Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки - КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.

 

Рис. 26.10. - КСН последовательного типа

РЭ - это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ - схема управления - собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д - делитель напряжения, ИОН - источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется - последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 26.11.

 

Рис.26.11. - КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резисторе. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство - при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 26.12.

 

Рис.26.12. - Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все детали. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резисторов R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная.

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резистором между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резистор, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:

 

Рис. 26.13. - КСН

Эта схема блока питания и, как видно, отличие состоит лишь в конденсаторах и резисторе R1. Резистороом R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение (при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резистора R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резистор R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см².

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с "холодным" коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не "горячего". А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 26.12 и 26.13. В этих схемах транзисторы сгорят, если забыли изолировать коллектор.

 

Рис. 26.14 - КСН с "холодным" коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя - КТ815 и КТ819. Недостаток схемы - меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 26.13. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

Другие схемы не только по этой теме будут постепенно накапливаться в отдельном разделе; назовем его "каталог схем".

Рассмотрим несколько схем с применением интегральных стабилизаторов. На рис. ниже показаны типовые схемы включения стабилизаторов.

 

Рис. 26.15. - Типовая схема включения КР142ЕН5

 

Рис. 26.16. - Типовая схема включения КР142ЕН12

На рисунке 26.15 показана схема с фиксированным выходным напряжением, на рис. 26.16 - с регулируемым. Конденсаторы С1, С2 включены для повышения устойчивости стабилизаторов (0,33 мкФ÷1 мкФ).

Для стабилизатора по схеме на рис. 26.15 (с фиксированным выходным напряжением) имеется возможность увеличения в некоторых пределах выходного напряжения (но не более, чем до U_вх - 10%). Для этого в схему вводится стабилитрон, как показано на рис. ниже:

 

Рис. 26.17 - Увеличение выходного напряжения

Выходное напряжение повышается на величину напряжения стабилизации стабилитрона U_ст. Можно также примерно подобное сотворить со схемой на рис. 26.16, но это крайне нежелательно, т.к. через резистор R2 будет течь ток I_пот, потребляемый цепями управления стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле:

U_вых = U_{вых.ном}(1 + R2/R1) + I_потR2

Для увеличения выходного тока, а, следовательно, мощности в схему стабилизатора втыкают транзистор, примерно так, как показано на рисунке 26.18

 

Рис. 26.18 - Увеличение мощности стабилизатора

Вместе с внутренним выходным транзистором интегрального стабилизатора транзистор VT1 образует комплементарный составной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что схема ограничения тока и цепь защиты выходного транзистора стабилизатора фактически не используется. Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, только цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для подключения к мощному транзистору по схеме, сходной с приведенной на рис. 26.19. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается pnp-транзистор с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. При фиксированном выходном напряжении 3,3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1А минимальную разность входного и выходного напряжений 0,14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, которая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход-выход составляет в этом случае порядка 0,5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.

Для стабилизации тока можно применить следующую схему:

 

Рис. 26.19 - Схема стабилизации тока

Сопротивление резистора R1 определяется по формуле:

R1 = U_{вых.ном}/I_вых

На резисторе R1 падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Это составляет для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме целесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например, КР142ЕН12, у которого, при указанной схеме включения, это напряжение составит 1,2 В.

Номенклатура двухполярных стабилизаторов напряжения сравнительно бедна, поэтому для построения стабилизатора с выходным напряжением, например, ±5 В можно использовать схему, приведенную на рис. 26.20. Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ (DA2) нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя также должен быть равен нулю. При работе ОУ DA2 в линейном режиме и равенстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы. В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимого выходного тока ОУ DA2, транзистор VT1 может быть исключен из схемы, а выход ОУ DA2 должен быть непосредственно соединен с отрицательным выходом стабилизатора.

 

Рис. 26.20 - Схема двуполярного источника