Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием

Высокие коэффициенты стабилизации и плавное регу­лирование выходного напряжения можно получить только с помощью стабилизатора компенсационного типа, который выполняется по структурной схеме, показанной рисунке 36.

Рисунок 36 - 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 значение U_ВЫХ. При отклонении выходного напряжения U_ВЫХ от заданного значения на выходе схемы сравнения появляется сигнал рассогласования или управления U_У, который подается на вход усилителя. С выхода усилителя сигнал, имеющий значение U_УС подается на регулирующий элемент (РЭ), причем это воздействие приводит к изменению внутреннего сопротивления РЭ, а значит, и падения напряжения на нем. При правильно подобранных параметpax схемы указанное изменение падения напряжения на pегулирующем элементе должно скомпенсировать отклонение выходного напряжения U_ВЫХ от заданного значения. Таким образом, по окончании процесса стабилизации U_ВЫХ = U_ВХ—U_РЭ = const,.т. е. будет стабилизировано. Сравнивая компенсационный метод стабилизации с параметрическим, можно заметить, что при компенсационном методе стабилизации осуществляется автоматическое регулирова­ние выходного напряжения, и связано это с воздействием отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы.

В стабилизаторах компенсационного типа возможно как последовательное (рисунок 36,а), так и параллельное (рисунок 36,б) включение РЭ относительно нагрузки. Стабилизаторы с параллельно включенным РЭ имеют меньший КПД, поэтому применяются в маломощных источниках пита­ния. Достоинством этого способа 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.

Рисунок 37 - Принципиальные схемы полупроводниковых стабилизаторов напряжения с последовательно включенными регулирующими элементами:

а —с одним регулирующим транзистором; б —с составным регулирующим транзистором

 

Полупроводниковый стабилизатор напряжения с после­довательно включенным регулирующим транзистором (рисунок 37,а) 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 R_б. Смещающее напряжение на базе усилительного транзистора VT₂ представляет собой разность между напряжением на нижней части делителя U_{ВЫХ II} и опорным напряжением U_OП.

Допустим, что вследствие изменения нагрузки или на­пряжения на входе схемы выходное напряжение U_BbIX уве­личилось. При этом увеличится отрицательный потенциал базы VT₂, что приведет к увеличению тока коллектора I_K2 транзистора VT₂. Возросший ток I_K2 создает на резисторе R_K2 соответственно увеличенное падение напряжения, в результате чего понизится отрицательный потенциал базы транзистора VT₁ и уменьшится ток его базы, а вместе с ним и ток коллектора I_K1. Уменьшенный ток коллектора I_K1 позволит восстановить напряжение U_BbIX практически до прежнего значения.

Коэффициент стабилизации схемы может быть записан в следующем виде:

,

где — коэффициент передачи делите напряжения; — коэффициент усиления по напряжению транзистора VT₂.

Необходимо отметить, что допустимый ток коллектора используемых транзисторов должен превышать значение тока нагрузки стабилизатора. При больших токах нагрузки ток базы регулирующего транзистора может достигнуть больших значений, и в таких случаях для согласования мощного регулирующего транзистора с маломощным усилителем постоянного тока в схемах стабилизаторов применяется составной регулирующий транзистор. В схеме рисунок 37,б в качестве регулирующего используется тройной ставной транзистор. Резисторы R₁₁, R₁₂ необходимы обеспечения режимов по току транзисторов VT_l2 VT₁₃, а именно для увеличения тока в цепи эмиттеров. Это вызвано тем, что при повышенной температуре перехода коллектор — эмиттер обратный ток коллектора увеличивается настолько, что при малых нагрузках суммарный ток базы транзистора VT₁₁ (а следовательно, и эмиттерный ток транзистора VТ₁₂) может стать равным нулю, что приведет к срыву стабилизации, т. е. к нарушению работы схемы.

Регулировка выходного напряжения U_BbIX осуществляется в схеме потенциометром RP (рисунок 37, а). При перемещении движка в направлении минусовой шины стабилизатора увеличивается отрицательный потенциал базы транзистора VT₂, что приводит к увеличению токов базы коллектора VT₂. Ток базы транзистора VT₁ как показано выше, уменьшается, а вместе с ним уменьшается и ток коллектора I_K1, что приводит к уменьшению выходного напряжения U_BbIX. При перемещении движка потенциометра сторону плюсовой шины напряжение на выходе стабили­затора U_BbIX увеличивается.

Погрешность работы стабилизатора выражается в из­менении выходного напряжения и определяется следующим образом:

Так как коэффициент передачи делителя а всегда меньше единицы, то изменение выходного напряжения всегда больше изменения опорного напряжения .

Изменение окружающей температуры приводит к изменению напряжения на стабилитроне, а следовательно, и к появлению . Для уменьшения этих изменений выходного напряжения в схемах предусматривается температур­ная компенсация.

В варианте рисунок 37 регулирующий элемент состоит из трех транзисторов, однако это необя­зательно. Число транзисторов, входящих в регу­лирующий элемент, зависит от тока нагрузки. При I_Н < 0,02... 0,03 А в регулирующий элемент входит один транзистор VT1, при 0,02... 0,03 А <I_H < 0,5... 0,6 А два транзистора VT1, VT2, при 0,5... 0,6 А < I_Н < 4... 5 А три транзистора VT1, VT2, VT3. Стабилизатор может быть вы­полнен как на транзисторах типа n -р - n (кремниевых), так и на транзисторах р – n- р (германиевых). В случае транзисторов р - n - р полярности напряжений на входе и выходе изме­няются на противоположные. Соответственно необходимо переключить стабилитроны VD1 и VD2, чтобы напряжение на их анодах было отрицательно относительно катода.

При питании усилителя от дополнительного источника коэффициент стабилизации больше, чем при питании источника от входного напряже­ния.

 

Стабилизаторы с параллельно включенным регулирующим элементом (рисунок 37-1) целесообразно использовать при малых изменениях напряжения сети и импульсном изменении тока, нагрузки. Основными достоинствами этого стабилизатора являются: постоянство входного тока при изменениях тока нагрузки (при постоянном входном напряжении) и нечувствительность к коротким замыканиям на выходе.

Рисунок 37-1 Принципиальная схема полупроводникового стабилизатора напряжения с параллельно включенным регулирующим транзистором

 

Стабилизатор состоит из регулирующего транзистора VT₁; балластного резистора R_б; усилительного элемента, выполненного на транзисторе VT₂ и резисторе R₃;. источни­ка опорного напряжения VD₁, R_б1, делителя напряжения R₁, RP, R₂; дополнительного источника U₀ и R_б2, VD₂ для питания усилительного элемента схемы и выходной емко­сти С. Выходное напряжение стабилизатора U_BЫХ = U_BX—U₁. Ток I₁, протекающий по резистору R_б, ра­вен I₁=I_К1+I_Н, где I_К1 —ток коллектора регулирующего транзистора; I_H — ток нагрузки.

При увеличении входного напряжения увеличивается в первый момент напряжение на выходе, а значит, возра­стает напряжение U_{ВЫХ 2}, 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 I_К1. Увеличение I_К1 вызывает рост общего тока схемы I₁ а значит, и 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 (рисунок 37,а).

От мощности, рассеиваемой на транзисторе, зависит температура коллекторного перехода, которая во избежания теплового пробоя не должна превышать допустимого значения. Таким образом, работоспособность стабилизатора и значение его КПД зависят не только от правильного выбора схемы, расчета параметров и подбора элементов, а так же от системы охлаждения полупроводниковых приборов схемы, т. е. от площади поверхности, материала и конструкции радиаторов.

В практически используемых полупроводниковых стабилизаторах большое значение придается методике защиты транзисторов от перегрузок по напряжению, току и мощности. Перегрузка стабилизаторов наступает при переходных процессах и в аварийных режимах [6]. В результате перегрузок могут выходить из строя главным образом транзисторы, и в первую очередь регулирующий. В некоторых случаях, особенно при питании микросхем, опасным для последних может быть повышение выходного напряжения стабилизатора, которое возникает при коротком замыкании регулирующего транзистора или при резком повышении входного напряжения. На рисунке 37-2 приведены схемы защиты транзистора от перегрузок, а также потребителя от повышенного выходного напряжения [6].

 

Рисунок 37-2 Схемы защиты полупроводниковых стабилизаторов напряжения от перегрузок;

а — по напряжению; б — по току; в — по мощности; е—при повышениях выходного напряжения