串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在，社會(huì)科學(xué)的信息技術(shù)正在迅速發(fā)展，人們的生活在電子設(shè)備上。在電子產(chǎn)品日新月異、迅猛發(fā)展的今天,電源作為用電設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源,其相對(duì)電子產(chǎn)品的重要程度就如心臟對(duì)于人類一樣。電源性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能參數(shù)和穩(wěn)定性。串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源要比參數(shù)型穩(wěn)壓電源電路復(fù)雜,它的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身的耐壓限制,而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以做得很高。1自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng),有執(zhí)行元件和反饋回路。一般情況下,它包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源及誤差比較放大器等主要部分。調(diào)整管是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其余部分都是反饋控制回路所必需的,原理框圖見(jiàn)圖1所示。從方框圖上可以看出,輸入電壓Ui經(jīng)過(guò)調(diào)整元件調(diào)節(jié)之后,變成穩(wěn)定的輸出電壓Uo,其執(zhí)行動(dòng)作是在誤差比較放大器的控制下進(jìn)行的。取樣電路和基準(zhǔn)電壓相比較,并把比較后的誤差信號(hào)送入放大器,增強(qiáng)反饋控制效果。因?yàn)槿拥脕?lái)的是電壓信號(hào),所以這種電源實(shí)際上是一個(gè)以電壓作為調(diào)節(jié)對(duì)象的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),其調(diào)節(jié)模式如圖2所示。圖2中,Ko為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)時(shí)的電壓傳遞函數(shù),也就是開(kāi)環(huán)穩(wěn)壓系數(shù);KT為執(zhí)行機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)的電壓傳遞函數(shù),也就是調(diào)整管電路的電壓放大倍數(shù);K是誤差放大器開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù);n為取樣電路的電壓傳遞函數(shù),也就是取樣分壓器的分壓比。根據(jù)調(diào)節(jié)原理可知,該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)函數(shù)為:由公式可知,無(wú)論輸入電壓波動(dòng)還是負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響:反饋系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的1/(1+nKTK)倍。更具體來(lái)說(shuō),就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等主要技術(shù)性能方面,都是以硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源為代表的參數(shù)型穩(wěn)壓電源的(1+nKTK)倍,這就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源比參數(shù)型穩(wěn)壓電源應(yīng)用得更普遍的主要原因。參數(shù)型穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓原理是通過(guò)改變調(diào)整元件的動(dòng)態(tài)電阻,增大或減小流過(guò)調(diào)整元件的電流以引起限流電阻上壓降的變化,致使輸出電壓基本保持穩(wěn)定的。串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓原理則是調(diào)整元件的動(dòng)態(tài)電阻,它是隨輸出電壓的變化而自動(dòng)改變的。假如由于負(fù)載電阻RL減小,使輸出電壓Uo有所降低,調(diào)整元件的動(dòng)態(tài)電阻便會(huì)自動(dòng)變小,從而使調(diào)整元件兩端的壓降降低,確保輸出電壓Uo趨近原來(lái)的數(shù)值。如果是由于電網(wǎng)電壓升高或負(fù)載變大使輸出電壓偏高時(shí),調(diào)整原理及其過(guò)程正好相反。串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制,而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以做得很高。缺點(diǎn)是線路比較復(fù)雜,過(guò)載能力差,瞬時(shí)過(guò)載會(huì)使調(diào)整元件損壞,需要過(guò)載保護(hù)。因此,串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源廣泛用在負(fù)載變動(dòng)較大,穩(wěn)壓性能要求較高,輸出電壓可調(diào)等場(chǎng)合。2串聯(lián)反饋式水壓電路圖3是一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。晶體管VT做調(diào)整元件,Eb做基準(zhǔn)電壓源,它給晶體管提供一個(gè)固定的偏壓使其能正常工作。當(dāng)負(fù)載變小或輸入電壓Ui變大,使得負(fù)載兩端的輸出電壓Uo增大時(shí),由于基準(zhǔn)電壓不變,所以晶體管的基極電位Ub也不變,那么基-射極電壓Ube(Ube=Ub-Uo)將減小,從而Ib減小,管壓降Uce增大,使輸出電壓Uo減小,抵消了由于電網(wǎng)電壓的增加或負(fù)載減小引起的Uo的增加,使輸出電壓Uo基本不變。簡(jiǎn)單串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路是直接利用輸出電壓的變化量來(lái)控制調(diào)整管的電壓Uce的變化,所以靈敏度和電壓穩(wěn)定的性能都不夠理想。如果使用帶有放大器的穩(wěn)壓電路就可以彌補(bǔ)這些不足,如圖4所示。圖4是一個(gè)帶有放大器的典型電路,其中VT1是調(diào)整管,接成射極輸出器的形式,負(fù)載電阻RL是它的射極電阻。R1、R2與RL并聯(lián)組成分壓器,起到取出輸出電壓的作用,所以叫做取樣電路。VD是硅穩(wěn)壓二極管,它與限流電阻R3一起組成基準(zhǔn)電壓源。VT2是比較放大器,R4是集電極電阻,同時(shí)也是VT1的偏流電阻。晶體管VT2把從取樣電路送來(lái)的輸出電壓上升或下降的變化信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較,并把比較結(jié)果產(chǎn)生的差值電壓(誤差電壓)加以放大,以此來(lái)控制調(diào)整管VT1的壓降Uce1,從而使輸出電壓基本保持穩(wěn)定。因?yàn)榉糯笃鞯淖饔?輸出電壓很小的變化,反映到調(diào)整管Uce1上就有比較大的變化,從而大大提高了調(diào)整的靈敏度和輸出電壓的穩(wěn)定性。由于增加了放大器,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓器性能有了很大的提高,穩(wěn)壓系數(shù)約為0.05~0.01;輸出電阻Ro大約為0.1~0.01Ω,溫度系數(shù)近似為1~10mV/℃。3新型組合式晶體電源穩(wěn)定電路3.1高效源電源電路a點(diǎn)電位穩(wěn)定性分析從帶有放大器的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路圖4可以看出,它的輸出電壓可以表示為:式中,UR4=(Ic2+Ib1)R4是R4上的壓降。當(dāng)輸入電壓Ui發(fā)生突然跳變時(shí),由于UR4還來(lái)不及調(diào)整,輸出電壓Uo將發(fā)生同樣的跳變,因而影響穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以把R4接在穩(wěn)定輔助電源上,以減小輸入電壓變動(dòng)帶來(lái)的影響,如圖5所示。圖5中,R5和硅穩(wěn)壓管VD2組成輔助電源,使A點(diǎn)電位保持穩(wěn)定。這樣,在輸入電壓Ui發(fā)生變化時(shí),就不會(huì)通過(guò)R4直接影響輸出電壓了,從而提高了穩(wěn)定性能。但是也帶來(lái)一些不利的因素,一是增大了調(diào)整管的集電極功耗,這是因?yàn)殡娐分卸嗔薘5,所以Uce1=UR5+UR4+Ube1,比未加輔助電源時(shí)多了一項(xiàng)UR5;二是由于UW2的值要大于Uo的值,VD2一定要是穩(wěn)壓電壓值較高的硅穩(wěn)壓管,此類穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻大,因此UW2的穩(wěn)定性差。為克服圖5電路的不足之處,可采用圖6(a)改進(jìn)電路。這種電路UW2一般小于輸出電壓Uo,VD2采用穩(wěn)壓指標(biāo)較低的穩(wěn)壓管,因此VD2的動(dòng)態(tài)電阻小,UW2比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)就是VT1管Uce1必須比較大,才能保證VD2有較好的穩(wěn)壓性能,這樣也加大了調(diào)整管的集電極功耗。解決調(diào)整管集電極功耗增大的問(wèn)題,可以采用一個(gè)獨(dú)立的直流輸入電源Ui單獨(dú)給R5和VD2組成的輔助電源供電,如圖6(b)所示。在高性能串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源中,一般都采用這種形式的輔助電源,但電路相對(duì)比較復(fù)雜。圖6接入輔助電源的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的改進(jìn)電路由于增加了輔助電源,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善。由于增加了輔助電源,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源的瞬態(tài)穩(wěn)定性得到了很大的改善,穩(wěn)定系數(shù)和輸出電阻也都下降了很多,很容易做到S=0.001,Ro=0.1Ω量級(jí)的優(yōu)良穩(wěn)定特性。3.2恒流源一般電極電壓的應(yīng)用在串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路中,比較放大器的增益越大,穩(wěn)壓性能就越好,為了提高放大器的增益,R4的值應(yīng)盡可能選大些。因?yàn)檎{(diào)整管的集-射極之間的電壓不能太高,否則集電極功耗太大,一般在3~10V的范圍內(nèi)選值。又IR4R4=Uce1-Ube1,如果R4選的很大,IR4反而很小,會(huì)使放大器增益降低。為了解決這個(gè)矛盾,可以采用恒流源代替電阻R4,如圖7所示。圖7(a)中VD2的穩(wěn)定電壓使VT3的IC3保持穩(wěn)定,構(gòu)成了恒流源。R5用來(lái)提高IC3的恒流特性。在恒流的運(yùn)行下,VT3對(duì)交變電壓呈現(xiàn)極大的動(dòng)態(tài)電阻,相當(dāng)于放大管VT2接入很大的集電極電阻R4,因此比較放大器有很大的電壓增益,從而提高了穩(wěn)壓特性。與此同時(shí),恒流源之間直流壓降不大,調(diào)整管的壓降及集電極的功耗都不會(huì)太大。用恒流二極管做為恒流管,代替放大管VT2的集電極電阻R4,同樣可以提高穩(wěn)壓源電路的穩(wěn)定性,如圖7(b)所示。恒流二極管是一種能在很寬的電壓范圍內(nèi)提供恒定電流的新型器件。它的直流電阻低,交流電阻高達(dá)1MΩ以上,可使放大管增益提高很多,從而大大改進(jìn)了電路的性能。3.3差動(dòng)放大器放大級(jí)采用單管共射直流放大器作比較放大的穩(wěn)壓電路,電路簡(jiǎn)單但溫度穩(wěn)定性差,并且供給基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)壓管VD接在放大管的發(fā)射極上,放大管的發(fā)射極電流要流過(guò)VD。由于穩(wěn)壓管有一定的內(nèi)阻rW,因此在調(diào)整過(guò)程中放大管電流變化就會(huì)引起穩(wěn)定電壓UW的相應(yīng)變化,從而造成輸出電壓的不穩(wěn)定。因此就需要差動(dòng)放大器作比較放大級(jí),如圖8所示。圖8中,如果由于輸入電壓變動(dòng)或負(fù)載變化致使輸出電壓增加時(shí),則通過(guò)取樣電路使VT4基極對(duì)地的電壓增加。而VT3的基極接穩(wěn)壓管,它的基極電壓固定不變,那么差動(dòng)放大器中VT4的集電極電流將與取樣電壓和基準(zhǔn)電壓之差成比例增大,使得VT4的集電極電阻R4上的壓降UR4增加。UW2為輔助電源中穩(wěn)壓管VD2的穩(wěn)定電壓,Ube1和Ube2為調(diào)整管VT1和VT2基極與發(fā)射極間電壓。因?yàn)閁W2穩(wěn)定不變,所以當(dāng)UR4增加時(shí),Ube1+Ube2減小,結(jié)果使調(diào)整管的集電極電流減小,管壓降Uce1加大,抵消了輸出電壓的增大,使Uo基本