2.3. Компенсационные 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.

Наиболее широко распространены стабилизаторы последовательного типа. Они имеют довольно высокий кпд, экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации. В схеме простейшего стабилизатора последовательного типа с регулирующим транзисторам n-р-n-структуры (рис. 2.3 )регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой   в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель).

 Рис. 2.3. Стабилизатор последовательного типа с n-p-n-транзистором

Резистор   и стабилитрон VD1 образуют параметрический стабилизатор напряжения и являются источником  опорного напряжения  .

 Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора  . Так как напряжение   транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения  , то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при  ) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора  , что приводит к увеличению токов  , протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон   и резистор  . Падение напряжения на   возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер–коллектор VT1  , 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 (VT1, ). 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

,                                                                                                        (2.19)

где  – статический коэффициент усиления тока базы.

Так как потенциал базы транзистора VT1 практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе   так же постоян­но, не изменится при этом и ток  . Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1 на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будетизменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VT1становится 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:

;  .                                                                                    (2.20)

Входное напряжение   на элементах параллельной ветви распределится таким образом: , откуда  , тогда  .

Максимальный ток нагрузки транзисторного стабилизатора:

.                                                                                   (2.21)

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

                                                                                      (2.22)

К основным параметрам стабилизаторов последовательного типа относятся: коэффициент стабилизации  , коэффицент полезного действия  , выходное сопротивление  .

;                                                                                                 (2.23)

;                                                                                      (2.24)

,                                                                                            (2.25)

где  – входное сопротивление для схемы с общим эмиттером;  – коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рассмотренная схема транзисторного стабилизатора последовательного типа имеет ряд преимуществ перед параметрическими. Она допускает большие токи нагрузки, имеет меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в ней не удается.

Для улучшения электрических характеристик схемы компенсационного стабилизатора напряжения вводят усилитель постоянного тока.

Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 2.4.

 

 

 

Рис. 2.4. Регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа

 Его образуют: трансформатор  , понижающий переменное напряжение электросети до 10... 12 В; двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1–VD4, включенных по мостовой схеме; оксидный конденсатор С1, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения; стабилизатор напряжения на стабилитроне VD5 и транзисторах VT1 и VT2.

Выпрямление напряжения вторичной обмотки трансформатора происходит следующим образом. При положительной полуволне переменного напряжения на верхнем (по схеме) выводе этой обмотки диоды VD1и VD4 закрываются, а ток течет через открытые в это время диод VD2, транзистор VТ2, нагрузку  , и далее через диод VD3 к нижнему выводу обмотки. При положительном полупериоде на нижнем выводе обмотки открываются диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрываются. Теперь ток течет через диод VD4, транзистор VT2, нагрузку   и диод VD1. И так при каждом периоде переменного напряжения. Изменяются состояния диодов моста, а ток через нагрузку течет все время в одном направлении. Происходит двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Но напряжение непосредственно на выходе выпрямительного моста пульсирующее – постоянное по направлению, но изменяющееся по амплитуде с частотой 100 Гц (с удвоенной частотой напряжения электросети). С такой же частотой заряжается конденсатор С1, подключенный к мосту, и разряжается через нагрузку в моменты времени между импульсами. Заряжаясь и разряжаясь, конденсатор «сглаживает» импульсы выпрямленного напряжения, в результате чего через нагрузку течет постоянный ток. Чем больше емкость этого конденсатора, тем лучше сглаживаются импульсы выпрямленного напряжения.

С конденсатора С1 напряжение постоянного тока поступает на вход стабилизатора компенсационного типа, обеспечивающего нагрузке возможно стабильное напряжение, не изменяющееся из-за колебаний напряжения электросети и непостоянства значения тока, потребляемого нагрузкой. Основой стабилизатора служит стабилитрон VD5 – кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало и незначительно изменяется под воздействием протекающего через него тока. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а, значит, на нагрузке, подключенной к нему, поддерживается практически постоянным. Резистор R1, называемый балластным, определяет исходный режим работы стабилитрона.

Снимаемое со стабилитрона VD5 напряжение, соответствующее его коэффициенту стабилизации   (  стабилитрона Д814А может быть в пределах 11,5... 14 В), поступает на переменный резистор R2, включенный потенциометром (делителем напряжения), а с его движка – непосредственно на базу транзистора VT1, образующего с регулирующим транзистором VT2 так называемый составной транзистор стабилизатора. По мере перемещения движка резистора R2 вверх (по схеме) напряжение смещения на базах транзисторов и на нагрузке   увеличивается почти от 0 до 12 В.

Принцип работы стабилизатора заключается в следующем. Регулирующий транзистор VT2 включен эмиттерным повторителем (напряжение на его выходе повторяет напряжение на входе) и, следовательно, работает как усилитель тока, текущего через него и нагрузку. При повышении напряжения, поступающего на вход стабилизатора от выпрямителя, например из-за колебаний напряжения электросети, напряжение на выходе стабилизатора также стремится возрасти. Это приводит к тому, что напряжение на эмиттерном р-n-переходе транзистора начинает уменьшаться и, следовательно, закрывать его. При этом напряжение на участке эмиттер–коллектор транзистора возрастает настолько, что напряжение на входе стабилизатора снижается до исходного уровня. Аналогично стабилизатор реагирует и на понижения входного напряжения, но в обратном порядке. Таким образом, регулирующий транзистор стабилизатора выполняет функцию прибора, сопротивление которого при изменении входного напряжения и тока нагрузки управляет напряжением на эмиттерном переходе, в результате чего напряжение на выходе стабилизатора остается практически неизменным.

Надежность работы стабилизатора и значение тока, потребляемого нагрузкой, зависят от основных параметров регулирующего транзистора. Например, предельно допустимое напряжение между его эмиттером и коллектором должно быть больше максимального выходного напряжения стабилизатора, а предельно допустимый ток коллектора – больше максимального тока нагрузки. Потребляемый нагрузкой ток может быть тем больше, чем больше коэффициент  регулирующего транзистора, но при этом его предельно допустимая мощность рассеивания коллектора должна быть на 20...30 % больше максимальной мощности, потребляемой стабилизатором от выпрямителя. Этим требованиям наиболее полно отвечают транзисторы большой мощности.

Чтобы регулирующий транзистор во время работы не перегревался, его устанавливают на теплоотводе приемлемой конструкции.