串联反馈调整型稳压电源在电力系统中的应用

串联反馈调整型稳压电源在电力系统中的应用

现在，社会科学的信息技术正在迅速发展，人们的生活在电子设备上。在电子产品日新月异、迅猛发展的今天,电源作为用电设备的动力来源,其相对电子产品的重要程度就如心脏对于人类一样。电源性能的优劣直接影响到整个系统的性能参数和稳定性。串联反馈式稳压电源要比参数型稳压电源电路复杂,它的优点是输出电压范围不受调整元件本身的耐压限制,而且各项技术指标可以做得很高。1自动调节系统串联反馈调整型稳压电源是一个闭环反馈系统,有执行元件和反馈回路。一般情况下,它包括调整管、取样电路、基准电压源及误差比较放大器等主要部分。调整管是闭环调节系统的执行机构,其余部分都是反馈控制回路所必需的,原理框图见图1所示。从方框图上可以看出,输入电压Ui经过调整元件调节之后,变成稳定的输出电压Uo,其执行动作是在误差比较放大器的控制下进行的。取样电路和基准电压相比较,并把比较后的误差信号送入放大器,增强反馈控制效果。因为取样得来的是电压信号,所以这种电源实际上是一个以电压作为调节对象的自动调节系统,其调节模式如图2所示。图2中,Ko为调节系统开环时的电压传递函数,也就是开环稳压系数;KT为执行机构在系统闭环时的电压传递函数,也就是调整管电路的电压放大倍数;K是误差放大器开环电压放大倍数;n为取样电路的电压传递函数,也就是取样分压器的分压比。根据调节原理可知,该系统的调节函数为:由公式可知,无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响:反馈系统是开环系统的1/(1+nKTK)倍。更具体来说,就是反馈调整型稳压电源在电网电压调整率、负载调整率等主要技术性能方面,都是以硅稳压二极管稳压电源为代表的参数型稳压电源的(1+nKTK)倍,这就是反馈调整型稳压电源比参数型稳压电源应用得更普遍的主要原因。参数型稳压电源的稳压原理是通过改变调整元件的动态电阻,增大或减小流过调整元件的电流以引起限流电阻上压降的变化,致使输出电压基本保持稳定的。串联反馈调整型稳压电源稳压原理则是调整元件的动态电阻,它是随输出电压的变化而自动改变的。假如由于负载电阻RL减小,使输出电压Uo有所降低,调整元件的动态电阻便会自动变小,从而使调整元件两端的压降降低,确保输出电压Uo趋近原来的数值。如果是由于电网电压升高或负载变大使输出电压偏高时,调整原理及其过程正好相反。串联反馈调整型稳压电源的优点是输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制,而且各项技术指标可以做得很高。缺点是线路比较复杂,过载能力差,瞬时过载会使调整元件损坏,需要过载保护。因此,串联反馈调整型稳压电源广泛用在负载变动较大,稳压性能要求较高,输出电压可调等场合。2串联反馈式水压电路图3是一个简单的串联反馈式稳压电路。晶体管VT做调整元件,Eb做基准电压源,它给晶体管提供一个固定的偏压使其能正常工作。当负载变小或输入电压Ui变大,使得负载两端的输出电压Uo增大时,由于基准电压不变,所以晶体管的基极电位Ub也不变,那么基-射极电压Ube(Ube=Ub-Uo)将减小,从而Ib减小,管压降Uce增大,使输出电压Uo减小,抵消了由于电网电压的增加或负载减小引起的Uo的增加,使输出电压Uo基本不变。简单串联反馈式稳压电路是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的电压Uce的变化,所以灵敏度和电压稳定的性能都不够理想。如果使用带有放大器的稳压电路就可以弥补这些不足,如图4所示。图4是一个带有放大器的典型电路,其中VT1是调整管,接成射极输出器的形式,负载电阻RL是它的射极电阻。R1、R2与RL并联组成分压器,起到取出输出电压的作用,所以叫做取样电路。VD是硅稳压二极管,它与限流电阻R3一起组成基准电压源。VT2是比较放大器,R4是集电极电阻,同时也是VT1的偏流电阻。晶体管VT2把从取样电路送来的输出电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较,并把比较结果产生的差值电压(误差电压)加以放大,以此来控制调整管VT1的压降Uce1,从而使输出电压基本保持稳定。因为放大器的作用,输出电压很小的变化,反映到调整管Uce1上就有比较大的变化,从而大大提高了调整的灵敏度和输出电压的稳定性。由于增加了放大器,串联反馈式稳压器性能有了很大的提高,稳压系数约为0.05~0.01;输出电阻Ro大约为0.1~0.01Ω,温度系数近似为1~10mV/℃。3新型组合式晶体电源稳定电路3.1高效源电源电路a点电位稳定性分析从带有放大器的串联反馈式稳压电路图4可以看出,它的输出电压可以表示为:式中,UR4=(Ic2+Ib1)R4是R4上的压降。当输入电压Ui发生突然跳变时,由于UR4还来不及调整,输出电压Uo将发生同样的跳变,因而影响稳压电源的稳定性。为了解决这个问题,可以把R4接在稳定辅助电源上,以减小输入电压变动带来的影响,如图5所示。图5中,R5和硅稳压管VD2组成辅助电源,使A点电位保持稳定。这样,在输入电压Ui发生变化时,就不会通过R4直接影响输出电压了,从而提高了稳定性能。但是也带来一些不利的因素,一是增大了调整管的集电极功耗,这是因为电路中多了R5,所以Uce1=UR5+UR4+Ube1,比未加辅助电源时多了一项UR5;二是由于UW2的值要大于Uo的值,VD2一定要是稳压电压值较高的硅稳压管,此类稳压管动态电阻大,因此UW2的稳定性差。为克服图5电路的不足之处,可采用图6(a)改进电路。这种电路UW2一般小于输出电压Uo,VD2采用稳压指标较低的稳压管,因此VD2的动态电阻小,UW2比较稳定。缺点就是VT1管Uce1必须比较大,才能保证VD2有较好的稳压性能,这样也加大了调整管的集电极功耗。解决调整管集电极功耗增大的问题,可以采用一个独立的直流输入电源Ui单独给R5和VD2组成的辅助电源供电,如图6(b)所示。在高性能串联反馈式稳压电源中,一般都采用这种形式的辅助电源,但电路相对比较复杂。图6接入辅助电源的串联反馈式稳压电路的改进电路由于增加了辅助电源,串联反馈式稳压电源的瞬态稳定性得到了很大的改善。由于增加了辅助电源,串联反馈式稳压电源的瞬态稳定性得到了很大的改善,稳定系数和输出电阻也都下降了很多,很容易做到S=0.001,Ro=0.1Ω量级的优良稳定特性。3.2恒流源一般电极电压的应用在串联反馈式稳压电路中,比较放大器的增益越大,稳压性能就越好,为了提高放大器的增益,R4的值应尽可能选大些。因为调整管的集-射极之间的电压不能太高,否则集电极功耗太大,一般在3~10V的范围内选值。又IR4R4=Uce1-Ube1,如果R4选的很大,IR4反而很小,会使放大器增益降低。为了解决这个矛盾,可以采用恒流源代替电阻R4,如图7所示。图7(a)中VD2的稳定电压使VT3的IC3保持稳定,构成了恒流源。R5用来提高IC3的恒流特性。在恒流的运行下,VT3对交变电压呈现极大的动态电阻,相当于放大管VT2接入很大的集电极电阻R4,因此比较放大器有很大的电压增益,从而提高了稳压特性。与此同时,恒流源之间直流压降不大,调整管的压降及集电极的功耗都不会太大。用恒流二极管做为恒流管,代替放大管VT2的集电极电阻R4,同样可以提高稳压源电路的稳定性,如图7(b)所示。恒流二极管是一种能在很宽的电压范围内提供恒定电流的新型器件。它的直流电阻低,交流电阻高达1MΩ以上,可使放大管增益提高很多,从而大大改进了电路的性能。3.3差动放大器放大级采用单管共射直流放大器作比较放大的稳压电路,电路简单但温度稳定性差,并且供给基准电压的稳压管VD接在放大管的发射极上,放大管的发射极电流要流过VD。由于稳压管有一定的内阻rW,因此在调整过程中放大管电流变化就会引起稳定电压UW的相应变化,从而造成输出电压的不稳定。因此就需要差动放大器作比较放大级,如图8所示。图8中,如果由于输入电压变动或负载变化致使输出电压增加时,则通过取样电路使VT4基极对地的电压增加。而VT3的基极接稳压管,它的基极电压固定不变,那么差动放大器中VT4的集电极电流将与取样电压和基准电压之差成比例增大,使得VT4的集电极电阻R4上的压降UR4增加。UW2为辅助电源中稳压管VD2的稳定电压,Ube1和Ube2为调整管VT1和VT2基极与发射极间电压。因为UW2稳定不变,所以当UR4增加时,Ube1+Ube2减小,结果使调整管的集电极电流减小,管压降Uce1加大,抵消了输出电压的增大,使Uo基本