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)備的動力來源,其相對電子產(chǎn)品的重要程度就如心臟對于人類一樣。電源性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(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,而且各項技術(shù)指標可以做得很高。1自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源是一個閉環(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)行機構(gòu),其余部分都是反饋控制回路所必需的,原理框圖見圖1所示。從方框圖上可以看出,輸入電壓Ui經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)之后,變成穩(wěn)定的輸出電壓Uo,其執(zhí)行動作是在誤差比較放大器的控制下進行的。取樣電路和基準電壓相比較,并把比較后的誤差信號送入放大器,增強反饋控制效果。因為取樣得來的是電壓信號,所以這種電源實際上是一個以電壓作為調(diào)節(jié)對象的自動調(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)開環(huán)時的電壓傳遞函數(shù),也就是開環(huán)穩(wěn)壓系數(shù);KT為執(zhí)行機構(gòu)在系統(tǒng)閉環(huán)時的電壓傳遞函數(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,無論輸入電壓波動還是負載變化對輸出電壓的影響:反饋系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+nKTK)倍。更具體來說,就是反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓調(diào)整率、負載調(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)壓原理是通過改變調(diào)整元件的動態(tài)電阻,增大或減小流過調(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)整元件的動態(tài)電阻,它是隨輸出電壓的變化而自動改變的。假如由于負載電阻RL減小,使輸出電壓Uo有所降低,調(diào)整元件的動態(tài)電阻便會自動變小,從而使調(diào)整元件兩端的壓降降低,確保輸出電壓Uo趨近原來的數(shù)值。如果是由于電網(wǎng)電壓升高或負載變大使輸出電壓偏高時,調(diào)整原理及其過程正好相反。串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制,而且各項技術(shù)指標可以做得很高。缺點是線路比較復(fù)雜,過載能力差,瞬時過載會使調(diào)整元件損壞,需要過載保護。因此,串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源廣泛用在負載變動較大,穩(wěn)壓性能要求較高,輸出電壓可調(diào)等場合。2串聯(lián)反饋式水壓電路圖3是一個簡單的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。晶體管VT做調(diào)整元件,Eb做基準電壓源,它給晶體管提供一個固定的偏壓使其能正常工作。當(dāng)負載變小或輸入電壓Ui變大,使得負載兩端的輸出電壓Uo增大時,由于基準電壓不變,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)電壓的增加或負載減小引起的Uo的增加,使輸出電壓Uo基本不變。簡單串聯(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)壓電路就可以彌補這些不足,如圖4所示。圖4是一個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R3一起組成基準電壓源。VT2是比較放大器,R4是集電極電阻,同時也是VT1的偏流電阻。晶體管VT2把從取樣電路送來的輸出電壓上升或下降的變化信號與基準電壓相比較,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。因為放大器的作用,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,由于UR4還來不及調(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。為了解決這個問題,可以把R4接在穩(wěn)定輔助電源上,以減小輸入電壓變動帶來的影響,如圖5所示。圖5中,R5和硅穩(wěn)壓管VD2組成輔助電源,使A點電位保持穩(wěn)定。這樣,在輸入電壓Ui發(fā)生變化時,就不會通過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,這是因為電路中多了R5,所以Uce1=UR5+UR4+Ube1,比未加輔助電源時多了一項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)改進電路。這種電路UW2一般小于輸出電壓Uo,VD2采用穩(wěn)壓指標較低的穩(wěn)壓管,因此VD2的動態(tài)電阻小,UW2比較穩(wěn)定。缺點就是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題,可以采用一個獨立的直流輸入電源Ui單獨給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。因為調(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,會使放大器增益降低。為了解決這個矛盾,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用來提高IC3的恒流特性。在恒流的運行下,VT3對交變電壓呈現(xiàn)極大的動態(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,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1MΩ以上,可使放大管增益提高很多,從而大大改進了電路的性能。3.3差動放大器放大級采用單管共射直流放大器作比較放大的穩(wěn)壓電路,電路簡單但溫度穩(wěn)定性差,并且供給基準電壓的穩(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VD。由于穩(wěn)壓管有一定的內(nèi)阻rW,因此在調(diào)整過程中放大管電流變化就會引起穩(wěn)定電壓UW的相應(yīng)變化,從而造成輸出電壓的不穩(wěn)定。因此就需要差動放大器作比較放大級,如圖8所示。圖8中,如果由于輸入電壓變動或負載變化致使輸出電壓增加時,則通過取樣電路使VT4基極對地的電壓增加。而VT3的基極接穩(wěn)壓管,它的基極電壓固定不變,那么差動放大器中VT4的集電極電流將與取樣電壓和基準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。因為UW2穩(wěn)定不變,所以當(dāng)UR4增加時,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