ре­ гулятор и объект регулирования, в связи с чем имеется возможность выбирать желаемые передаточные функции звеньев компенсации независимо от передаточных функ­ ций звеньев основного контура.

Требование инвариантности относительно возмуще­ ний, действующих на ПСН в таких комбинированных схемах, можно записать в виде

П K i (р)

1=0

11

Выполнение этого требования возможно в трех слу­ чаях.

1. Когда величины погрешности и их знаки от раз­ личных воздействий распределяются таким образом, что левая часть автоматически обращается в нуль.

2. Когда сконструирована общая цепь компенсации, действующая от одного вида воздействий таким об­ разом, что

(7)

где Kzo (Р) — передаточная функция общей цепи ком­ пенсации.

Этот случай возможен тогда, когда на ПСН действует возмущение одного вида, например действие темпера­ туры окружающей среды, действие шумов, возникаю­ щих внутри ПСН, колебания эталонного напряжения и др. Очевидно, что выполнение условия (7) возможно лишь в одной точке. Если же требуется работа с высокой точностью в широком диапазоне изменения возмущений, то условие инвариантности будет иметь вид

функциональных зависимостей передаточных функций воздействия от возмущения Z0, и, следовательно, сама сумма представляет собой функцию от возмущения. Ес­ тественно, чтобы обеспечить полную компенсацию, нужно иметь функцию Kzo (р> %о)> обратную имею­ щейся. В практической реализации это задача чрезвы­ чайно сложная, связанная со снятием характеристики зависимости выходной величины ПСН от возмущения с высокой точностью и конструированием функции, об­ ратной снятой.

3. Когда для каждого вида возмущений и для возм щений одного вида, но приложенных в разных точках

12

замкнутого контура ПСН, проектируется индивидуаль­ ная цепь компенсации. Условие инвариантности для этого случая можно записать так:

1

Kziip, Zd = 0.

' П Kt (р)

1=0

i= 0

Это условие полностью трудно реализуется; поэтому на практике выбирают несколько наиболее сильных

Рис. 3. Комбинированная структурная схема" ПСН средней сложности

ОЦК — общая цепь компенсации; ИЦК — индивидуальная цепь компенсации (остальные обозначения те же, что и на рис. 2)

воздействий, для которых и конструируют индивидуаль­ ные схемы компенсации.

На рис. 3 представлена структурная схема ПСН сред­ ней сложности. Здесь основной контур регулирования напряжения ОКРН, содержащий объект регулирования /С0 (р) и регулятор /Ср (р), испытывает воздействие воз­ мущений АТт, Z0, Zt, приложенных в различных точках контура. Для обеспечения требуемой точности выходного напряжения ПСН применен дополнительный контур регулирования температуры Д КРТ и две цепи компен­ сации возмущений: И ЦК — индивидуальная цепь ком­ пенсации и ОЦК — общая цепь компенсации.

13

Д К РТ служит для снижения погрешности ПСН за счет сужения температурного диапазона окружающей ПСН среды.

ИЦК компенсирует действие возмущения Zt, при­ ложенного к регулирующему элементу с помощью звена компенсации с передаточной функцией Kzt (р)-

ОЦК обеспечивает подачу компенсирующего воз­ действия от возмущения Z0 на вход регулятора /Ср (р) ОКРН и нейтрализует изменение выходного напряжения от воздействия возмущения Z0, действующего одновре­ менно на объект регулирования и на регулятор ОКРН. Действие всех возмущений на выходное напряжение ПСН ослабляется также и за счет работы ОКРН.

3. ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ОСНОВНОГО КОНТУРА ПСН

Измерительно-преобразовательное устройство

Для анализа влияния возмущающих^ воздействий рассмотрим структурную схему основного контура ПСН (рис. 4). Принятая на рисунке разбивка контура на звенья объясняется тем, что на точность ПСН наи­ более сильное влияние оказывает нестабильность эле­ ментов, реализующих звенья, расположенные на входе цепи обратной связи ПСН и имеющие малую величину передаточной функции.

Естественно, что большое значение для ПСН имеет схемная реализация этих звеньев. Чтобы обеспечить замкнутую цепь воздействий или регулирование по от­ клонению, необходимо постоянно измерять выходной стабилизируемый параметр. Поэтому на выходе ПСН включено устройство, измеряющее регулируемую ве­ личину. Обычно измерительное устройство одновре­ менно преобразует измеренную истинную величину в ве­ личину, удобную для дальнейшей обработки. На выходе измерительно-преобразовательного устройства ИПУ из­ меренное значение стабилизированного параметра срав­ нивается сравнивающим устройством СУ с опорным (эталонным) значением, подаваемым от специального источника эталонного сигнала ИЭС. Разность между истинным и эталонным значениями регулируемой ве­ личины подается на усилительно-преобразовательное устройство УПУ,, с которого в свою очередь поступает

14

на вход регулирующего элемента РЭ. Для установки требуемого значения выходного напряжения служит задающее устройство ЗУ.

ИПУ служит для “непрерывного измерения истин­ ного значения стабилизируемого параметра и его коли­ чественного или качественного преобразования с целью пригодности последнего для сравнения с эталонным сиг­ налом и дальнейшей передачи разности на вход УЯУ. Для ПСН ИПУ должно быть возможно более точным>

Рис. 4. Структурная схема основного контура ПСН

стабильным, не обладать нелинейностью характеристик и инерционностью, а также потреблять минимум энер­ гии.

Обычно в ПСН для измерения напряжения получают измерительный сигнал от потенциометрического рези-

URi

стивного делителя-------1— , а для измерения тока полу-

R1 + Rг

чают измерительный сигнал от падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Очевидно, что при использовании резисторов для реа­ лизации ИПУ необходимо тщательно исследовать имею­ щиеся резисторы на точность и стабильность их номи­ нальных величин.

15

Источник эталонного сигнала и его преобразующее устройство

ИЭС служит для выдачи эталонного сигнала в СУ для сравнения с непрерывно измеряемым выходным сигналом ПСН. В качестве ИЭС в стабилизаторах обычно применяются кремниевые стабилитроны, крем­ ниевые диоды-стабилизаторы тока, а иногда и нормальные

элементы.

Нормальные элементы применяются в ПСН, пред­ назначенных, как правило, для работы в лабораторных условиях. Связано это в пер­ вую очередь с тем, что нор­ мальные элементы не выдер­ живают резких колебаний температуры окружающей среды, а также тряски и виб­ рации.

Большинство схем ПСН построено с применением в ИЭС параметрических стабилизаторов напряжения на кремниевых стабилитро­ нах. Параметрическими ста­ билизаторами называются устройства, использующие для стабилизации требуемо­ го параметра элементы, ко­

торые вследствие определенных физических процессов, протекающих в них, позволяют поддерживать стабили­ зируемый параметр неизменным с некоторой точностью и не имеющие для этого какой-либо цепи регулирования.

Использование при проектировании ПСН парамет­ рических стабилизаторов напряжения на кремниевых стабилитронах основано на том, что вольт-амперная характеристика последних (рис. 5) в области пробоя идет почти параллельно оси тока, т. е. напряжение в этой области мало изменяется при больших изменениях тока. Высокое внутреннее сопротивление стабилитрона до пробоя скачком уменьшается в десятки тысяч раз при

16

переходе в режим пробоя. Величина стабилизируемого напряжения зависит от характера полупроводникового материала и технологии его обработки.

К числу основных параметров стабилитронов обычно относят следующие:

1.Напряжение стабилизации Uc — падение напря­ жения на стабилитроне в области пробоя при заданном номинальном значении тока и определенной окружаю­ щей температуре.

2.Рабочий ток стабилитрона / с равен току через

стабилитрон в режиме пробоя / cmin< ^ c<:^cmax-

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика диода— стабилизатора тока

3. Динамическое сопротивление стабилитрона г„ —

ление стабилитрона переменному току и определяется крутизной вольт-амперной характеристики при неиз­ менной температуре.

4. Температурный коэффициент напряжения стаби­ лизации у определяет относительное изменение напря­

Параметрическим стабилизаторам, как и кремние­ вым стабилитронам, посвящено большое количество работ как в отечественной, так и зарубежной литературе

17 -

[10, 11, 15, 26]. Некоторые авторы наряду с перечис­ ленными выше основными параметрами дают ряд допол­ нительных параметров, требуемых для расчета парамет­ рических стабилизаторов. По имеющимся материалам можно грамотно рассчитать и спроектировать ИЭС для стабилизатора средней точности [10, 14, 15].

В настоящее время за рубежом для проектирования ИЭС часто стали использовать кремниевые диоды-ста­ билизаторы тока [23].

Диоды-стабилизаторы тока имеют участок вольтамперной характеристики (рис. 6), на котором при боль­

ток, протекающий через диод, остается почти постоян­ ным. Если такой диод включить последовательно с ре­ зистором, то на резисторе можно получить стабильное напряжение, мало зависящее от приложенного входного напряжения. К сожалению, такие диоды пока еще не обладают достаточно высокой температурной стабиль­ ностью, что не позволяет применять их для создания ИЭС в ПСН.

Преобразующее устройство эталонного сигнала ПУЭС (рис. 4) служит для количественного или качест­ венного. преобразования эталонного сигнала с целью получения сигнала, удобного для сравнения с сигналом, полученным от ИПУ, и подачи их разности на вход ре­ гулятора. По существу ПУЭС выполняет те же функции, что и ИПУ, но по отношению к ИЭС, поэтому к ПУЭС предъявляются точно такие же требования, как и к ИПУ, а в качестве ПУЭС используются такие же схемы, как и для ИПУ.

Сравнивающее устройство

Назначение СУ состоит в том, чтобы сравнивать сиг­ нал от ИПУ с сигналом от ИЭС и получающееся рас­ согласование подавать на вход УПУ. В практике проек­ тирования стабилизаторов известно довольно большое количество СУ, отличающихся схемными решениями, которые подробно рассмотрены в [12, 14]. Все СУ по­ строены на принципах сравнения напряжений или срав­ нения токов.

1.Схема сравнения напряжений (рис. 7). На схем

принято, что рассогласование АЕ — Еэт— Днст > 0.

18

Величина тока в контуре определится как

Лх + Я. + Л* Здесь ДЕ/Е — относительное значение напряжения рас­

согласования. Мощность источника эталонного сигнала

Рис. 7. Схема сравнения напряжений

УПТ — усилитель постоянного тока

Требуемая регулятором входная мощность

Если принять R x = R 2 = R, то получим выражения:

2Р + Ри

ДЕ/Е

Р ВХ ---- £ э т Я н :

2Р + Ри

19