КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
Компенсационные стабилизаторы используют сравнение выходного напряжения с фиксированным опорным напряжением. Разностный сигнал через цепь отрицательной обратной связи подается на мощный регулирующий элемент, сопротивление которого меняется, стабилизируя выходное напряжение. Это позволяет получать весьма стабильное напряжение питания с очень малыми пульсациями пригодное для питания электронных схем с самыми высокими требованиями к качеству питающего напряжения. Компенсационные стабилизаторы могут выполняться с последовательным или параллельным включением регулирующего элемента. Структурные схемы приведены на рис.1.
Рис. 1. Структурные схемы стабилизатора компенсационного типа с последовательно (а) и параллельно (б) включенным регулирующим
элементом
Выходное напряжение подается на схему сравнения (СС), в которой оно сравнивается с заданным значением UВЫХ. При отклонении выходного напряжения UВЫХ от заданного значения на выходе схемы сравнения (СС) появляется сигнал рассогласования или управления U'y, который усиливается и подается на регулирующий элемент (РЭ). Это воздействие приводит к изменению внутреннего сопротивления РЭ, а значит, и падения напряжения на нем. При правильно подобранных параметрах схемы указанное изменение падения напряжения на регулирующем элементе должно скомпенсировать отклонение выходного напряжения UВЫХ от заданного значения. Таким образом, выходное напряжение будет стабилизировано.
Стабилизаторы с параллельно включенным РЭ имеют меньший КПД и поэтому применяются в маломощных источниках питания. Достоинством параллельного включения РЭ является более высокая надежность, так как отсутствует опасность перегрузок стабилизатора при коротких замыканиях на выходе.
В компенсационных стабилизаторах напряжения на полупроводниковых приборах с непрерывным регулированием функции регулирующего и усилительного элементов выполняют транзисторы, а в качестве источника опорного напряжения используется кремниевый стабилитрон, который вместе с резистором представляет собой, по существу, параметрический стабилизатор напряжения.
Простейший полупроводниковый стабилизатор напряжения с последовательно включенным регулирующим транзистором (рис. 2) состоит из следующих основных узлов: VT1 — регулирующий транзистор, VT2 — усилительный транзистор и схема сравнения: делитель RP и источник опорного напряжения, который включает стабилитрон VD и резистор Rб. Смещающее напряжение на базе усилительного транзистора VT2 представляет собой разность между напряжением на нижней части делителя UВЫХII и опорным напряжением UОП..
Рис. 2
Допустим, что вследствие изменения нагрузки или напряжения на входе схемы выходное напряжение UВЫХ увеличилось. При этом увеличится отрицательный потенциал базы VT2, что приведет к увеличению тока коллектора Iк транзистора VT2. Возросший ток IK2 создает на резисторе RK2 соответственно увеличенное падение напряжения, в результате чего понизится отрицательный потенциал базы транзистора VT1 и уменьшится ток его базы Iб1 а вместе с ним и ток коллектора IK1. Уменьшенный ток коллектора IK1 позволит восстановить напряжение UВЫХ практически до прежнего значения.
Регулировка выходного напряжения UBЫX осуществляется в схеме потенциометром RP (рис. 2). При перемещении движка в направлении минусовой шины стабилизатора увеличивается отрицательный потенциал базы транзистора VT2, что приводит к увеличению токов базы и коллектора VT2. Ток базы транзистора VT1 как показано выше, уменьшается, а вместе с ним уменьшается и ток коллектора IК1, что приводит к уменьшению выходного напряжения UBЫX. При перемещении движка потенциометра в сторону плюсовой шины напряжение на выходе стабилизатора UBЫX увеличивается.
В приведенной схеме (рис. 2) источник опорного напряжения включен в цепь эмиттера усилительного транзистора VT2. Напряжение коллектор — эмиттер VT2, т. е. UКЭ2 ~ UBЫX - UОП. Из этого следует, что для обеспечения необходимого напряжения UКЭ2 выходное напряжение UBЫX должно быть всегда больше опорного напряжения UОП.
Для получения малых выходных напряжений, т. е. когда UBЫX<UОП, и в случае, когда требуется регулирование выходного напряжения в широких пределах, применяется схема (рис. 3), в которой источник опорного напряжения подключается к плюсовой шине стабилизатора, а сравнивающий делитель (RI+RII) включается на суммарное напряжение: UBЫX+UОП. Принцип работы этой схемы аналогичен принципу действия схемы на рис. 2.
Рис. 3. Принципиальная схема полупроводникового стабилизатора на малые выходные напряжения
Стабилизаторы с параллельно включенным регулирующим элементом целесообразно использовать при малых мощностях нагрузки. Основными достоинствами этого стабилизатора являются: постоянство входного тока при изменениях тока нагрузки (при постоянном входном напряжении) и устойчивость к коротким замыканиям на выходе. Простейшая схема такого стабилизатора приведена на рис.4.
Рис. 4. Принципиальная схема полупроводникового стабилизатора напряжения с параллельно включенным регулирующим транзистором
Стабилизатор состоит из регулирующего транзистора VT1 балластного резистора Rб; усилительного элемента, выполненного на транзисторе VT2 и резисторе R3; источника опорного напряжения VD1, Rб1; делителя напряжения R1, RP, R2; дополнительного источника U0 и Rб2, VD2 для питания усилительного элемента схемы и выходной емкости С.
При увеличении входного напряжения увеличивается в первый момент напряжение на выходе, а значит, возрастает напряжение UВЫХ, а следовательно, увеличивается коллекторный ток усилительного транзистора VT2. Это вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R3, а значит, отрицательный потенциал на базе регулирующего транзистора VT1 увеличивается, что приводит к росту тока коллектора этого транзистора Iк1, Увеличение Iк1 вызывает рост общего тока схемы I1, а значит, и падения напряжения U1 на балластном резисторе. В результате напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до первоначального значения. Регулировка выходного напряжения в схеме осуществляется переменным резистором RP, как и в стабилизаторах с последовательно включенным регулирующим транзистором. КПД данной схемы меньше, чем схемы с последовательным включением транзистора.
Стабилизаторы в интегральном исполнении выполняются на основе полупроводниковой планарной технологии в объеме кристалла кремния. Схема стабилизатора компенсационного типа в интегральном исполнении и один из способов его включения представлены на рис. 6.
Регулирующий элемент стабилизатора выполнен на составном транзисторе VT6, VT7. Источником опорного напряжения являются параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD1 и полевом транзисторе VT1, который является стабилизатором тока VD1. Опорное напряжение со стабилитрона VD1 поступает на вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VT3 и резисторах R1, R2. На вход транзистора VT4 подается постоянное стабилизированное напряжение с резистора R2 и термокомпенсирующего диода VD2. Транзистор VT4 включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R3; напряжение на нем постоянно и равно напряжению на резисторе R2.
Рис. 6. Схема стабилизатора напряжения, выполненного
в интегральном исполнении
Усилительный элемент схемы (усилитель постоянного тока) выполнен на транзисторах VT5 и VT2, причем полевой транзистор VT2 является коллекторной нагрузкой VT5 Большое дифференциальное сопротивление, которым обладает полевой транзистор VT2, позволяет увеличить коэффициент усиления усилителя постоянного тока и уменьшить влияние изменения входного напряжения на выходное.
Транзистор VT9 предназначен для защиты стабилизатора от короткого замыкания и перегрузок. Транзистор VT9 позволяет выключать стабилизатор внешним сигналом. Работоспособность стабилизатора обеспечивается подключением делителя RP7, R9, который вкупе с вышеописанным источником опорного напряжения образует схему сравнения. Кроме того, к схеме подключаются резисторы схемы защиты R5, R6 и выходной конденсатор Сн.
Схема работает следующим образом. Изменение входного напряжения, допустим увеличение его в первый момент, приводит к увеличению выходного напряжения UВЫХ, которое неизбежно вызывает увеличение напряжения на нижнем плече делителя R9, а значит, и увеличение положи тельного потенциала на базе транзистора VT5; при этом увеличиваются его базовый и коллекторный токи. Увеличение тока коллектора VT5 вызывает увеличение падения напряжения на его нагрузке (VT2), что приводит к уменьшению токов базы транзисторов регулирующего элемента VT6, VT7, вследствие чего они запираются и напряжение коллектор — эмиттер транзистора VT6 возрастает. Указанное увеличение напряжения приводит к уменьшению выходного напряжения до исходного (заданного) значения Регулировка выходного напряжения UBbIX осуществляется в схеме переменным резистором RP.
Защита стабилизатора от короткого замыкания и перегрузок сводится к запиранию регулирующего транзистора. В нормальном режиме и небольших перегрузках по току, когда напряжение на резисторе R7 меньше напряжения на резисторе R5, база транзистора VT9 имеет отрицательный потенциал по отношению к его эмиттеру и VT9 закрыт. При значительных перегрузках или при коротком замыкании напряжение на R7 увеличивается, и как только это напряжение превысит напряжение на резисторе R5, потенциал базы VT9 становится положительным по отношению к его эмиттеру, транзистор VT9 открывается и его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Это увеличение коллекторного тока VT9 приводит к уменьшению токов базы транзисторов VT6 и VT7 , они запираются, что вызывает ограничение тока в цепи нагрузки. Следует сказать, что ток нагрузки, при котором срабатывает защита, зависит от сопротивления R7 , так как чем меньше значение R7, тем при больших токах нагрузки происходит срабатывание описанной схемы защиты.
Промышленностью выпускаются стабилизаторы в интегральном исполнении: К142ЕН1, КН2ЕН2, К142ЕНЗ и К142ЕН4 и др., причем по выходным напряжениям и температурной нестабильности параметров первые два типа делятся на группы А, Б, В и Г. На выходе микросхем первого типа можно получить стабилизированное постоянное напряжение от 3 до 12 В, на выходе микросхем второго типа — от 12 до 30 В, а на выходе микросхем третьего и четвертого типов — от 3 до 30 В. Максимальная мощность рассеивания микросхем указанных типов равна 0,8 Вт при температуре окружающей среды от —60 до +55 °С. Максимальный ток нагрузки при этих условиях равен 150 мА (первый и второй типы) и 1 А (третий и четвертый типы).
Дополнительный теплоотвод, на который может быть установлена микросхема, позволяет увеличить допустимую мощность рассеивания, а значит, использовать микросхемы на большие токи нагрузки. Для повышения выходной мощности стабилизатора допускается подключение внешнего регулирующего транзистора.