4. Компенсационный стабилизатор напряжения

В компенсационных стабилизаторах напряжения (КСН) уменьшение степени воздействия дестабилизирующего фактора достигается за счет изменения сопротивления регулирующего элемента (РЭ), включаемого последовательно или параллельно с нагрузкой. Изменение сопротивления осуществляется путем подачи управляющего сигнала на РЭ, формируемого при сравнении выходного напряжения со стабильным опорным напряжением.

Схема последовательного КСН приведена на рис. 4. В ней транзистор VT1 выполняет функции РЭ. Напряжение U_д на выходе делителя R4-R6 сравнивается с опорным напряжением U_ст на КС.

Рис. 4

Разность, этих напряжений усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) на транзисторе VT2 и управляет током базы VT1.

Особенностью схемы исследуемого КСН является питание цепей базы VT1 и коллектора VТ2 не через резистор, а через токоcтабилизирующую схему на транзисторе VT3. В цепь базы VT3 включены в прямом направлении кремниевые диоды VD1 и VD2. При достаточно большом токе падение напряжения на этих диодах мало зависит от тока и, следовательно, от входного напряжения. За счет этого стабилизируется ток через резистор R2 в цепи эмиттера I_э3 и ток коллектора I_к2 (индексы 1, 2, 3 относятся к транзисторам VT1, VT2 и VT3). Следовательно, изменение тока I_к2 вызывает примерно одинаковое по величине, но обратное по знаку изменение тока базы VT1 .

Так, увеличение выходного напряжения U_н, вызываемое увеличением входного напряжения U_вх или уменьшением тока нагрузки I_н, приводит к увеличению напряжения на базе и, следовательно, тока базы VT2.

Соответственно в В раз увеличивается ток коллектора I_к2 (В – коэффициент усиления тока базы). Так как I_к3 сonst, то увеличение I_к2 вызовет почти такое же уменьшение I_б1. Это приведет к увеличению падения напряжения U_кэ1 на регулирующем транзисторе VT1, за счет увеличения сопротивления участка коллектор-эмиттер. В результате напряжение на нагрузке U_н восстанавливается почти до номинального значения. Это приближение тем лучше, чем больше коэффициент стабилизации данного КСН.

При уменьшении U_н происходят обратные изменения токов I_б2 , I_К2 и I_б1, вызывающие уменьшение сопротивления участка коллектор-эмиттер VT1. Применение токостабилизирующего транзистора почти на порядок увеличивает коэффициент стабилизации КСН.

Номинальный коэффициент стабилизации напряжения КСН, схема которого представлена на рис.4, определяется соотношением

К_ст  = μ σ λ

где μ – коэффициент усиления УПТ;

σ =  ; λ= .

Из приведенных соотношений следует, что величина К_ст тем больше, чем больше усиление УПТ и чем меньше разница между U_ст и U_{н nom}, а также между U_{н nom} и U_вх.

Для КСН с токостабилизирующим транзистором величина К_ст в зависимости от усиления УПТ может быть в пределах 100-1000. Входное напряжение в КСН распределяется между нагрузкой и регулирующим транзистором

U_вх = U_н + U_кэ1.

Падение напряжения на регулирующем транзисторе U_КЭ1 должно быть таким, чтобы при минимальном входном напряжении U_{вх min} VT1 работал в активной режиме. Для этого необходимо U_кэ1 =1,5…2 В. Токостабилизирующий каскад, включенный между коллектором и базой VT1, также должен работать в активном режиме, т.е. U_кб1 1,5... 2 В. Поэтому для исследуемого КСН

U_кэ1min = U_кб1 + U_бэ1   (1,5...2) + (0,7...1,0) = 2,2...3 В,

U_{вх min} = U_Н + U_n + (2,2…3) В,

где U_n – амплитуда пульсаций входного напряжения.

U_{вх nom} и U_вхmax определяется допустимыми (заданными) изменениями U_вх. Опорное напряжение U_ст выбирается так, чтобы транзистор VT2 при максимальном токе I_к2, (минимальном I_б1) работал в активном режиме (U_кэ2  2 – 2,5 В). Поэтому

U_ст= U_н + U_бэ1 – U_кэ1 U_н –(1,3 –1,8) В (4.1)

Одновременно должны выполняться условия (3.1) и (4.2)

I_{ст max}    ; (4.2)

где В – коэффициент усиления тока базы VT1 .

Максимальный ток нагрузки КСН определяется максимально допустимой мощностью Р_доп, рассеиваемой транзистором VT1 при максимальном входном напряжении

I_{Н max} .

Для выполнения условия (4.2) при больших токах нагрузки в качестве VT1 применяют составные транзисторы.

Выходное сопротивление КСН обратно пропорционально произведению крутизны y₂₁ = h₂₁/ h₁₁ транзистора VT1 на коэффициент усиления УПТ и для исследуемой схемы имеет порядок сотых долей Ома.

КПД КСН определяется соотношением

,

где Р_Н – мощность, отдаваемая в нагрузку; Р_Р - мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором VT1; Р_T и Р_У – мощность, потребляемая соответственно токостабилизирующим каскадом и УПТ с цепью сравнения (рис.4). Основными составляющими являются Р_Н и Р_Р. Так как при U_Н 5В U_КЭ1 < U_Н, КПД КСН составляет 50–70%.

Достоинствами КСН являются: возможность плавной установки выходного напряжения (резистором R₅ на рис.5), возможность реализации для больших токов нагрузки, возможность получения больших значений коэффициента стабилизации и малых значений выходного сопротивления, которые могут варьироваться в широких пределах за счет выбора схем токостабилизирующих цепей и УПТ, больший чем в ПСН КПД. Недостатком КСН является относительная сложность схемы.