3.3.2 Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения постоянного тока

Компенсационный стабилизатор представляет собой простейшую автоматическую систему регулирования, работающую на принципе отрицательной обратной связи (ООС). Для реализации такого принципа устройство, кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительный элемент (ИЭ), включающий в себя резистивный делитель. элемент сравнения, источник эталонного напряжения U_{эт ,} и усилитель постоянного тока УПТ (см. рис.3.13).

Рис.3.13. Структурная схема компенсационного стабилизатора.

Напряжение с выхода резистивного делителя, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается с эталонным напряжением и полученный сигнал ошибки U_ош = U_эт –к₁U_вых после усиления – управляет коэффициентом передачи регулирующего элемента. Увеличение U_ош, вызванное уменьшением выходного параметра, приведёт к увеличению коэффициента передачи РЭ. Это вызовет восстановление исходного значения выходного напряжения U_вых. И наоборот, увеличение U_вых, уменьшая сигнал ошибки, уменьшает коэффициент передачи РЭ.

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме (режим генератора тока). В ключевых стабилизаторах роль РЭ выполняют импульсные усилители мощности. Компенсационные стабилизаторы выполняются на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении.

Рассмотрим подробнее компенсационный стабилизатор на дискретных элементах, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис.3.14.

Назначение элементов стабилизатора.

VT1 – мощный низкочастотный транзистор n-p-n типа, играющий роль регулируемого сопротивления (регулирующий элемент), выбирается по току нагрузки, падению напряжения U_кб;

VT2 – транзистор n-p-n типа, выполняющий задачу усиления сигнала рассогласования (ошибки) и управляющий режимом работы транзистора VT1; На вход VT2 подается сигнал ошибки, поступающий с измерительного элемента (ИЭ).

ИЭ включает в себя делитель R4, R5, R6 и источник опорного напряжения, функции которого выполняет стабилитрон VD7

VD6 – стабилитрон (U_стаб около 12,6 В);

VD7 – стабилитрон (U_стаб около 6,8 В) – задает уровень опорного напряжения ;

Коэффициент передачи делителя можно изменять потенциометром R5, тем самым задавая уровень выходного стабилизированного напряжения в пределах 7,5…10,5 В;

R1 – резистор, ограничивающий ток через VD6;

R2 – резистор, ограничивающий ток базы транзистора VT1 и ток коллектора транзистора VT2.

Элементы R1, VD6, R2 являются сглаживающим фильтром, понижающим коэффициент пульсаций подводимого к стабилизатору напряжения U_вх­;

Резистор R3 ограничивает ток опорного стабилитрона.

Рассмотрим работу устройства.

Выходное напряжение стабилизатора равно разности его входного напряжения и падения напряжения между выводами коллектора и эмиттера регулирующего транзистора VT1:

U_вых = U_вх – U_{кэ VT1}.

В свою очередь, для U_КЭ справедливо выражение

U_{кэ VT1} = U_кб + U_бэ  U_{кб VT1} + const.

Напряжение U_{кб VT1} определяется падением напряжения на резисторах R1 и R2

U_{кэ VT1} = I₁R₁+ I₂R₂ = U_вх - U_{вых упт}.

Выходное напряжение усилителя постоянного тока U_{вых упт} равно:

U_{вых упт} = k (U_{б VT1} – U_{э VT2}),

где k – коэффициент усиления напряжения УПТ;

(U_{б VT1} – U_{э VT2}) – напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 УПТ.

Возникновение любых отклонений выходного напряжения стабилизатора от установленного значения приводит к изменению тока базы транзистора VT2, и соответственно тока его коллектора. В результате этого изменяется сопротивление коллекторного перехода регулирующего транзистора VT1 так, что возникшее отклонение компенсируется.

Допустим, выходное напряжение U_вых стабилизатора за счет увеличения входного напряжения U_вх­, либо изменения нагрузки увеличилось. Тогда напряжение, снимаемое с делителя R4, R5, R6 ( ) тоже возрастает. Так как опорное напряжение , снимаемое с VD7 постоянно, сигнал ошибки U_ош = U_эт – к1Uвых уменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения УПТ (VT2) и к соответствующему уменьшению падения напряжения на резисторах R1 и R2. Напряжение U_кб транзистора

VT1 уменьшается, VT1 подзапирается, его сопротивление увеличивается. Возникшее увеличение U_вых компенсируется повышением падения напряжения на VT1.

В результате этого выходное напряжение стабилизатора возвращается к исходному значению.

Чем выше коэффициент усиления по напряжению УПТ, тем точнее поддерживается уровень выходного напряжения и повышается скорость его восстановления. Если коэффициент усиления УПТ стремится к бесконечности, то выходное напряжение стабилизатора полностью определится коэффициентом передачи делителя напряжения на резисторах R4, R5, R6 и значением опорного (эталонного) напряжения U_оп. При перемещении движка потенциометра R5 в нижнее по схеме положение разница между опорным напряжением и напряжением, снимаемым с делителя, становится большим, базовый и коллекторный токи VT2 увеличиваются, падение напряжений на R1 и R2 увеличиваются. В результате падение напряжения на VT1 снижается, а выходное напряжение возрастает до нового заданного уровня. Так плавно можно изменять величину стабилизируемого напряжения U_вых..

Рис.3.14 Принципиальная схема компенсационного стабилизатора.