Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием

Структурная схема стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием изображена на рис.2.4.9. Регулируемый транзистор выполняет роль регулируемого элемента. Сигнал обратной связи (ОС) берётся с выхода стабилизатора, усиливается усилителем и сравнивается с опорным. Сигнал рассогласования с выхода усилителя постоянного тока (УПТ) воздействует на регулируемый транзистор, изменяя его сопротивление и поддерживая этим постоянство выходного напряжения.

Транзисторные стабилизаторы делятся на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением регулируемого транзистора.

Рис.2.4.9

Пусть транзистор включен последовательно с нагрузкой (рис.2.4.10). При возрастании U_вх возрастает и U_вых, на входе УПТ появляется сигнал

U_вхУПТ= U_вых - E_on=DU.

Запирающее напряжение, снимаемое с выхода УПТ на базу VT, возрастает на величину DU_зап = K_у´DU, где K_у - коэфициент усиления УПТ. Вследствие этого коллекторный ток I_к уменьшается, а U_кэ повышается.

Рис.2.4.10

. (2.4.12)

Согласно (2.4.12) так как DU_кэ увеличивается, U_вых уменьшается. Так обеспечивается отрицательная обратная связь (ООС) в схеме. Транзистор входит в силовую цепь стабилизатора. В схему сравнения входит источник опорного напряжения (ИОН) с E_oп.

Особенностью схем с последовательным включением является то, что в них имеются две петли отрицательной обратной связи. Одна из петель замыкается через усилитель, а вторая возникает из-за того, что U_вых воздействует на эмиттер триода непосредственно.

Если даже первая петля отрицательной обратной связи разомкнута (коэффициент усиления УПТ К равен нулю), благодаря действию второй петли обратной связи стабилизатор сохраняет часть стабилизирующих свойств. При большом К основной является первая петля отрицательной обратной связи.

U_вых » E_oп, поэтому нельзя получить более стабильное напряжение, чем опорное. Но U_вых более стабильно, чем в параметрическом стабилизаторе, так как через ИОН не проходит ток нагрузки. Это и позволяет получить высокостабильное напряжение.

Принципиальная схема стабилизатора с последовательным включением представлена на рис. 2.4.10. VT1 - регулируемый транзистор, УПТ собран на VT2 , ИОН включает VD и R3 , R3 используется для вывода стабилизатора на рабочий участок характеристики. U_on = U_вых -( U_выхR3/(R3+R_ст)) ; R 1 и R2 - выходной делитель напряжения, обеспечивающий подачу напряжения смещения на базу VT2. U_бэ2= U_вых R2 / (R1+R2)- U_oп.

Рис.2.4.10

Силовая цепь включает источник питания U_вх, VT1, R_Н. VT1 входит в каскад с общим коллектором, где U_вх, - напряжение питания; U_б1 - входное напряжение, а выходное U_вых = U_б1- U_бэ1. Для получения требуемого выходного напряжения необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя U_к2= U_б1 было близко к U_вых. Для этого питание коллекторной цепи VT2 осуществляют от отдельного источника с напряжением E_к. При снижении | U_вх | уменьшается | U_вых |. Это ведет к уменьшению |UR₂|, | U_бэ2|, I_б1, I_к2, UR_к.↓ В результате повышаются U_б1, U_бэ1 = U_б1 = U_вых, I_б1, I_к1, что приводит к понижению U_кэ1 и повышению U_вых почти до прежней величины.

Рис.2.4.11.

Поскольку (в схеме с ОК), ток управления составным транзистором I_б03 <<I_э01 (выходного транзистора). Для схемы, состоящей из трёх транзисторов

. (2.4.13)

Резисторы R1 и R2 создают цепи протекания для тепловых неуправляемых токов I_кэ0 транзисторов VT01 и VT02, исключая их протекание по цепям баз последующих транзисторов.

. (2.4.14)

Существуют и другие варианты силовой цепи. В высоковольтных стабилизаторах применяют последовательное включение двух и более транзисторов, если U_вх - U_вых больше, чем одного транзистора.

Существует множество схем усилителей и цепей сравнения стабилизаторов. Наиболее простая изображена на рис 2.4.12. Существенным недостатком этой схемы является невысокая стабильность из-за прямой связи базы силового транзистора с U_вх через R1 При увеличении U_вх возрастает I_б1, что приводит к снижению U_кэ1 и повышению U_вых, то есть ослабляется стабилизирующая функция цепи обратной связи .Делитель имеет регулируемый резистор для точной установки U_вых конденсатор включается для сглаживания пульсаций. Его емкость выбирается из условия:

.

Рис. 2.4.12.

Ранее рассмотренная схема имеет лучшие показатели, но требуется дополнительный источник E_к. В схему на рис 2.4.12. вместо R1 можно включить стабилизатор тока на полевом транзисторе VT1, это улучшит стабильность схемы (рис,2.4.13).

Рис.2.4.13

Если требуется стабилизировать малое напряжение (меньше 8 ¸10 В), трудно найти качественный стабилитрон на нужные напряжения. В этом случае применяют стабилитрон на прежнее напряжение (больше 5 ¸7 В), но для задания режима на стабилитроне применяют дополнительный источник Е (рис. 2.4.14.) U_вых = U_кэ2 - U_бэ1.

Рис. 2.4.14.

При работе стабилизатора в широком диапазоне температур в качестве УПТ используют балансный каскад или так называемый дифференциальный усилитель (рис 2.4.15.). Изменение температуры транзисторов VT2 и VT3 в одинаковой степени смещает их рабочие точки и дестабилизирующее изменение напряжения на коллекторе VT1 не возникает так как , ∆U_бэ1 = .

Рис. 2.4.14.

В стабилизаторах последовательного типа силовой транзистор может выйти из строя, если произойдёт короткое замыкание. Для предотвращения этого применяют так называемую транзисторную защиту (рис 2.4.15.). В нормальном режиме U_бэ3 мало и VT3 заперт. При коротком замыкании U_R3 возрастает, U_бэ3 = U_R3 - U_R2 увеличиваются, VT3 открывается, ток через него возрастает и на базу регулируемого транзистора VT1 подаётся положительное запирающее напряжение.

Рис. 2.4.15.

Регулируемый транзистор можно включить параллельно нагрузке. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис 2.4.16. При увеличении U_вх, U_вых так же увеличивается. На входе УПТ появляется сигнал рассогласования ∆U = U_вых -E_on. Он усиливается УПТ и поступая на базу VT, приоткрывает его. Ток, потребляемый транзистором, возрастает и, протекая по R_Г, увеличивает падение напряжения на нём. U_вых уменьшается . R_Г и VT образуют силовую цепь стабилизатора.

. (2.4.15)

Рис. 2.4.16.

Показатели нестабильности у схем с параллельным и последовательным включением отличаются незначительно. Основное различие этих схем в КПД. В стабилизаторе с параллельным включением по R_Г протекает ток I_RГ=I_н+I_к. Потери мощности в регулируемом транзисторе, добавляясь к потерям в R_Г, делают КПД значительно меньшим, чем у схемы с последовательным включением. По этой причине стабилизаторы с параллельным включением применяют значительно реже, чем с последовательным.

На рис.2.4.17 изображена принципиальная схема такого стабилизатора. За счёт падения напряжения на R_Г U_вых < U_вх , поэтому эту схему применяют для получения низких напряжений (рис. 2.4.9.). Такой стабилизатор имеет и достоинство- нечувствительность к коротким замыканиям на выходе.

Рис. 2.4.17.

В настоящее время в большинстве случаев применяются стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении. Их достоинства общие для ИМС: высокая надёжность, малые габариты и масса, низкая цена. (См. учебное пособие по самостоятельной работе).