2.22.2. Линейные стабилизаторы напряжения последовательного действия (с переходным регулирующим элементом)

На рис. 43 показана обычная схема стабилизатора напря­жения последовательного действия.

Рис. 43. Стабилизатор последовательного действия.

Это схема с замкнутой обратной связью. Здесь Т₁ представляет собой проходной регу­лирующий транзистор, Т₂ выполняет роль усилителя тока для Т₁. Так как большинство мощных, последовательно включаемых транзисторов имеет довольно малое значение h_21Э (порядка 20 – 30), то транзисторы Т₁ и Т₂ включены по схеме Дарлинг­тона. Выход транзистора Т₁ на нагрузку берется с эмиттера, так что Т₁ и Т₂ обеспечивают усиление по току, а не по напря­жению. Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, с которого снимается часть выходного стабилизируемого напря­жения U_вых. Это напряжение сравнивается с опорным (U_оп), получаемым от стабилитрона (Ст) с помощью ОУ. Входное напряжение ОУ представляет собой разность между опорным напряжением и напряжением U*_вых:

U*_вх = U_оп – U*_вых = U_Ст – U*_вых [R₂ /(R₁ + R₂)]. (20)

Это напряжение U*_вх усиливается усилителем и воздействует на проходной транзистор так, чтобы скорректировать любые изменения выходного напряжения, возникающие как под влия­нием изменения входного напряжения, так и тока нагрузки. Стабилизаторы последовательного действия работают следующим образом: если U_вых уменьшается либо под влиянием уменьшения U_вх, либо увеличения тока нагрузки, то U*_вых также уменьшается, а U_оп остается постоянным. Разность U_оп – U*_вых возрастает, поскольку напряжение на инвертирующем входе ОУ становится отрицательным по отношению к U_оп. Выходное напряжение ОУ становится положительным, что вызывает из­менение напряжения на эмиттерах Т₁ и Т₂ в положительном направлении до тех пор, пока не восстановится приближенное равенство U*_вых ≈ U_оп. Последнее будет иметь место в случае, когда U_вых достигнет значения, которое было до изменения на­грузки или входного напряжения. Выходное напряжение ОУ вызывает дополнительное отпирание Т₁ и Т₂, что в свою оче­редь приводит к такому увеличению тока нагрузки, которое компенсирует падение U_вых. При этом напряжение коллектор – эмиттер U_КЭ Т1 уменьшается и таким образом компенсирует снижение выходного напряжения. В случае, когда U_вх возра­стает или I_н уменьшается, процесс в системе протекает в обрат­ном направлении.

Так как U_КЭ Т1 = U_вх – U_вых и весь ток нагрузки протекает через Т₁, то к. п. д. схемы непосредственно зависит от величины U_КЭ Т1. Например, если стабилизатор напряжения последова­тельного действия обеспечивает 15 В стабилизированного на­пряжения при нестабилизированном входном напряжении 30 В, то максимальный к. п. д. = Р_вых/Р_вх = 50 %. Для получения высокого к. п. д. необходимо, чтобы разность U_вх – U_вых была по возможности меньшей, однако при этом существует предел. Для обеспечения линейности разность U_вх – U_вых должна быть больше, чем U_БЭ Т1 + U_БЭ Т2 + U_{КЭ Т1 мин}. Для большинства мощ­ных транзисторов напряжение U_КЭ ≈ 2В достаточно для обес­печения линейности. Поэтому для надежной линейной работы Т₁ и Т₂ в линейном режиме необходимо, чтобы U_вх – U_вых ≥ 3,5 В. Нестабилизированное входное напряжение обычно имеет пульсации, и поэтому U_{вх. мин} должно быть выше примерно на 3,5 В, чем U_вых.

Для этого типа стабилизаторов напряжения могут быть использованы многие типы ОУ. Операционный усилитель в данном случае имеет однополюсный источник питания, причем нестабилизированное напряжение используется как + U, а земля как – U. Выходное напряжение ОУ должно быть достаточным для того, чтобы устанавливались требуемые значения стабилизированного выходного напряжения и падений напряжения между базой и эмиттером транзисторов Т₁ и Т₂.

Если ОУ имеет вывод «земля», то для того, чтобы установить на этом выводе напряжение, равное примерно U_вых/2, следует использовать делитель напряжения или стабилитрон, питаемые стабилизируемым выходным напряжением. Величина U_вых ограничена максимальным значением напряжения питания ОУ.

Если R₁ на рис. 43 представляет собой потенциометр, то выходное напряжение может устанавливаться в диапазоне от (U_вх – 3,5 В) до напряжения чуть выше U_Ст1 Очевидно, выход источника питания не может быть установлен меньшим, чем U_Ст1 так как U_оп должно быть всегда чуть больше U*_вых. Если предположить, что коэффициент усиления по напряжению пары Дарлингтона равен единице, то коэффициент усиления разом­кнутой цепи, состоящей из ОУ, T₁ и Т₂, равен коэффициенту уси­ления А операционного усилителя. При отсутствии U_вх к усили­телю прикладывается только U_Ст, цепь обратной связи для ста­билизатора образуется делителем R₁, R₂. При этом выходное на­пряжение U_вых = AU_Ст. В развернутом виде

U_вых = U_Ст [A/(1 + Aβ)], но β = R₂/(R₁ + R₂), а А>>(R₁ + R₂)/R₂.

Поэтому U_вых ≈ U_Ст [(R₁ + R₂)/R₂]. (21)

Таким образом, когда прикладывается U_вх, U_вых будет изме­няться до тех пор, пока U*_вых = U_оп, как будто бы схема ста­билизации в целом представляет собой неинвертирующий опе­рационный усилитель.

Уравнение, связывающее изменение выходного напряжения стабилизатора с изменением входного напряжения, имеет вид

ΔU_вых / ΔU_вх = (R_н /R_К)[(R₁ + R₂)/AR₂], (22)

где R_н – сопротивление нагрузки, R_K – динамическое сопротив­ление коллектора, А – коэффициент усиления ОУ в разомк­нутом состоянии по напряжению, R₁ и R₂ – резисторы, образую­щие делитель напряжения, с которого снимается U*_вых.

Если в качестве последовательного регулирующего элемента используется пара Дарлингтона, то R_К транзистора Т₁ увели­чивается до R_{К Т1 эфф} = R_{К Т1} h_{21Э Т2}, где h_{21Э Т2} – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером для управляю­щего транзистора в паре Дарлингтона.

Уравнение изменения выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока будет иметь вид

ΔU_вых / ΔU_вх = (R_н /А)[(R₁ + R₂)/R₂]. (23)