Лекция 9

2.4.3. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регу­лированием

     Структурная схема стабилизатора. Регулируемый транзистор выполняет роль регулируе­мого сопротивления. Сигнал обратной связи (ОС) берётся с выхода стабилизатора сравнива­ется с опорным, 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.

     Пусть транзистор включен последовательно с нагрузкой. При возрастании U_вх возрастает и U_вых, на входе УПТ появляется сигналU_вхУПТ=U_вых-E_on=. Запирающее напряжение, сни­маемое с выхода УПТ на базуVT, возрастает на величину _зап=K_у, гдеK_у - коэфициент усиления УПТ. Вследствие этогоI_к уменьшается, аU_кэповышается.

_вх = _{кэ+ вых}(2.4.1.)      Так как _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) сE_on.      Особенностью схем с последовательным включением является то, что в них имеются две петли отрицательной обратной связи (ООС). Одна из петель замыкается через усилитель, а вторая возникает из-за того, чтоU_выхвоздействует на эмиттер триода непосредственно.      Если даже первая петля отрицательной обратной связи (ООС) разомкнута (коэфициент усиления УПТК_уптравен нулю), благодаря действию второй петли обратной связи (ОС) ста­билизатор сохраняет часть стабилизирующих свойств. При большомК_уптосновной является первая петля отрицательной обратной связи (ООС).U_вых E_on , поэтому нельзя получить более стабильное напряжение, чем опорное. НоU_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. 2.4.1.VT1 - регулируемый транзистор, УПТ собран наVT2 , ИОН включаетVD и R3 ,R3используется для вывода стабилизатора на рабочий участок характеристикиU_on=U_вых-(U_вых /(R3+R_ст))R3,R 1 и R2 - выходной делитель напряжения, обеспечивающий подачу напряже­ния смящения на базуVT2.U_бэ2=U_выхR2 /(R1+R2)-U_on

Рис. 2.4.1.

     Силовая цепь включает источник питания U_вх,VT1,R_н. VT1входит в каскад с общим кол­лектором, гдеU_вх - напряжение питания;U_б1 - входное, а выходноеU_вых=U_б1-U_бэ1. Для полу­чения требуемого напряженияU_н необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителяU_к2=U_б1 было близко кU_н. Для этого питание коллекторной цепиVT2 осуществляют от от­дельного источника с напряжениемE_к. При |U_вх||U_вых||U_R2||U_бэ2|I_б2 I_к U_Rк U_к2=U_б1 U_бэ1 I_б1 I_к1 U_кэ1U_вых почти до прежней величины.      Для управления транзисторами силовой цепи от УПТ требуется заметная выходная мощ­ность. Для сопряжения этих каскадов применяют дополнительный транзисторный усилитель тока, который вместе с основным силовым транзистором образует составной (сдвоенный) транзистор (рис 2.4.2.). Если подключение одного транзистора не обеспечивает усиление по току, то можно применить строённый транзистор (рис. 2.4.3.).

Рис 2.4.2.                           Рис 2.4.3.

     Поскольку (в схеме с ОК), ток управления составным транзисторомI_б03 <<I_э01 (выход­ного транзистора). Для схемы, состоящей из трёх транзисторов(2.4.2.)      РезисторыR1иR2создают цепи протекания для тепловых неуправляемых токовI _кэ0 транзисторовVT01иVT02, исключая их протекание по цепям баз последующих транзисто­ров.R(1,2)=(1,5 2)U_н/I_кэ0(2.4.3.)      Существуют и другие варианты силовой цепи. Применяют параллельное включение двух и более транзисторов, еслиU_вх-U_выхбольше, чемU_кэ одного транзистора.      Существует множество схем усилителей и цепей сравнения стабилизаторов. Наиболее простая изображена на рис 2.4.4. Существенным недостатком этой схемы является невысо­кая стабильность из-за прямой связи базы силового транзистора сU_вх черезR1(U_вх I_б1 U_кэ1U_вых ). ЗдесьU_вых>U_on. Делитель имеет регулируемый резистор для точной установкиU_вых. (1 / _0гС)<<R3+R4+R5.С включается для сглаживания пульсаций.

Рис. 2.4.4.

     Ранее рассмотренная схема имеет лучшие показатели, но требуется дополнительный ис­точник E_к. В схему на рис 2.4.4. вместоR₁ можно включить стабилизатор тока на полевом транзисторе, это улучшит стабильность схемы.Если требуется стабилизировать малое напряжение (меньше 810 В), трудно найти качест­венный стабилитрон на нужные напряжения. В этом случае применяют стабилитрон на прежнее напряжение (больше 57 В), но для задания режима на стабилитроне применяют дополнительный источникЕ(рис. 2.4.5.)U_вых=U_кэ2 -U_бэ1.

Рис. 2.4.5.

     При работе стабилизатора в широком диапазоне температур в качестве УПТ используют балансный каскад или так называемый дифференциальный усилитель (рис 2.4.6.). Изменение температуры транзисторов VT₂ иVT₃ в одинаковой степени смещает их рабочие точки и дес­табилизирующее изменение напряжения на коллектореVT₁не возникает (∆U_бэ1≈0).      U_бэ1=U_к3-U_к2(2.4.4.)

Рис. 2.4.6.

     В стабилизаторах последовательного типа силовой транзистор может выйти из строя, если произойдёт короткое замыкание. Для предотвращения этого применяют так называемую "транзисторную" защиту (рис 2.4.7.). В нормальном режиме U_бэ3мало и VT₃заперт. При ко­ротком замыканииU_R3 возрастает,U_{бэ3< img src=007.jpg>} ,VT₃ открывается,ток через него возрас­тает и на базу регулируемого транзистораVT₁ подаётся запирающее напряжение.

Рис. 2.4.7.

     Регулируемый транзистор можно включить параллельно нагрузке. Структурная схема та­кого стабилизатора приведена на рис 2.4.8. При увеличении U_вх,U_вых так же увеличивается. На входе УПТ появляется сигнал рассогласования=U_вых-E_on. Он усиливается УПТ и посту­пая на базуVT, приоткрывает его. Ток, потребляемый транзистором, возрастает и, протекая поR_Г, увеличивает падение напряжения на нём.U_вых уменьшается .R_Г иVT образуют сило­вую цепь стабилизатора.U_вх=U_RГ+U_вых(2.4.5.)

Рис. 2.4.8.

     Показатели нестабильности у схем с параллельным и последовательным включением от­личаются незначительно. Основное различие этих схем в КПД. В стабилизаторе с парал­лельным включением поR_Гпротекает ток I_RГ=I_н+I_к.      Потери мощности в регулируемом транзисторе, добавляясь к потерям вR_Г, делаютКПДзначительно меньшим, чем у схемы с последовательным включением. По этой причине ста­билизаторы с параллельным включением применяют значительно реже, чем с последова­тельным.      За счёт падения напряжения наR_Г U_вых<U_вх, поэтому эту схему применяют для получе­ния низких напряжений (рис. 2.4.9.). Такой стабилизатор имеет и достоинство: нечустви­тельность к коротким замыканиям на выходе.

Рис. 2.4.9.

     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. учебно-методическое пособие "Стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах").