Способ снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием
METHOD FOR REDUCING THE NOISE LEVEL OF A COMPENSATION DC VOLTAGE STABILIZER WITH CONTINUOUS REGULATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в построении малошумящих компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием, выполненных на базе источников опорного напряжения широкого применения.
Уровень техники
Известен способ построения компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием [Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Электропитание устройств связи», М.: Связь, 1975 г., с. 187, рис. 8.8], [Б.И. Артамонов, А.А. Бокуняев. «Источники электропитания радиоустройств», М.: Энергоиздат, 1982 г., с. 145, рис. 5.10], [Л.Ф. Захаров, М.Ф. Колканов. «Электропитание устройств связи», М. :ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007 г., с. 128, рис. 5.9], представляющих собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, характеризуемой:
- коэффициентом стабилизации по входному напряжению
, (1)
где , - изменение напряжения на входе, выходе стабилизатора;
, - напряжения на входе, выходе стабилизатора;
- ток нагрузки;
- коэффициентом сглаживания пульсаций
, (2)
где , - амплитуды пульсации входного и выходного напряжений стабилизатора;
- напряжение шума на выходе стабилизатора,
и базирующейся на выполнении ряда операций:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения.
Возможным вариантом реализации способа построения компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием служит схема последовательного стабилизатора [Б.И. Артамонов, А.А. Бокуняев. «Источники электропитания радиоустройств», М.: Энергоиздат, 1982 г., с.149, рис.5.12] состоящая из следующих функциональных узлов: регулирующий элемент (РЭ) - транзистор VT1; схема сравнения (СС) состоит из резистивных делителей напряжения R1, R2, R3 и входной цепи транзистора VТ2; усилитель постоянного тока (УПТ) - транзистор VТ2 с коллекторной нагрузкой Ry; источник опорного напряжения (ИОН) представляет собой однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона VD1 и гасящего резистора Rг. Для плавной регулировки выходного напряжения стабилизатора в делитель напряжения включен потенциометр R2, с движка которого напряжение подается на базу транзистора VТ2. К эмиттеру транзистора VТ2 подводится опорное напряжение стабилитрона. Верхнее плечо делителя обозначается как RI, а нижнее - RII. Для обеспечения устойчивой работы стабилизатора на выходе включена емкость С.
RII
б2
К2
Согласно данному способу, стабилизатор работает следующим образом. Допустим, что напряжение на входе стабилизатора увеличилось, тогда должно возрасти напряжение на выходе стабилизатора, а также напряжение на нижнем плече делителя (RII) схемы сравнения U = U. Увеличение потенциала базы транзистора VТ2 приводит к увеличению как тока базы транзистора VТ2, так и тока коллектора I. В результате увеличивается падение напряжения на нагрузке УПТ
, (3)
КЭ1
RII
К2
У
КЭ1
что ведет к возрастанию напряжения между коллектором и базой регулирующего транзистора VТ1. Поэтому сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора VТ1 увеличивается, падение напряжения U возрастает, обеспечивая стабилизацию выходного напряжения. Стабилизация выходного напряжения предполагается и в случае изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки уменьшается величина как выходного напряжения, так и напряжения на нижнем плече делителя схемы сравнения U. Вследствие этого уменьшается ток базы транзистора VТ2 и ток коллектора I. Следовательно, уменьшается падение напряжения на резисторе R, поэтому сопротивление между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора VТ1 уменьшается, и уменьшается U, обеспечивая стабилизацию выходного напряжения.
вх
н
оп
вых
В силу того, что стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, то при наличии дестабилизирующих факторов - изменений входного напряжения (ΔU), тока потребителя (ΔI), напряжения на выходе источника опорного напряжения (ΔU), так же будет иметь место и изменение выходного напряжения (ΔU), выражение (4)
, (4)
1
где K - коэффициент передачи по напряжению транзистора VT1 в схеме включения с общим эмиттером;
у
K - коэффициент передачи по напряжению УПТ (транзистора VT2 в схеме включения с общим эмиттером);
K1
r - сопротивление коллекторного перехода транзистора VT1;
Ку
r - сопротивление коллекторного перехода транзистора VT2;
α - коэффициент передачи резистивного делителя СС
(5)
α′ - коэффициент передачи резистивного делителя СС, учитывающий влияние входного сопротивления УПТ (транзистора VT2)
(6)
- напряжение собственных шумов ИОН, порождающее напряжение шума на выходе стабилизатора
(7)
С учетом допущений, что ,  коэффициент стабилизации примет вид
(8)
1
у
Как следует из анализа выражений (7), (8) и (2), величина напряжения шума на выходе стабилизатора, коэффициентов стабилизации и сглаживания, в значительной степени определяются как коэффициентами усиления РЭ K, УПТ K, так и напряжением шума ИОН.
Снижение шума ИОН (использование малошумящего ИОН) способствует увеличению коэффициентов стабилизации и сглаживания при одновременном снижении напряжения шума на выходе стабилизатора.
На фиг.1 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей ИОН (ИМС SPX385-2.5). ИМС SPX385-2.5 характеризуется среднеквадратическим напряжением шума 120 мкВ в полосе частот 10 Гц÷10 кГц, что эквивалентно напряжению шума генерируемого резистором с сопротивлением 87,5 МОм в полосе 10 кГц при температуре 25, то есть напряжению шума пик-пик = 0,8 мВ.
На фиг.2 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора при  (напряжение шума пик-пик = 1,3 мВ).
На фиг.3 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора при  (напряжение шума пик-пик = 2,1 мВ).
вх
вх
вых
Изменение ΔU на ±10% от U привело к изменению ΔU на 0,68% при  и на 0,15% при .
Недостатком данного способа и данного варианта его реализации является низкий коэффициент стабилизации при значительном влиянии собственных шумов ИОН на уровень выходных шумов стабилизатора
Возможным вариантом реализации способа построения компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием служит схема последовательного стабилизатора [Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. «Промышленная электроника», М. : Энергоатомиздат, 1988 г., с. 209, рис. 5.11], выполненная с использованием УПТ на базе операционного усилителя (ОУ).
Схема стабилизатора состоит из следующих функциональных узлов: РЭ - транзистор VT; СС - резистивный делитель напряжения R1, R2; УПТ - операционный усилитель DA; ИОН - параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона VD и балластного резистора Rб.
В качестве особенности данной схемы является установление разностного напряжения подаваемого на УПТ (напряжения снимаемого со СС и ИОН) близкого к нулю с последующим значительным усилением (более 1000), обеспечивающим формированием . Столь высокий коэффициент стабилизации является несомненным достоинством данного варианта реализации способа построения компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием, но лишь в случае использования малошумящего ИОН.
Высокий коэффициент усиления с учетом широкополосности шума ИОН, при его значительном уровне, в силу инерционности усилительных элементов, а так же реактивности нагрузки и емкости блокировочных конденсаторов (используемых при построении устройств электропитания), приводит к фазовому сдвигу цепи обратной связи, что в свою очередь, порождает динамическую ошибку замкнутой системы регулирования (снижение коэффициента обратной связи преимущественно в области низких и высоких).
Недостатком данного способа и данного варианта его реализации в случае использования ИОН широкого применения является фактическое:
- снижение устойчивости стабилизатора как системы автоматического регулирования;
- сужение диапазона допустимого изменения входного напряжения;
- существенное снижение коэффициента сглаживания относительно коэффициента стабилизации;
- высокий уровень напряжения шума на выходе стабилизатора.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к снижению напряжения шума при одновременном увеличении коэффициента стабилизации компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием.
Технический результат достигается тем, что в способ снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием, так же, как и прототип, базирующийся на выполнении ряда операций:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения,
введена операция - подавление шума опорного напряжения (шума выходного напряжения ИОН).
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей ИОН (ИМС SPX385-2.5).
На фиг.2 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора при .
На фиг.3 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора при .
На фиг.4 представлен вариант функциональной схемы устройства реализации способа снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием и УПТ на транзисторе.
На фиг.5 представлен вариант функциональной схемы устройства реализации на транзисторах способа снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием и УПТ на ОУ.
На фиг.6 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей на выходе блока ПШ, реализованного с использованием: DА1, DА2 - ОУ ОР07С (=0,38 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0.1÷10 Гц); С1 - 33 нФ; R1÷R4 - 51 кОм).
На фиг.7 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора с блоком ПШ при .
Осуществление изобретения
Сущность предлагаемого способа заключается в выполнении следующих операций:
1) формирование напряжения обратной связи;
2) формирование опорного напряжения;
3) подавление шума опорного напряжения;
3) формирование напряжения рассогласования;
4) усиление напряжения рассогласования;
5) регулирование выходного (стабилизированного) напряжения.
Устройство реализации способа снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием фиг.4 (фиг.5), содержит: подавитель шума (ПШ) 1 - разделительный конденсатор 2, повторитель напряжения (ПН) 3, вычитатель 5; регулирующий элемент 11 - транзистор 13, резистор 12; резистивный делитель напряжения 14 - резисторы 15, 16; ИОН 17 - резистора 18, стабилитрон 19; сопротивление нагрузки 20; УПТ 21 - резистор 22, транзистор 23, (ОУ 22, фиг.5), причем коллектор транзистора 13 подключен к первому выводу резистора 12 и входу положительной полярности устройства, а эмиттер к первым выводам резисторов 15, 18 и через сопротивление нагрузки 20 к аноду стабилитрона 19, второму выводу резистора 16 и входу отрицательной полярности устройства; второй вывод резистора 15 соединен с первым выводом резистора 16 и базой транзистора 23 (неинвертирующим входом ОУ 22, фиг.5), коллектор транзистора 23 (выход ОУ 22, фиг.5) соединен со вторым выводом резистора 12 и базой транзистора 13; второй вывод резистора 18 соединен с катодом стабилитрона 19 и входом ПШ 1, выход которого соединен с эмиттером транзистора 23 и через резистор 22 с эмиттером транзистора 13 (неинвертирующим входом ОУ 22, фиг.5); вход ПШ 1 соединен с первым входом вычитателя 5 и через последовательно соединенные разделительный конденсатор 2 и ПН 3, со вторым входом вычитателя 5, выход которого служащим выходом ПШ 1.
ПН 3 содержит ОУ 4, причем неинвертирующий вход ОУ 4 служит входом повторителя напряжения, а инвертирующий вход, соединенный с выходом ОУ 4, служит выходом ПН 3.
Вычитатель 5 содержит ОУ 6 и резисторы 7÷10, причем первый вывод резистора 7 служит первым входом вычитателя 5, а второй вывод соединен с неинвертирующим входом ОУ 6 и первым выводом резистора 8, второй вывод которого заземлен; первый вывод резистора 9 служит вторым входом вычитателя 5, а второй вывод соединен с инвертирующим входом ОУ 6 и первым выводом резистора 10, второй вывод которого соединен с выходом ОУ 6 и выходом вычитателя 5.
Устройство реализации способа снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием работает следующим образом.
вх
вых
ос
вых
Допустим, что напряжение U на входе стабилизатора увеличилось, тогда должно возрасти напряжение U на выходе стабилизатора, а также напряжение U поступающее на вход УПТ 21 (базу транзистора 23, фиг.4; инвертирующий вход ОУ 22, фиг.5), что, в свою очередь, приведет к подзапиранию транзистора 13. Ток транзистора 13 уменьшится и напряжение U на сопротивлении нагрузки 20 снизится почти до первоначального значения.
вх
вых
ос
вых
Допустим, что напряжение U на входе стабилизатора уменьшилось, тогда должно уменьшится напряжение U на выходе стабилизатора, а также напряжение U поступающее на вход УПТ 21 (базу транзистора 23, фиг.4; инвертирующий вход ОУ 22, фиг.5), что, в свою очередь, приведет к транзистора 13. Ток транзистора 13 увеличится и напряжение U на сопротивлении нагрузки 20 возрастет почти до первоначального значения.
Как и в случае прототипа, уровень выходного шума стабилизатора, коэффициенты стабилизации и сглаживания определяются уровнем шума на эмиттере транзистора 23, фиг.4 (неинвертирующем входе ОУ 22, фиг.5) и, с учетом допущений, что , , определяются соотношениями:
- в случае реализации УПТ 21 на базе транзистора 23, фиг.4
(9)
, (10)
- в случае реализации УПТ 21 на базе ОУ 22, фиг.5, (так как )
(11)
, (12)
где - напряжение шумов на выходе блока ПШ 1.
ПШ 1 работает следующим образом.
Выходной сигнал ИОН 17, содержит шумовую составляющую , выделяемую из выходного сигнала с помощью конденсатора 2 и поступающую на вход ПН 1.
Так как ПН 1 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя со стопроцентной обратной связью, характеризуется параметрами:
, (13)
вх.ОУ
вых.ОУ
ОУ
где R, R, K - входное (дифференциальное), выходное сопротивления и коэффициент усиления ОУ 4;
вх.пн
вых.пн
пн
R, R, K - входное, выходное сопротивления и коэффициент усиления (передачи) ПН 1.
В общем случае, имеет место выполнение условия:
(14)
где  - выходное сопротивление ИОН 17.
Выделенная шумовая составляющая, с выхода ПН 1, и выходной сигнал ИОН 17 поступают на входы вычитателя 5, осуществляющего компенсацию (подавление) шумовой составляющей.
вх.пн
Степень подавления шумовой составляющей в значительной мере определяется постоянной времени  цепи ПН 1 образованной конденсатором 2 и входным сопротивлением R ПН 1, являющейся, по сути, RC-фильтром высоких частот. Что обеспечивает фазовый сдвиг шумовой составляющей , в соответствии с выражением (15)
, (15)
где , (16)
где  - емкость конденсатора 2;
постоянная времени фильтра высоких частот ПШ 1,
и постоянной времени цепи ИОН 17
(17)
При этом на  накладываются условия:
(18)
На сопротивления резисторов 7÷10 вычитателя 5 накладывается условие
(19)
где  - 14 резисторы (элементы 7÷10) вычитателя 5.
В качестве особенности схемной реализации ПШ 1, следует отметить единичные коэффициенты передачи ПН 3 и вычитателя 5, а так же некоррелированность их шумовых напряжений, что на фоне некоррелированности с шумом ИОН 17, определяет  - среднеквадратичное напряжение шума на выходе ПШ 1.
, (20)
где  - коэффициент подавления шума ПШ;
- напряжение шума пик-пик  ИОН 17;
,  - напряжение шума пик-пик () ОУ 4, 6.
На фиг.6 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей на выходе блока ПШ 1, реализованного с использованием: ОУ 4, 6 - ОУ ОР07С (=0,38 мкВ пик-пик в полосе частот 0.1÷10 Гц); конденсатора 2 - С1 = 33 нФ; резисторов 7÷10 - R1-R4 = 51 кОм), (напряжение шума пик-пик = 0,54 мкВ).
На фиг.7 представлены временная диаграмма и спектрограмма шумовой составляющей напряжения шума на выходе стабилизатора с блоком ПШ при (напряжение шума пик-пик = 2,3 мкВ, при существенном снижении уровня высокочастотных гармоник).
вх
вх
вых
Изменение ΔU на ±10% от U привело к изменению ΔU на 0,059% при .
Разработанный способ снижения уровня шума компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием обеспечивает понижение уровня выходного шума при одновременном повышении устойчивости системы автоматического регулирования, а значит обеспечивает потенциальную возможность повышения коэффициентов стабилизации и сглаживания.