Доцент
Константинов С.В.
Донецкий
национальный технический университет, Украина
Магистр Фесенко
Д.В.
Донецкий
национальный технический университет, Украина
Нелинейные искажения в регуляторах переменного напряжения
Большинство регуляторов переменного напряжения,
которые имеют в своем составе транзисторы, обладают потерями напряжения при
максимальном выходном сигнале и значительной нелинейностью характеристик [1]. Это
сказывается на работе электротехнических устройств, работающих с этими
регуляторами.
В
работе [2] предложен регулятор на двух разнополярных транзисторах, устраняющий
некоторые из описанных недостатков.
Рис.1. Регулятор переменного
напряжения
В нем, по сравнению с другими схемами,
обеспечивается увеличение управляющего сигнала регулятора, что способствует
меньшим потерям при максимальном выходном сигнале, уменьшению нелинейности и
увеличению мощности. Однако этот регулятор все же обладает некоторой
нелинейностью при выходном напряжении менее 50% от номинала. Кроме того, из-за
различия характеристик транзисторов (неодинаковое усиление тока), различаются
положительная и отрицательная полуволны напряжений на нагрузке.
На рис.2. приведены осциллограммы входных
и выходных напряжений регулятора (рис.1) при разном положении подвижного
контакта переменного резистора.
|
|
|
|
Рис.2. Осциллограммы входных и
выходных напряжений двухтранзисторного регулятора
Рис.3. Регулятор переменного
напряжения с нелинейной схемой управления
На рис.4. приведены осциллограммы входных
и выходных напряжений регулятора (рис.3) при разном положении подвижного
контакта переменного резистора.
|
|
|
|
Рис.4. Осциллограммы входных и
выходных напряжений двухтранзисторного регулятора с нелинейной схемой
управления
Из рис.4. видно, что положительная и
отрицательная полуволны переменного напряжения имеют одинаковую амплитуду.
Данный регулятор обладает меньшими нелинейными искажениями и сохраняет
небольшие потери напряжения при максимальном выходном сигнале.
Линеаризовать характеристики можно,
управляя регулятором от цифрового устройства. Это позволяет вносить коррекцию и
получать линейные характеристики, не изменяя параметров схемы. Для этого в
регуляторе (рис.3) переменный резистор необходимо заменить цифро-аналоговым
преобразователем, на цифровой вход которого подается цифровой сигнал с контроллера,
а на аналоговый вход – напряжение питания (рис.5.). Задавая различную
последовательность кодов на выходе контроллера, можно получить сигнал
необходимой формы на выходе регулятора. ЦАП содержит в своем составе
инвертирующий операционный усилитель, следовательно, на выходе ЦАПа получается
инвертированный сигнал. Т.к. в схеме использован каскад с ОЭ, то необходимо
добавить еще один инвертор. На рис.5. представлен регулятор переменного
напряжения с цифро-аналоговым преобразователем.
Рис.5. Регулятор переменного напряжения
с ЦАП
Более радикальным способом уменьшения
нелинейных искажений и влияния различного коэффициента усиления тока
транзисторов является введение отрицательной обратной связи. Добавив к регулятору, изображенному на рис.1., операционный усилитель и два делителя
напряжения можно получить регулятор переменного
напряжения, который представлен на рис.6.
Рис.6. Регулятор переменного напряжения с операционным
усилителем
Работает устройство следующим образом. При
подаче положительной полуволны от источника переменного напряжения
положительное напряжение с переменного резистора через делитель поступает на
инвертирующий вход операционного усилителя. Этот вход в полном усилителе,
включая VT1, VT2, будет
неинвертирующим. Знак напряжения на выходе усилителя будет положительным, если
напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем. Положительное
напряжение открывает транзистор VT2 и
ток течет от источника переменного напряжения через нагрузку, VD2, VT2. Когда
разность потенциалов на входе усилителя станет равной 
, тогда входной сигнал будет без искажений передаваться на
выход устройства. В регуляторе (рис.6.) использован неинвертирующий
операционный усилитель. При подаче отрицательной полуволны напряжения в схеме
происходят аналогичные процессы, как и при подаче положительного напряжения.
Можно оценить погрешность данного
регулятора:
(1)
,
где 
Введем обозначение: 
, тогда:
,
,
,
,
(2)
- погрешность, связанная с разбросом коэффициента
усиления транзистора;
- погрешность,
связанная с кривизной входной характеристики транзистора.
Т.к. 
, 
и 
достаточно малы (< 0,1%), то можно
записать:
(3)
Оценим погрешность для конкретного случая:
; 
; 
;
; 
.
Следовательно: 
.
, тогда
,
,
,
,
.
Следовательно, этими членами в выражении
(2) можно пренебречь.
Входные и выходные характеристики
регулятора с операционным усилителем представлены на рис.7.
|
Напряжение в точке А
|
Напряжение в точке А
|
Напряжение в точке А
|
Рис.7. Входные и выходные
характеристики регулятора с ОУ при разном положении подвижного контакта
переменного резистора
Как видно из рис.7., данный регулятор
обладает малыми потерями напряжения при максимальном выходном напряжении и
линейностью выходных характеристик. Следовательно, подаваемый на вход
регулятора переменного напряжения сигнал, без искажения передается на выход
регулятора. Изменение положения подвижного контакта переменного резистора R1 позволяет получать необходимую амплитуду выходного
сигнала в пределах Umax..0. Это позволяет
использовать данный регулятор напряжения в различных устройствах, в том числе и
для регулирования звука.
В этом регуляторе переменный резистор, при
помощи которого осуществляется изменение амплитуды выходного сигнала, также
можно заменить ЦАПом. Причем в этом случае на цифровом входе ЦАПа код меняется
только при изменении величины сигнала на нагрузке.
Литература
1. Константинов
С.В., Фесенко Д.В. „Дослідження регулятора змінної напруги за допомогою моделі“, Журнал „Вісник“ №2, Київ 2008.
2. Константинов
С.В., Фесенко Д.В. Регулятор змінної напруги. Патент України на корисну модель №33828 U МПК8 Н02Р
7/06, опубл. 10.07.2008. Бюл.№13.