5.2 Компенсационные стабилизаторы

Рассмотрим структурные схемы стабилизаторов непрерывного действия (рис. 66, рис. 67). На рисунке 66 представлена схема последовательного стабилизатора, на рисунке 67 – параллельного.

Рисунок 66. Структурная схема последовательного стабилизатора

Р исунок 67. Структурная схема параллельного стабилизатора

В схемах с последовательно включенным регулирующим элементом компенсация осуществляется за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элементе. В схемах с параллельно включенным регулирующим элементом поддержание на выходе постоянного напряжения осуществляется за счет изменения тока в регулирующем элементе, в результате чего изменяется напряжение на балластном сопротивлении, включенном последовательно с сопротивлением нагрузки. Обе схемы обеспечивают хорошую стабилизацию напряжения, одинаково хорошо ослабляют как медленные, так и быстрые изменения входного напряжения, т.е. одновременно являются и фильтрами. У последовательных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия и они более широко распространены. Схема простейшего стабилизатора изображена на рисунке 68.

Рисунок 68. Простейший стабилизатор компенсационного типа

О снову такого стабилизатора составляет эмиттерный повторитель, в базе которого с помощью параметрического стабилизатора создается опорное напряжение, повторяемое на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке приводит к изменению напряжения между базой и эмиттером, что, в свою очередь, к изменению сопротивления транзистора и восстановлению уровня напряжения на нагрузке. Степень стабильности напряжения определяется стабильностью опорного напряжения. Для увеличения коэффициента стабилизации применяют усилитель постоянного тока (рис. 69).

Рисунок 69. Компенсационный стабилизатор с усилителем постоянного тока

При изменении напряжения на нагрузке происходит изменение напряжения между базой (часть напряжения на нагрузке) и эмиттером (опорное напряжение). В результате изменяется коллекторный ток управляющего транзистора, что приводит к изменению сопротивления регулирующего транзистора и, как следствие, к восстановлению напряжения на нагрузке. Улучшить степень стабилизации можно подключением резистора к вспомогательному стабилизированному источнику питания, заменой резистора токостабилизирующим двухполюсником (как на рис. 59), увеличением коэффициентов усиления тока управляющего и регулирующего транзисторов. Для уменьшения мощности управления регулирующим транзистором его делают составным.

При уменьшении сопротивления нагрузки Rn или при скачке напряжения на входе, ток через регулирующий транзистор может превысить допустимые значения. Для ограничения тока в цепь этого транзистора вводят дополнительные элементы. Например, VT2, R4, R5, а также стабилитрон VD1 и резистор R3 (рисунок 70).

Рисунок 70. Стабилизатор с цепями защиты.

Роль управляющего усилителя в схеме (рис.70) выполняет операционный усилитель, на входе которого выходное напряжение стабилизатора сравнивается с опорным.

При увеличении выходного тока, в том числе и при коротком замыкании на выходе, напряжение на резисторе R5 становится достаточным для открывания транзистора VT2. За счёт этого уменьшается ток базы транзистора VT1, что приводит к увеличению его эквивалентного сопротивления и, таким образом, ограничению выходного тока.

При значительном увеличении входного напряжения происходит быстрый рост мощности, рассеиваемой транзистором VT1. Для ограничения выходного тока и, соответственно, тока транзистора VT1, используют дополнительно резистор R3 и стабилитрон VD1.

Если разность напряжений Uвх – Uвых остаётся меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1, ток через резистор R5 равен нулю и уровень ограничения тока определяется соотношением Iвых max ≈ 0.6 B/R5. Если же эта разность превысит напряжение стабилизации, то ток, протекающий через резистор R5, будет открывать транзистор VT2 при уровнях меньших, чем уровни ограничения, определяемые резистором R3.

Рассмотренная схема стабилизатора положена в основу большого числа интегральных стабилизаторов напряжения.

В простейшем случае такие стабилизаторы имеют три внешних вывода: вход, выход, общий провод; и выпускаются на напряжения от 5 до 30 В.

При необходимости напряжение и ток таких стабилизаторов могут быть повышены с помощью дополнительных стабилитрона (рис.71а) и внешнего мощного транзистора (рис.71б). Включение стабилитрона и резистора повышает уровень опорного напряжения и, следовательно, напряжения на выходе.

Внешний транзистор совместно с транзистором микросхемы образуют комплиментарный составной транзистор, что приводит к увеличению рабочего тока стабилизатора.

а) б)

Рисунок 71. а) Повышение выходного напряжения стабилизатора.

б) Повышение выходного тока стабилизатора.

П ростейшая схема параллельного стабилизатора представлена на рисунке 72.

Рисунок 72. Схема параллельного стабилизатора

Изменение напряжения на нагрузке приводит к изменению напряжению между базой и эмиттером, изменению сопротивления транзистора и перераспределению напряжения между нагрузкой и балластным сопротивлением.

Часто бывает необходимо поддерживать постоянным ток, протекающий через нагрузку. Этой цели служат стабилизаторы тока. Одна из возможных схем представлена на рисунке 73.

Рисунок 73. Схема стабилизатора тока

При увеличении тока нагрузки повысится потенциал эмиттера управляющего транзистора, потенциал базы которого неизменен. Ток коллектора этого транзистора возрастает, что приводит к увеличению потенциала базы регулирующего транзистора. Сопротивление регулирующего транзистора увеличится, и ток через нагрузку вернется к номинальному значению.