книги / Электропитание устройств связи

нии на его коллекторе, равном нулю, и характеристики ТД. Сло­ жение осуществляется по оси токов (рис. 8.206).

Триггер управляется током. При увеличении входного тока триггера до величины 1т тих напряжение на его входе скачком уве­ личивается до величины 'UTiпах- На эту же величину скачком уве­

личится напряжение база—эмиттер транзистора Т4, при этом токи его базы и коллектора, а также выходное напряжение резко воз­ растут. При уменьшении входного тока триггера до величины Irmin

напряжения на входе триггера, а сооответственно и на переходе ба­ за—эмиттер транзистора Г4 резко уменьшаются, что приводит к

резкому уменьшению токов базы и коллектора Г4, и напряжение на выходе триггера становится равным нулю.

Схемы сравнения импульсных стабилизаторов аналогичны схе­ мам сравнения линейных стабилизаторов напряжения.

Стабилизатор рис. 8 .2 1 состоит из составного регулирующего транзистора (Тцг Г12); фильтра (Т^СнДг); схемы сравнения и уси-

Рис. 8 21. Схема импульсного стабилизатора на­ пряжения в релейном режиме

лителя постоянного тока (Ru Ra, R2, Д%, Rri, Ту, Ry); триггера, вы­

полненного на ГДД3, и транзисторе 7"<; промежуточного усилителя (Т3, Ri, Яз); транзистора Т2, предназначенного для запирания ре­

гулирующего транзистора; цепочки (Д А ), необходимой для увели­ чения частоты автоколебаний стабилизатора и элементов (Re, ДЭап, Д ь Сзап)* необходимых для надежного включения и запирания ре­

гулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на ТД и транзисторе. Как показано в [13], в таких схемах можно использовать триггер на транзисторах (триггер Шмитта), однако применение триггера на ТД позволяет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить количество используемых элементов.

На рис. 8 .2 2 изображены графики выходного напряжения ста­ билизатора, токов и напряжений транзистора Тц и диода Д 2, и то­ ка в дросселе Др\.

201

Рассмотрим принцип действия схемы рис. 8.2 1. На вход стаби­

чины, при которой срабатывает триггер (Т4, Дз). Триггер срабаты­ вает и ток коллектора Г4 скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы Г3 и Т%, транзисторы Т\2, Тн открыва­ ются, а емкость Сзап заряжается через сопротивление RQ. Напря­

пряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается, пока ток в дросселе ДрАбольше тока нагрузки, и затем начинает умень­ шаться.

При уменьшении выходного напряжения уменьшается положи­ тельный потенциал на базе транзистора Ту и его токи базы и кол­ лектора уменьшаются. В момент t2 напряжение на выходе умень­ шилось до величины СВЬ1Х—Af/'Tp/a, а ток коллектора Ту умень­

шился до величины тока отпускания триггера. Триггер срабаты­

202

вает, транзисторы Г4, Т3, Т2 закрываются, а транзисторы Ъ&, Тц от­

крываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регули­ рующего транзистора Гц, а соответственно и ток дросселя Дрь Та* ким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки изме­ няется скважность импульсов регулирующего транзистора, а сред­ нее значение выходного напряжения остается неизменным с опре­ деленной степенью точности. Как видно из принципа действия схе­ мы, стабилизаторы данного типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Существенным недостатком, ограничивающим область приме­ нения релейных стабилизаторов, является относительно большая амплитуда пульсации выходного напряжения. Амплитуда пульса­ ции выходного напряжения зависит от величины порогов срабаты­ вания триггера, коэффициента усиления усилителя и от коэффи­ циента затухания фильтра стабилизатора. Повышение резонансной частоты фильтра при постоянных значениях порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и коэффициента зату­ хания фильтра стабилизатора пропорционально увеличивает часто­ ту автоколебаний, не изменяя амплитуды пульсации выходного на­ пряжения.

Коэффициент затухания фильтра повышают, увеличивая индук­ тивность дросселя при соответствующем уменьшении емкости филь­ тра (из условия постоянства резонансной частоты фильтра). При больших значениях коэффициента затухания резко возрастают га­ бариты стабилизатора. Однако даже при нулевых порогах сраба­ тывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания не удается полу­ чить малую амплитуду пульсации.

Как известно из теории релейных систем автоматического ре­ гулирования, повышение частоты автоколебаний при неизменных параметрах фильтра, порогах срабатывания триггера и коэффи­ циенте усиления усилителя, может быть достигнуто введением до­ полнительных ускоряющих элементов. В качестве такого ускоряю­ щего элемента в данной схеме используется цепочка из конденса­ тора Q и резистора R9. Значительное увеличение частоты автоко­

лебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера значительно снижает амплитуду пульсации.

Схема рис. 8.23 мало чем отличается от схемы рис. 8.21. Отли­ чие заключается в том, что вместо резистора Дзап в схеме установ­ лены диоды Д 5. Использование в схеме запирания диодов позволяет

ограничить напряжение на конденсаторе. Сзап. Кроме того, при из­ менении входного напряжения амплитуда напряжения на Сзап из­ меняется незначительно. Постоянство амплитуды запирающего на­ пряжения особенно важно, если в качестве регулирующих приме­ няются высокочастотные транзисторы, у которых обратное напря­ жение база—эмиттер мало и строго ограничено по величине.

В отличие от схемы рис. 8.21 данный стабилизатор работает в режиме ШИМ. На вход усилителя через разделительный конден­

2 03

сатор от внешнего источника подается переменный сигнал. Форма сигнала может быть пилообразной или синусоидальной.

Рассмотрим принцип действия схемы при пилообразном воздей­ ствии. На рис. 8.24 изображены графики, поясняющие работу ста­ билизатора в режиме ШИМ.

Рис. 8.23. Импульсный ШИМ стабилизатор напря­ жения

На базу усилительного транзистора подается пилообразный сиг­ нал и постоянное смещение UC\ с делителя RiR^Rz.

В момент t\ напряжение на базе усилительного транзистора

достигло величины, при которой ток коллектора Гу равен току сра­

204

разом, триггер, а соответственно и регулирующий транзистор не­ прерывно переключаются за счет внешнего переменного сигнала.

Предположим, напряжение на входе стабилизатора увеличилось до величины U02. При этом напряжение смещения на базе усили­ тельного транзистора увеличилось до величины f/CM2. Как видно из

рис. 8.24, увеличение смещения увеличивает время открытого со­ стояния транзисторов Г4, Тъ> Г2. Время открытого состояния тран­ зисторов Тп, Та при этом уменьшается. Соответственно уменьша­

ется время импульса на входе фильтра, а среднее значение выход­ ного напряжения возвращается к первоначальному с определенной степенью точности.

8.5. СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, по срав­ нению с линейными стабилизаторами, позволяют получить более высокий КПД и значительную выходную мощность. Однако за­ труднения, связанные с необходимостью подавления пульсации вы­ ходного напряжения, усугубляющиеся с ростом выходной мощно­ сти, а также худшие качественные показатели импульсных стаби­

лено последовательно с регулирующим транзистором (РТЛ) непре­

рывного стабилизатора. Напряжение на резисторе изменяется пропорционально току непрерывного стабилизатора.

При подключении стабилизатора к источнику постоянного на­ пряжения Uо начинает увеличиваться ток регулирующего транзи­ стора (РТп) непрерывного стабилизатора и напряжение на резисто­ ре Rn увеличивается. При определенной величине напряжения на этом сопротивлении срабатывает триггер (Т) и включает регули­ рующий транзистор (РТИ) импульсного стабилизатора. Ток дроссе­ ля (Др), установленного последовательно с регулирующим тран­

зистором импульсного стабилизатора, начинает увеличиваться, на­ пряжение на выходе (UBblx) увеличивается, а ток непрерывного

стабилизатора уменьшается. Ток непрерывного стабилизатора бу­

205

срабатывает, и регулирующий транзистор импульсного стабилиза­ тора закроется. За время закрытого состояния регулирующего транзистора дроссель Др разряжается через диод Д на нагрузку,

и напряжение на выходе стабилизатора уменьшается. Уменьшение напряжения на выходе вызывает увеличение тока непрерывного стабилизатора, напряжение на резисторе RB увеличивается, вновь срабатывает триггер (Т), регулирующий транзистор импульсного стабилизатора (РТИ) открывается, и процесс повторяется.

При увеличении входного напряжения стабилизатора U0 увели­

чивается скорость нарастания тока непрерывного стабилизатора, что уменьшает время открытого состояния регулирующего тран­ зистора импульсного стабилизатора. В результате этого выходное напряжение остается неизменным с определенной степенью точ­ ности.

При уменьшении сопротивления нагрузки увеличивается ско­ рость спада тока непрерывного стабилизатора, что уменьшает вре­ мя закрытого состояния регулирующего транзистора (РТШ), и вы­ ходное напряжение UBbix остается неизменным с определенной сте­

пенью точности. При уменьшении напряжения на входе стабилиза­ тора и увеличении сопротивления нагрузки схема работает анало­ гично.

Ток в дросселе *Др и ток регулирующего транзистора непрерыв­ ного стабилизатора /р состоят из постоянных и переменных состав­

противлении нагрузки стабилизатора равен сумме этих токов. Чем ближе по величине переменные составляющие токов i Др^ и ;р^, тем

меньше величина переменной составляющей тока в сопротивлении нагрузки и тем меньше переменная составляющая (пульсация) вы­ ходного напряжения стабилизатора.

Величина переменной составляющей тока непрерывного стаби­ лизатора ip^ зависит от коэффициента усиления цепи обратной

связи.

Если коэффициент усиления равен бесконечности, то переАменные составляющие токов равны (7Др^ = / р~), и переменная состав­ ляющая (пульсация) выходного напряжения будет равна нулю. Из этого следует, что увеличение коэффициента усиления цепи ОС уменьшает переменную составляющую выходного напряжения.

В реальных схемах амплитуды пульсации выходного напряже­ ния непрерывных и непрерывно-импульсных стабилизаторов соиз­ меримы.

Среднее значение тока регулирующего транзистора непрерыв­ ного стабилизатора зависит от порогов срабатывания триггера и не зависит от величины входного напряжения £ /0 и тока нагрузки iB. Пороги срабатывания триггера по величине выбираются такими, что среднее значение тока регулирующего транзистора непрерыв­ ного стабилизатора во много раз меньше среднего значения тока дросселя.

2 0 6

Таким образом, основная мощность от источника в нагрузку передается ключевым стабилизатором, а непрерывный стабилиза­ тор выполняется на небольшую мощность, и потери в его регули­ рующем транзисторе малы. Огсюда следует, что КПД непрерывно­ импульсного стабилизатора близок по величине к КПД импульсно­ го стабилизатора.

8.6. СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

СРЕГУЛЯТОРОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Вряде случаев, например, в высоковольтных стабилизаторах напряжения, регулирующий элемент включается в цепь перемен­ ного тока.

Вкачестве таких регулирующих элементов используются маг­ нитные усилители с самонасыщением, транзисторы, включенные по определенной схеме, тиристоры и т, д.

Магнитный усилитель с самонасыщением (рис. 8.26) состоит из двух сердечников А и Б, выполненных из материала с прямоуголь-

АБ

WCM Мсм

Рис. 8 26. Схема стабилизатора постоянного напря­ жения, в качестве регулирующего элемента, в кото­ рой используется магнитный усилитель

ной петлей гистерезиса. На каждом из сердечников располагаются рабочая обмотка (обмотка переменного тока), обмотки управле­ ния и смещения.

Вцепь рабочих обмоток МУ включены диоды, благодаря чему

напряжение сети оказывается приложенным к рабочей обмотке в течение одного полупериода, который называется рабочим.

Винтервале рабочего полупериода индукция в одном из сердеч­

ников (например, А) изменяется от минимального значения £ у,

обусловленного ампер-витками обмоток управления и смещения, до индукции насыщения В

До тех пор пока индукция в сердечнике А не достигла индук­

ции насыщения индуктивное сопротивление рабочей обмотки ве­ лико, и напряжение на первичной обмотке трансформатора прибли­ зительно равно нулю. Как только произошло насыщение сердеч­ ника, сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается. Напря­

207

жение сети почти полностью прикладывается к первичной обмотке трансформатора. Для сердечника Б этот полунериод является уп­

равляющим. Под действием напряжений, приложенных к обмот­ кам управления и смещения, он перемагничивается, и его индук­ ция изменяется от индукции насыщения Bs до величины, равной By. Другой полупериод для сердечника Б является рабочим, а для сердечника А управляющим и т. д.

Ампер-витки обмоток управления и смещения МУ направле­ ны встречно, причем Awy~>Awсм.

При увеличении тока в обмотке управления МУ увеличивают­

ся суммарные ампер-витки обмоток смещения и управления, что увеличивает индукцию Ву. Увеличение индукции Ву приводит к

уменьшению времени насыщенного состояния сердечников и к уменьшению напряжения на первичной обмотке трансформатора.

Магнитный усилитель с самонасыщением можно эквивалент­ но представить в виде ключа. Замкнутому состоянию ключа со­ ответствует интервал времени, в котором сердечник МУ насыщен.

Время замкнутого состояния ключа изменяется в зависимости от изменения суммарных ампер-витков обмотки управления и сме­ щения. Увеличение тока управления уменьшает время замкнутого состояния ключа, и напряжение на первичной обмотке трансфор­ матора уменьшается.

Обмотки управления МУ в схеме рис. 8.26 включены последо­ вательно с транзистором Ту. Обмотки смещения МУ питаются от выходного напряжения стабилизатора через резистор ЯСм-

При изменении выходного напряжения стабилизатора, напри­ мер, увеличении, увеличивается напряжение на резисторе Яг, что увеличивает отрицательный потенциал на базе транзистора Ту и

его базовый и коллекторный токи. В результате увеличивается ток в обмотках управления МУ, что увеличивает суммарные ампер-

витки обмоток управления и смещения, а следовательно, уменьша­ ет время насыщенного состояния сердечников МУ.

Напряжение на обмотках трансформатора уменьшается, и вы­ ходное напряжение стабилизатора возвращается к своему перво­ начальному значению.

Достоинствами такой схемы являются: достаточно большие ко­ эффициенты стабилизации и полезного действия.

Стабилизаторы данного типа широко применяются, когда тре­ буется получить относительно большие токи нагрузки (от единиц до нескольких десятков ампер).

Недостатками таких схем являются: искажение формы напря­ жения на зажимах первичной и вторичной обмоток, т. е. увеличе­ ние коэффициента пульсации на выходе выпрямителя, необходи­ мость увеличения индуктивности обмотки дросселя Дрi и емкости

конденсатора фильтра Сн.

Рассмотрим рис. 8.27. Поскольку транзистор является однона­ правленным элементом, для его работы в цепях переменного тока его включают через диоды Д\—Дь которые обеспечивают прохож­

дение переменного тока через первичную обмотку трансформатора

208

Трг, при этом ток через транзистор не меняет своего направления.

Как видно из рис. 8.27, ток первичной обмотки трансформатора Тр2 в один полупериод протекает через диоды Д% Д 3 и транзистор Ти а в другой — через Ди Д 4 и 7Y Ток через транзистор Г4 имеет

пульсирующий характер, но не меняет своего направления.

зволяет использовать в схеме

Стабилизатор (рис. 8.28) состоит из двух силовых трансформа­ торов {Tpi, Тр2); схемы умножения напряжения (Сi—С^ Д 9—Ди),

измерительного выпрямителя (Дi3—Ди), сравнивающего делителя (RiRnRz), усилителя постоянного тока (Ту, Т'у) параметрического стабилизатора (Rri, Де, R&, Дъ Ms), являющегося источником опор­ ного напряжения, и регулирующего элемента (Д{—Д 4, Та, Ti2),

Рис. 8.28. Схема высоковольтного стабилизатора посто­ янного напряжения на транзисторах

включенного в цепь первичной обмотки трансформатора Трь

В схеме, для разделения высоковольтной цепи с цепями управ­ ления, напряжение обратной связи снимается с измерительного выпрямителя, который питается от низковольтной обмотки транс­ форматора Тр2.

209

Принцип действия схемы заключается в следующем. При уве­ личении напряжения сети в первый момент увеличивается напря­ жение на выходе схемы умножения и на выходе измерительного выпрямителя. Это вызывает увеличение напряжения на нижнем плече сравнивающего делителя, которое сравнивается с опорным напряжением f/0n. Уменьшается отрицательный потенциал на базе транзистора Ту, а отрицательный потенциал на базе транзистора Ту увеличивается. Это уменьшает базовый и коллекторный токи транзистора Ту и увеличивает базовый и коллекторный токи тран­ зистора Ту. Увеличивается напряжение на сопротивлении R'y, что уменьшает отрицательный потенциал на базе транзистора Т3 и его

базовый ток. Увеличивается сопротивление составного регулирую­ щего транзистора (Та. Т\2), и напряжение на регулирующем эле­

менте возрастает. Напряжение первичной обмотки трансформатора Трч уменьшается, и выходное напряжение стабилизатора возвра­

щается к своему первоначальному значению с определенной сте­ пенью точности. При уменьшении напряжения сети схема работает аналогично. В качестве регуляторов в цепи переменного тока мо­ гут быть применены тиристоры.

Тиристорные регуляторы, но сравнению с транзисторными, мо­ гут пропустить значительно большие токи и выдерживать значи­ тельно большие напряжения. В связи с этим стабилизаторы нап­ ряжения на тиристорах могут быть выполнены на значительно большие выходные мощности, нежели стабилизаторы на транзи­ сторах.

Стабилизатор (рис. 8.29а) состоит из регулирующего элемента, выполненного на тиристорах Д 3, Д\ и диодах Д\, Д2, трансформа­ тора Три выпрямителя В, фильтра Ф, схемы сравнения СС, уси­ лителя постоянного тока У и схемы управления тиристорами СУ.

На управляющие электроды тиристоров от схемы управления поступают положительные импульсы.

В первый полупериод напряжение на аноде тиристора Дз поло­ жительно (рис. 8 296). Однако в интервале 0— 1 он закрыт, так

как на его управляющий электрод не подан положительный им­ пульс. В этом интервале все напряжение сети падает на закрытом тиристоре Дз., а напряжение на первичной обмотке трансформатора Ut равно нулю. В момент времени tt на управляющий электрод

тиристора подан положительный импульс от схемы управления, и он открывается.

В интервале 1—2 тиристор Дз открыт, и напряжение сети че­ рез тиристор Дз и диод До подключается к первичной обмотке трансформатора. В интервале 1—2 напряжение щ равно напря­ жению сети. Начиная с момента времени t2, к тиристору Д 3 при­

кладывается обратное напряжение, и он закрыт.

Во втором полупериоде на аноде тиристора Дк положительное напряжение, однако он закрыт до момента времени t3, и в интер­ вале 2—3 напряжение щ равно нулю. В момент U на его управ­

ляющий электрод подается положительный импульс, и с этого момента времени напряжение щ повторяет напряжение сети.

21 0