Непрерывные стабилизаторы напряжения

Транзисторные стабилизаторы напряжения, имеющие значи­тельные преимущества перед параметрическими стабилизаторами напряжения, наиболее широко распространены. Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения. Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рисунок 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УПТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два класса: параллельного и после­довательного типа.

Рис. 5.10. Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного (а) и последовательного (б) типов

Изменения входного напряжения или тока нагрузки в ком­пенсационных стабилизаторах вызывают отклонения выходного напряжения от номинального. Эти изменения сравниваются с опорным напряжением и через усилитель постоянного тока УПТ подаются на регулирующий элемент РЭ и изменяют его соп­ротивление. В компенсационных стабилизаторах напряжения па­раллельного типа (см. рисунок 5.10, а) это вызовет изменение тока, протекающего через резистор R₀, и падение напряжения на нем. В компенсационных стабилизаторах напряжения последовательно­го типа (см. рисунок5.10, б) изменится падение напряжения непосредст­венно на самом регулирующем элементе РЭ. В обоих случаях действие РЭ будет сводиться к поддержанию выходного напря­жения в заданных пределах, т.е. к его стабилизации.

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий к. п. д., экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации. В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б) регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой R_н в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R₀ и стабилитрон VD1 образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения U_ст. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора U_н = U_СТ — U_6э. Так как напряжение U_6э транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U_ЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при R_н = const) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора U_н, что приводит к увеличению токов I₀, протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон I_ст и резистор R₀. Падение напряжения на R₀ возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер - коллектор VT1(U_ЭК), адекватное изменению входного напряжения. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению. Уменьшение входного напряжения первоначально приведет к снижению вы­ходного напряжения, что в свою очередь снижает ток в парал­лельной ветви (VD1, R₀). Воздействие на транзистор будет таким, что снизится падение напряжения на участке эмиттер - коллектор VT1, что увеличит выходное напряжение до исходного значения.

Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора.

Напряжение на выходе при этом останется в заданных пределах, т.е. оно стабилизируется.

С изменением тока нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется ток базы регулирующего транзистора , где В - статический коэффициент усиления тока базы.

Рис. 5.11. Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами

p-n-p (a), n-p-n (б) структурами

Так как потенциал базы транзистора VT1практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе R₀ также постоян­но, не изменится при этом и ток I₀. Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1 на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будет изменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VТ1 становится меньшим, при малом токе нагрузки - большим. В обоих случаях падение напря­жения на участке эмиттер-коллектор транзистора останется почти неизменным. Следовательно, напряжение на выходе стабилизатора будет оставаться в заданных пределах.

Токи и напряжения в рассматриваемых схемах транзисторных стабилизаторов напряжения в установившемся режиме связаны следующими соотношениями:

; .

Входное напряжение U_вх = U_Н + U_ЭК на элементах параллельной ветви распределится таким образом:

, откуда ,

тога .

Максимальный ток нагрузки транзисторного стабилизатора

.

Из приведенного равенства очевидно, что максимально допус­тимый ток транзисторного стабилизатора в В раз больше мак­симально допустимого тока стабилитрона. Он зависит от коэф­фициента усиления транзистора и ограничивается его максимально допустимой мощностью рассеяния Р_яоп:

.

К основным параметрам стабилизаторов последовательного типа относятся:

коэффициент стабилизации ;

выходное сопротивление ,

где h_11э входное сопротивление для схемы с общим эмиттером;

h_21э- коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером;

коэффицент полезного действия .

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.

Для улучшения электрических характеристик схемы компенса­ционного стабилизатора напряжения последовательного типа в цепь обратной связи вводят усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторе VТ2 (рисунок 5.12, а). В эмиттерную цепь VT2 включен стабилитрон VD1 (источник опорного напряжения). Резистором R2 задается ток VD1. В базовую цепь VТ2 включен делитель напряжения R3R4. Резистор R1, включенный в коллектор­ную цепь VТ2, является нагрузкой усилителя постоянного тока. Делитель RЗR4 и резистор R2 со стабилитроном VD1 образуют измерительный мост, в одну из диагоналей которого включен резистор R_н, а в другую - участок эмиттер-база транзистора VТ2. При воздействии дестабилизирующих факторов и изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется ток, протекаю­щий через делитель R3R4. Изменяется падение напряжения на резисторе R4. Это напряжение, являющееся частью выходного, подводится к базе транзистора VT2и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1. Разностный сигнал усиливается транзистором VТ2.

Напряжение с коллекторной нагрузки усилителя постоянного тока (резистор R1) поступает на базу регулирующего транзистора VT1и вызывает изменение падения напряжения на нем (участок эмиттер - коллектор).

Таким образом, изменения входного напряжения будут ском­пенсированы на регулирующем транзисторе.

Коэффициент стабилизации этой схемы

,

где

- коэффициент деления делителя;

h₁₁ - входное сопротивление;

β₂-коэффициент усиления по току.

Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)

Выходное сопротивление

.

Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением r_Д. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение К_ст возможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

При больших токах нагрузки стабилизатора, когда необходимо использование мощного регулирующего транзистора, ток базы его может значительно (иногда в несколько раз) превышать ток коллектора транзистора усилителя постоянного тока. Для сог­ласования их по допустимым токам в качестве регулирующего элемента применяют так называемый составной транзистор с включением двух и более транзисторов. В схеме такого компен­сационного стабилизатора напряжения (рисунок 5.12, б) транзистор VТЗ является согласующим между усилителем постоянного тока и регулирующим элементом (согласует коллекторный ток транзис­тора VТ2 и базовый ток транзистора VT1). Резистором R5 подбирают режимы работы транзистора VT3. В остальном эта схема аналогична схеме (см. рисунок 5.12, а). Параметры схемы (коэффициент стабилизации и выходное сопротивление) опреде­ляются по тем же соотношениям. Необходимо только вместо коэффициента усиления по току регулирующего транзистора (β₁) подставлять значение общего коэффициента усиления составного транзистора из двух транзисторов VТ1 и VТЗ, равного их произ­ведению .

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R1 и R2. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.