Файл: Федосеев П.Г. Основы проектирования транзисторных стабилизаторов напряжения учеб. пособие для студентов специальности 0615 Звукотехника.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.07.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
Переходные процессы в стабилизаторе могут иметь различ ный характер в зависимости от возмущений, режима работы (в частности исходного режима, предшествующего наступлению
переходного |
процесса), |
построения |
схемы' |
стабилизатора, |
|||||
а также в связи с тем, что стабили |
|
|
|||||||
затор |
и выпрямительное |
устройство |
|
|
|||||
образуют |
единую динамическую си |
|
|
||||||
стему и переходные процессы в по |
|
|
|||||||
следнем |
могут |
существенно |
ска |
|
|
||||
заться на характере процессов в |
|
|
|||||||
стабилизаторе. |
|
|
|
|
|
|
|||
Следует различать |
переходные |
|
|
||||||
процессы |
«в |
малом», когда |
актив |
|
|
||||
ные элементы |
(транзисторы) |
не вы |
|
|
|||||
ходят за границы |
приближенно ли |
|
|
||||||
нейных участков |
характеристик, т. е. |
|
|
||||||
стабилизатор |
может считаться |
ли |
|
|
|||||
нейной системой, и переходные про |
|
|
|||||||
цессы «в большом», когда линей |
|
|
|||||||
ность нарушается из-за |
наступле |
|
|
||||||
ния |
режимов |
насыщения, |
отсечки |
|
|
||||
и т. п. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Типичные |
переходные характе |
Рис. 1.3 |
|||||||
ристики |
стабилизатора |
«в |
малом» |
||||||
показаны |
на рис. 1.3 и 1.4. |
|
|
|
|
||||
Стабилизаторы, не имеющие |
-емкости |
Сн на |
выходе (либо |
малую емкость), могут иметь колебательную переходную харак теристику (рис. 1.3):
М ' ) = Д Ц , Е ( ^ ) + Д ^ , Е ( + 0 ) - е - г ' - С О З ( ш ^ - фк ); h, (0 = Шн1 ( с о ) - Шп1 ( + 0).e-s '-cos (<ок* - 6К ),
где ^ н я ( ° ° ) , ДЦ,/( с о ) — установившаяся погрешность при.
/—>- со;
^U„E(+ 0), Шн1 ( + Oj,— предельно возможное отклонение выходного напряжения после сту пенчатого возмущения (при /->-0);
шк — частота собственных колебаний; б — коэффициент затухания.
Относительное значение максимального отклонения выход-
ного напряжения во время |
переходного процесса |
иЕ ( '„) |
||||
и,mV |
||||||
|
|
|
|
|
||
и |
называют выбросом |
переходной |
характеристики, |
|||
|
|
|
|
|
||
а промежуток времени Тр= |
—; |
в течение |
которого переход- |
ная составляющая уменьшается до 3—5% от максимального значения ее—временем регулирования.
13
Когда стабилизатор имеет достаточно большую емкость на.
выходе, то переходный |
процесс носит |
апериодический характер |
|||
(рис. 1.4): |
^ |
|
|
|
|
К О = 4 £ / 1 1 Е |
(«>)•+ Д Ц 1 Е |
( + |
0) |
|
~ |
или |
|
|
|
|
|
А, (() = Д£/н / |
(оо) + Ш1и |
( + |
0) |
(е-».' - |
« - s><) |
К тт |
/ |
|
|
|
|
/-дие (ю>е
ад
\
д ч
Рис. 1.4
Для получения апериодического переходного процесса по рекомендации ряда авторов [2, 5] следует выбирать емкость С н из условия
где Г г = — |
= |
1 + / г г 1 э |
постоянная времени |
исполнительного |
|
транзистора |
с |
граничной частотой ш ~ |
|
— в схеме ОЭ. |
|
|
|
|
р |
1 + |
л 2 1 э |
Длительность переходных процессов обычно составляет де сятки — сотни микросекунд.
14
На начальную стадию переходного процесса оказывает влия ние индуктивность конденсатора Св и монтажных проводов. Это влияние проявляется часто в виде кратковременных дополни тельных выбросов, показанных на рис. 1.3, 1.4 пунктиром. Наи более полно переходные характеристики исследованы Ю. В. Сафрошкиным [5].
Переходные процессы «в большом» могут быть вызваны перегрузками, чрезмерно большими скачками напряжения сети либо неудовлетворительными переходными характеристиками выпрямителя, когда стабилизатор работает вблизи границы диапазона стабилизации.
U
О |
. i |
Рис. 1.5
Переходная характеристика системы выпрямитель — стаби лизатор, если известны собственные переходные характеристики стабилизатора hE(t) и выпрямителя hB(t), определяется инте гралом свертки (интегралом Дюамеля):
|
М О |
= |
К (0) • К (О + \ К (*) •hz |
v - |
-о |
^ |
|
|
Поскольку liE(t) |
|
о |
|
|
|
|
|
|
характеризуется временем |
регулирования |
по |
||||||
рядка |
десятков |
микросекунд, а /гв(0 |
— порядка |
десятых долей |
||||
секунды, то в интервале переходной |
характеристики стабилиза |
|||||||
тора |
hE(t)величину |
/гв(0 можно считать неизменной. Учет |
hB(t) |
|||||
важен |
в этом случае с точки зрения |
определения |
возможности |
захода транзисторов стабилизатора в нелинейный р.ежим насы щения (или отсечки), когда транзисторы теряют управляемость и характер изменения напряжения на выходе определяется пере ходным процессом в фильтре выпрямителя. На рис. 1.5 показан
1.5
случай, когда переходный процесс в выпрямителе с L-C-фильт- ром вызывает периодическое наступление режима насыщения исполнительного транзистора на нижней границе диапазона стабилизации. Кривая выходного напряжения имеет при этом периодические провалы.
Чтобы исключить подобные явления, следует использовать выпрямители с емкостным фильтром, обладающие апериодиче ской переходной характеристикой.
Частотные характеристики
Частотные характеристики позволяют оценить реакцию ста билизатора на возмущения периодического характера. К таким возмущениям относятся, например, пульсации напряжения на выходе выпрямителя либо периодические изменения тока на грузки, в частности тока, потребляемого усилителями звукового диапазона частот, генераторами, электронной аппаратурой, ра ботающей в импульсном режиме (мультивибраторами, блокинггенерато.рами и т. п.). В связи с этим имеют практическое зна чение:
1. Частотная характеристика коэффициента стабилизации
и(со) =Fi (to), 0<a><C°o.
2.Частотная характеристика выходного сопротивления ста
билизатора Zicr(cu) =F2(®), |
0 < ш < о о . |
Определение частотных |
характеристик является сложной |
задачей, так как необходимо знать не только зависимость ком плексного коэффициента петлевого усиления от частоты
(4)
(5)
а также выходного сопротивления стабилизатора при разомкну той обратной связи
ZjP (/io) = Zp (o)).e
Допустим, что QBI(CO), QB2(W), 2i p ((o) =/?,-р не зависят от ча стоты. Тогда, используя (1), получим
X((D) = V\ +/CgQo) + 2 f t p ( » ) созу р (ш) U.
(6)
Rip |
(7) |
|
16
Отсюда видно, что в той области частот (со > сос ), где наступает заметный спад частотной характеристики /<р(со), коэффициент стабилизации снижается, а выходное сопротивление стабилиза тора переменному току возрастает (рис. 1.6). Поэтому, когда требуется выполнить стабилизатор, хорошо работающий при возмущениях, характеризующихся широким частотным спект ром, необходимо использовать транзисторы с высокой гранич-
1 Кр(ь>)
Rip® |
|
|
|
~ |
Ь)с |
"73 |
|
|
Рнс. 1.6 |
|
|
ной частотой. Кроме того, необходимо |
принимать меры |
для |
|
уменьшения монтажных паразитных емкостей и в каскадах |
ОЭ |
||
не применять больших сопротивлений в цепи коллектора. |
|
||
В некоторых случаях |
малое выходное |
сопротивление на |
вы |
соких частотах получают не за счет эффекта стабилизации, а пу тем шунтирования выходных зажимов стабилизатора емкостью. Тогда
|
|
1 |
Rip |
|
|
* 1 | |
V («CnRivy + 1 |
||
и выходные сопротивления стабилизатора |
|
|||
V [1 |
+ |
2/Ср («о) cosT p (o.)] [{«CnRipy+ |
1] |
|
где сос — частота, |
выше |
которой |
наступает спад |
частотной ха |
рактеристики коэффициента усиления. |
^ |
Го'-.. пус"имная |
Г' |
17 |
§ 3. УСТОЙЧИВОСТЬ СТАБИЛИЗАТОРА
Под устойчивостью понимают способность системы возвра щаться в положение равновесия после прекращения внешнего воздействия, вызвавшего отклонение от равновесного состояния. В системах автоматического регулирования чаще всего наблю дается колебательная неустойчивость, проявляющаяся в пери
одических колебаниях регулируемой величины (в данном |
слу |
чае— выходного напряжения) относительно некоторого |
сред |
него значения. |
|
Неустойчивый стабилизатор неработоспособен. Поэтому обес печение устойчивости является важнейшим этапом проектирова ния или экспериментальной наладки стабилизатора.
Точный аналитический расчет устойчивости стабилизатора практически выполнить невозможно, так как процессы в много каскадных транзисторных схемах весьма сложны, существенное влияние оказывают паразитные гальванические емкостные и индуктивные связи, параметры и характеристики транзисторов имеют большой разброс и, строго говоря, нелинейны.
Поэтому при аналитическом описании поведения стабилиза тора неизбежны упрощения и допущения, которые искажают реальную тонкую структуру стабилизатора и происходящих в нем процессов. Из сказанного, однако, не следует, что теорети ческое исследование невозможно и не дает полезных для прак тики результатов. Экспериментальная настройка и обеспечение устойчивости, если они проводятся вслепую, без использования выводов и закономерностей, вытекающих из теоретического исследования, могут значительно ухудшить динамические пока затели стабилизатора, привести к неоправданно большим за тратам времени и средств и ненадежным результатам. Общая теория устойчивости излагается в литературе, посвященной
теории систем |
автоматического регулирования |
и усилителей |
с обратной связью. |
|
|
Рассмотрим |
кратко некоторые основные ее |
положения и |
следствия, важные для практики.
К числу наиболее удобных с точки зрения инженерной прак тики относится частотный метод исследования устойчивости. В одноконтурной системе с обратной связью вопрос об устойчи вости может быть решен путем исследования комплексных коэф
фициентов усиления (комплексных частотных функций) |
системы |
|||||||
в разомкнутом |
Kv |
(уш) = К9 |
(<о) -eJ?p(w) |
и замкнутом |
/С3(у'<о) = |
|||
= К3(и))-е/?з(т' |
состояниях, |
связанных |
между |
собой |
соотноше |
|||
нием |
|
|
|
|
,. |
, , |
|
|
Аз |
и*) |
— 1 + / с р |
(/«,) |
1 и- /С„ (">) в " р ( ш ) ' |
|
W |
||
где Я р (и) — модуль коэффициента |
усиления |
разомкнутой |
си |
|||||
стемы |
(амплитудыочастотная характеристика |
пет |
||||||
левого |
усиления); |
|
|
|
|
|
18