Стабилизаторами напряжения называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности. Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжение потребителя, являются: колебания питающих напряжений, изменение потребляемой нагрузкой мощности, колебания частоты тока сети, изменение температуры окружающей среды и др. Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности напряжения питающей сети. Большая часть потребителей питается от сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц. Колебания напряжения такой сети могут достигать -15 … +5% от номинального  значения.

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) представляет собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в нем достигается за счет изменения параметров регулирующего элемента при воздействии на него сигнала обратной связи.

Основными параметрами КСН являются следующие.

а) Коэффициент стабилизации по входному напряжению – отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора

           (1)

где ΔU_ВХ, ΔU_ВЫХ – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; U_ВХ, U_ВЫХ – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора, соответственно.

б) Коэффициент сглаживания пульсаций

     (2)

где U_ВЫХ~, U_ВХ~ амплитуды пульсаций выходного и входного напряжений стабилизатора, соответственно.

в) Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:

,            (3)

г) Внутреннее сопротивление стабилизатора r_i, равное отношению приращения выходного напряжения ΔU_ВЫХ к приращению тока нагрузки ΔI_Н при неизменном входном напряжении U_ВХ=const:

.                 (4)

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. 1. В этой схеме регулирующий элемент (РЭ) включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Схему, состоящую из регулирующего элемента и сопротивления нагрузки, можно представить как делитель напряжения, в котором определённая часть входного напряжения "падает" на сопротивлении нагрузки, а всё остальное напряжение – на регулирующем элементе. При этом и все изменения входного напряжения отражаются не на нагрузке, а на регулирующем элементе.

Рис.1. Структурная схема КСН

Опорное стабилизированное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). Схема сравнения (СС) сравнивает выходное напряжение Uн с опорным напряжением Uоп. Разностный сигнал рассогласования (Uн – Uоп), формируемый схемой сравнения, поступает на вход усилителя постоянного тока (У), усиливается и воздействует на регулирующий элемент.

Если в нагрузке формируется напряжение Uн большее, чем опорное Uоп, то имеет место положительный сигнал рассогласования (Uн - Uоп) > 0, при этом внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Так как регулирующий элемент и нагрузка включены последовательно, то при увеличении Uрэ выходное напряжение уменьшается.

При уменьшении выходного напряжения Uн и отрицательном сигнале рассогласования (Uн - Uоп) < 0, наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uн.

Задание на моделирование в среде Micro-Cap

Определение параметров КСН

В ходе выполнения работы необходимо рассчитать коэффициент стабилизации, КПД, коэффициент сглаживания пульсаций, температурный коэффициент стабилизатора, внутреннее сопротивление стабилизатора по графикам смоделированных схем. Воспользовавшись пакетом программ Micro-Cap, получить графики зависимости выходного и входного сигналов от времени и температуры.

Задание на моделирование.

1. Создать схему КСН с дифференциальным усилителем постоянного тока в программе Micro-Cap с заранее известными параметрами ее элементов.

2. Построить график АПХ.

Использовать анализ по постоянному току DC. В окне DC Analysis Limits необходимо указать диапазон изменения входного напряжения. Для этого в строке Variable 1 установить: Method=Auto, Name=Vl, Range=40,0,0.1. В нижней части окна задать параметры графика АПХ: P=l, X Expression=V(l), Y Expression=V(2), X Range=Auto, Y Range=Auto. Запустить анализ кнопкой Run.

Рис. 2. Установки анализа по постоянному току

На экране появляется график зависимости V(2)=f(V(l)). Для определения минимального допустимого входного напряжения стабилизатора найдем и обозначим параметры точки излома АПХ, используя кнопку Tag Mode на панели инструментов. Первое значение соответствует коорди­нате по горизонтали и принимается как искомая величина, второе значение соответствует координате по вертикали и является выходным напряжением стабилизатора в рабочем режиме.

Коэффициент стабилизации.

Найти коэффициент стабилизации схемы, определяемый в виде

где  – наклон АПХ.

Наклон АПХ определяется в окне результатов моделирования при использовании двух перемещаемых курсоров в виде перекрестий линий, сопровождающихся показаниями координат их местоположения на графике. Курсоры могут быть точно установлены в заданные точки как по оси Y, так и по оси X. Воспользуемся управлением по оси X. Для этого нажимается кнопка Go to X (Идти в точку X) и на экране появляется дополнительное окно Go to X, где нужно указать координату левого или правого курсора и нажать соответствующую кнопку (Left или Right). По окончании перемещения кур­соров экрана окно закрыть кнопкой Close. При этом в нижней части экрана выводятся координаты точек по осям в колонках Left (Левая) и Right (Правая). В колонке Delta (Разность) приводится разница координат точек по осям, а в колонке Slope (Наклон) в первой строке указывается наклон АПХ, рассчитанный по точкам пересечения, а во второй строке - единичное значение.

Для перемещения курсоров в рабочую часть АПХ можно использовать мышь. Курсор мыши выводится в точку АПХ, где должен находиться, например, левый курсор экрана, затем нажимается левая кнопка мыши, и курсор экрана занимает положение курсора мыши. Для перемещения правого курсора экрана необходимо использовать правую кнопку мыши. После считывания показания Slope выполняется расчет коэффициента стабилизации.