речисленные функциональные узлы выполнены на одном кристалле и имеют глубокую тепловую связь. Интегральный стабилитрон имеет дифференциальное сопротивление меньше 0,5 Ом, исключительно низкий уровень шума и исключительно высокую долговременную стабильность. Время выхода на рабочий режим (время разогрева) составляет всего 3 с. Типовая схема включения ИМС приведена на рис. 6.25, б.

6.4. Компенсационные стабилизаторы напряжения

6.4.1. Компенсационные стабилизаторы напряжения на транзисторах

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже — гальванические батареи.

Рассмотрим структурную схему стабилизатора последовательного типа (рис. 6.26, а), в которой регулирующий элемент (РЭ) включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Разностный сигнал рассогласования Uн – Uоп , формируемый источником опорного напряжения ИОН и нагрузкой, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на РЭ.

При положительном сигнале рассогласования (Uн – Uоп > 0) внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Upэ на нем увеличивается. Поскольку РЭ и нагрузка включены последовательно, при увеличении Upэ выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению Uоп .

При отрицательном сигнале рассогласования (Uн – Uоп < 0), наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, чтоприводитквозрастаниювыходногонапряженияUн.

306

Рис. 6.26. Структурная (а) и электрическая (б) схемы КСН последовательного типа

Принципиальная схематранзисторногокомпенсационного стабилизатора последовательного типа приведена на рис. 6.26, б. Роль РЭ в этой схеме играет транзистор VT1. С ростом величины |Uвх | выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая сигнал рассогласования Uбэ на входе усилителя постоянного тока, выполненного натранзисторе VT2. Токколлектора транзистора VT2 возрастает, апотенциалегоколлекторастановитсяболееположительнымотносительно «земли». Напряжение «база-эмиттер» транзистора VT1 уменьшается, чтоприводитквозрастаниювнутреннегосопротивления этого транзистора и падению напряжения на нем. Выходное напряжениеприэтомуменьшается, стремяськпрежнемузначению.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включенных стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R1, R2, R3, включенного в выходную цепь стабилизатора таким образом, как показано на рис. 6.26, б.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то в этом случае выходное напряжение стабилизатора равно:

Ток через делитель Iдел выбирают обычно на порядок выше, чем ток базы транзистора VT2. Дальнейшее увеличение тока де-

307

лителя за счет снижения сопротивлений R1 , R2 , R3 нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД схемы. В этом случае выражение (6.7) принимает вид:

Uн ≈ Uоп[1 + (R1 + R2′)/(R3 + R2′′)].

Если в схеме рис. 6.26, б базу транзистора VT2 подключить непосредственно к выходу стабилизатора, то выполняется равенство Uоп = Uн ; коэффициент стабилизации и выходное сопротивление при этом определяются выражениями:

Кст ≈ (Uн /Uвх )·Rк1 / (Rд + Rвхб2);

Rвых = [(Rэ2 + Rд )(1 + β2) + Rб2]/(1 + β1β2 ) ≈ 1/β1·(Rвхб2 + Rд ).

Очевидно, что коэффициент стабилизации и выходное сопротивление стабилизатора с делителем на выходе можно записать следующим образом:

Кст дел = Кст Кдел,

Rвых дел = Rвых·1/Кдел,

где Кдел = (R3 + R2″)/(R1 + R2 + R3) ≈ Uоп /Uн — множитель, обусловленный влиянием делителя на коэффициент стабилизации Кст, най-

денный при Uоп = Uн.

Таким образом, делитель напряжения в схеме стабилизатора (см. рис. 6.26, б) уменьшает коэффициент стабилизации схемы и повышает выходное сопротивление стабилизатора.

На практике применяются компенсационные стабилизаторы — постоянного напряжения и с параллельным включением регулирующего элемента. На рис. 6.27 представлена принципиальная схема стабилизатора с параллельным включением РЭ.

Принципиальная схема состоит из РЭ на транзисторе VT1, балластного резистора Rб, усилительного элемента на VT2 и R3, источника опорного напряжения типа ППС на VD1 и Rб1, делителя напряжения R1 , Rр, R2, дополнительного источника U0 и Rб2, VD2 для питания усилительного элемента схемы и выходной емкости С.

Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. При увеличении входного напряжения начинает увеличиваться вы-

308

ходное напряжение Uвых. Увеличится и падение напряжения на резисторе R2. Потенциал базы станет более отрицательным по отношению к эмиттеру. Ток коллектора усилительного транзистора VT2 увеличится. Это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R3. В результате этого

увеличится отрицательный потенциал на базе регулирующего транзистора VT1, что приведет к возрастанию коллекторного тока Iк и вызовет рост общего тока схемы I1 = Iк + Iн . Следовательно, увеличится падение напряжения на выходе стабилизатора до первоначального значения. Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором Rп .

Основные достоинства стабилизаторов с параллельным включением РЭ по сравнению со стабилизаторами с последовательным включением РЭ: постоянство входного тока при изменениях сопротивления нагрузки (при постоянном входном напряжении) и нечувствительность к коротким замыканиям на выходе. Недостаток — низкий КПД.

6.4.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения на операционных усилителях

Для повышения коэффициента стабилизации КСН необходимо увеличивать коэффициент усиления УПТ. С этой целью можно применять двухкаскадные УПТ на транзисторах или операционные усилители (ОУ). Схемы КСН с ОУ приведены на рис. 6.28.

На рис. 6.28, а приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на основе ОУ, используемая при малых токах нагрузки. При этом напряжение на выходе схемы:

Uвых = KОУос Uоп h (Rос /R1 + 1) Uоп .

309

Рис. 6.28. Схемы простого КСН на ОУ (а) и с регулировкой выходного напряжения (б)

Напряжение на выходе схемы остается постоянным при изменении сопротивления нагрузки Rн. Для получения опорного напряжения Uоп использован ППС, выполненный на основе резистора R2 и стабилитрона VD. Изменяя сопротивление в цепи обратной связи Rос, можно регулировать выходные напряжения схемы.

На рис. 6.28, б представлена электрическая схема простейшего КСН, выполненного на основе операционного усилителя. Структурная схема такого КСН аналогична рассмотренной выше для КСН на транзисторах с последовательным РЭ (см. рис. 6.27,б).

ИсходноеуравнениедляэтогоКСНможетбытьпредставленоввиде:

где Uоп — напряжение опорного источника, Uвых — выходное напряжение стабилизатора, Кд — коэффициент передачи делителя напряжения, К0 — коэффициент усиления сигнала рассогласования ОУ и регулирующего элемента РЭ.

Из уравнения (6.8) получим значение напряжения на выходе стабилизатора:

Uвых = UопК0 /(1 + К0Кд ).

Если усиление ОУ достаточно велико, то при условии К0Кд . 1 получаем из (6.8)

310

Таким образом, из уравнения (6.9) следует, что выходное напряжение этого КСН не зависит от изменения напряжения на входе Uвх и пропорционально опорному напряжению Uоп . Иначе говоря, стабильность выходного напряжения КСН зависит только от нестабильности элементов, включенных в цепь обратной связи, и не зависит от нестабильности элементов в цепи прямой передачи. Применение делителя позволяет получать выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника.

К напряжению на входе предъявляются требования такие же, как к напряжению питания усилителя: оно должно быть больше, чем напряжение на выходе, хотя бы на падение напряжения на регулирующем элементе РЭ. Чем меньше падение напряжения на РЭ, тем выше будет КПД стабилизатора. Поэтому для нормальной работы КСН необходимо выполнение условий:

Uвх > Uвых > Uоп > Uд .

В качестве стабилитрона можно использовать одну из стабилитронных ИМС. Регулирующий элемент выполнен по схеме эмиттерного повторителя с коэффициентом передачи, близким к единице.

Обращаясь к выражению (6.9), нетрудно заметить, что выходное напряжение зависит от стабильности источника опорного напряжения Uоп и не может быть стабильнее последнего. Следовательно, если обеспечить постоянство тока через стабилитрон, то нестабильность параметрического стабилизатора будет такой же, как и компенсационного.

Кроме опорного напряжения на нестабильность выходного напряжения влияет изменение коэффициента передачи делителя напряжения. В связи с этим делитель напряжения должен выполнятьсянарезисторахсодинаковымтемпературнымкоэффициентомсопротивления.

Влияние изменения коэффициента усиления ОУ можно практически исключить, если сделать его достаточно большим (больше 1000). В формулу (6.9) для выходного напряжения КСН не входят ток нагрузки Iн и входное напряжение Uвх. В связи с этим может сложиться мнение, что выходное сопротивление и коэффициент нестабильности по напряжению такого стабилизатора равны нулю, поскольку из (6.7) следует, что

Rвых = ∆Uвых /∆Iн = 0 и КнU = ∆Uвых /∆Uвх = 0.

311