Компенсационный стабилизатор напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) компенсационные стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения Uвх или Iн) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения Uн.

Регулирующий элемент (транзистор) может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости

Рис. 3.32

от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис. 3.32, а) и последовательные (рис. 3.32, б).

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В схеме рис. 3.32, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе Rб путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до Iнmax будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от Iнmax до нуля.

В схеме рис. 3.32, б регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 3.33, а. Транзистор T1 служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе T2. Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т2. Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток IЭ2 транзистора T2 мал. Резисторы R1,R2 являются элементами входного делителя напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 Uбэ2=((R2/(R1+R2))*(Uн-Uоп).

 

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор Т1, и нагрузку Rн, представляет собой усилительный каскад на транзисторе T1 с общим коллектором, в котором Uвх — напряжение питания, Uб1 — входное, а Uн — выходное напряжения (Uн=Uб1-Uбэ1). Для получения требуемого напряжения Uн необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя (Uк2=Uб1) было близко к напряжению Uн. Для этого питание коллекторной цепи транзистора T2 осуществляют от отдельного источника — Eк. Усилитель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необходимого напряжения Uк2 напряжению его входной цепи Uб2. Указанные соображения положены в основу расчета элементов схемы по заданным параметрам Uн, Iн номинального режима.

 

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной обратной связи по приращениям выходного напряжения Uн.

 

Предположим, что под действием уменьшения напряжения Uвх напряжение Uн (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения Uн вызывает уменьшение напряжения на базе Uб2 и напряжения Uбэ2 транзистора Т2, а следовательно, его токов Iб2 и Iк2. Уменьшение тока Iк2 приводит к меньшему падению напряжения на резисторе Rк и увеличению напряжений Uб1 и Uбэ1 транзистора T1. Вследствие увеличения напряжения Uбэ1 напряжение Uкэ1 транзистора Т1 уменьшается, повышая тем самым почти до прежней величины напряжение Uн. Подобно рассмотренному осуществляется компенсация изменения напряжения Uн при увеличении Uвх,а также при изменениях тока нагрузки.

 

Коэффициент стабилизации стабилизатора находят из соотношения

 

 

где rbx2, rб2, rк(э)2 — соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора T2; А = 1 + rд/rвх2+(R1?R2)/rвх2?2 - поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона rд и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т2.

Приняв Uб1=const имеем Rвых=rэ1+rб1/(1+?1), что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель создает в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчета можно воспользоваться выражением

 

Rвых=(rэ2+rд)/?1+rб2/?1?2 (3.35)

 

Числовое значение коэффициента стабилизации стабилизатора находится в пределах нескольких сотен, а выходное сопротивление составляет десятые и сотые доли ома.

 

При разработке стабилизатора часто ставится задача регулирования его выходного напряжения Uн. Возможность регулирования напряжения можно показать, выразив напряжение Uн схемы через параметры входной цепи усилителя:

 

Uн=Iд(R1+R2)+Iб2R1. (3.36)

 

Элементы входного делителя обычно выбирают достаточно низкоомными, обеспечивающими выполнение условия Iд>>Iб2. Это необходимо для ослабления влияния изменяющегося в процессе работы схемы тока Iб2 на напряжение Uб2, а следовательно, на коэффициент стабилизации стабилизатора. С учетом сказанного вторым членом в выражении (3.36) можно пренебречь. Тогда получим

Таким образом, задачу регулирования напряжения решают путем изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализуется введением во входную цепь усилителя потенциометра R1-2 (рис. 3.33, б). Пределы регулирования напряжения при этом составляют:

Если, например, принять Uоп=10 В, R1 == 300 Ом, R2 = 360 Ом и R1-2 = 240 Ом, то выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

 

Напряжение Uн стабилизатора связано с напряжениями входной цепи транзистора Т1, соотношением

 

Uн=Uб1-Uбэ2=Uк2-Uбэ1 (3.37)

 

Или

 

Uн=Eк-(Iб1-Iк2)Rк-Uбэ1 (3.38)

 

Соотношение (3.38) позволяет сделать ряд важных выводов о работе стабилизатора и возможностях его применения. С этой целью рассмотрим два режима работы стабилизатора: Uвх=var, Rн=const (Iн=const) и Uвх=const, Rн=var (Iн=var).

 

При изменении входного напряжения величина Uн стабилизатора изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что приращение напряжения?Uвх будет скомпенсировано соответствующим увеличением или уменьшением напряжения?Uкэ1 транзистора T1. При условии Iэ1=Iн=const это вызовет в конечном итоге изменение тока базы, (и коллектора) регулирующего транзистора посредством изменения тока Iк2 усилителя, протекающего через резистор Rк. Напряжение Uн будет тем стабильнее, чем меньшему значению?Uн будет соответствовать необходимое изменение тока Iк2, т. е. чем выше будет коэффициент усиления усилителя. Повышение коэффициента усиления в рассматриваемой схеме достигается увеличением коэффициента?2 и сопротивления Rк. Увеличение сопротивления Rк при этом требует повышения напряжения питания Eк усилителя.

 

В условиях изменяющегося тока нагрузки ток базы регулирующего транзистора Iб1 изменяется пропорционально Iн, так как Iб1=Iн/(1+?1). Поскольку напряжение Uбэ1 мало (доли вольта), режиму стабилизации напряжения Uн согласно выражению (3.38) соответствует почти неизменная сумма токов Iб1+Iк2. Это означает, что с уменьшением тока Iн ток Iк2 увеличивается на величину, на которую уменьшился ток Iб1. При изменении нагрузочного тока от Iнmax до нуля ток Iк2 изменяется от некоторого минимального значения Iк2min до Iнmax/(1+?1)+Iк2min?Iнmax/(1+?1)=Iб1max. Таким образом, транзистор T2 в схеме рис. 3.33, а необходимо выбирать на коллекторный ток, близкий к максимальному току базы регулирующего транзистора.

 

С увеличением тока Iн транзисторы T1, T2 выбираются на большие коллекторные токи. Однако использование рассматриваемой схемы при Iн> 200 - 300 мА неэффективно из-за трудностей в обеспечении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а, сле­довательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления Rк (ввиду больших значений Iб1 и Iк2), а также в малых значениях коэффициента? мощных транзисторов.

 

Задачу уменьшения тока базы регулирующего транзистора при переходе к большим токам нагрузки решают заменой его в стабилизаторе составным транзистором (рис. 3.33, в). Состав­ной транзистор представляет собой соединение двух, трех транзисторов и более, при котором база каждого последующего транзистора связана с эмиттером предшествующего, а коллекторы всех транзисторов объединены.

 

Поскольку ток базы каждого транзистора меньше его тока эмиттера в 1+? раз, ток управления составным транзистором получается во много раз меньше тока эмиттера выходного транзистора (т. е. тока нагрузки стабилизатора). Так, для схемы, состоящей из трех транзисторов (рис. 3.33, а), имеем

где?с — коэффициент передачи тока составного транзистора, числовое значение которого равно 103—104.

 

Тем самым обеспечивается необходимый режим согласования по току выходной цепи усилителя и входной цепи регулирующего транзистора при больших токах Iн.

 

Токоотводящие резисторы R01,R02 (показаны пунктиром) создают цепи протекания начальных токов Iк0(э) транзисторов T1-1, и Т1-2, исключай их протекание по цепям баз последующих транзисторов. С их помощью обеспечивается нормальный режим работы схемы при минимальном токе нагрузки. Для расчета сопротивлений R01 и R02 можно воспользоваться соотношением

 

Составные транзисторы нашли широкое применение в стабилизаторах на токи 0,5 — 1 А и выше.

 

Повышение коэффициента стабилизации (и уменьшение выходного сопротивления) компенсационных стабилизаторов также может достигаться путем увеличения коэффициента усиления усилителя за счет использования в нем большего числа каскадов. Для исключения дрейфа напряжения Uн стабилизатора, вызываемого дрейфом усилителя, последний выполняют на основе балансных каскадов с применением температурной компенсации.

 

Существенные преимущества в отношении массо-габаритных, стоимостных и качественных показателей дает широко используемый в настоящее время интегральный принцип выполнения стабилизаторов, при котором вся маломощная часть схемы стабилизатора унифицируется и представляется в виде микросхемы.

 

Стабилизаторы постоянного напряжения выполняют также с импульсным (ключевым) режимом работы регулирующего элемента (применяется транзистор или тиристор). Такие стабилизаторы, называемые импульсными, реализуются на основе импульсных преобразователей постоянного напряжения.

46.Высоковольтный стабилизатор напряжения.

Принципиальная схема линейного стабилизатора на выходное напряжение 115 В показана выше. Источником напряжения для стабилизатора служит сеть переменного тока 220 В или вторичная обмотка силового трансформатора. Стабилизатор выполнен на интегральной микросхеме SE115N, представляющей собой детектор напряжения на 115 В.

 

Если напряжение на выходе стабилизатора стремится увеличиться свыше рабочего напряжения микросхемы, то открывается выходной п-p-n транзистор микросхемы, коллектор которого выведен на вывод 2. Это приводит к тому, что понижается напряжение затвор-исток, что приводит к понижению выходного напряжения стабилизатора. На мощном высоковольтном полевом n-канальном транзисторе VT1 выполнен истоковый повторитель напряжения. Светодиод HL1 сигнализирует о наличии выходного напряжения, кроме того, цепь R3HL1 разряжает оксидные конденсаторы при отключенной нагрузке. Резистор R1 должен быть проволочным. Его сопротивление и мощность выбирают исходя из параметров подключенной к стабилизатору нагрузки.

 

Если, например, к выходу стабилизатора подключена нагрузка мощностью 30 Вт, то при питании устройства от сети 220 В, на транзисторе будет рассеиваться мощность около 80 Вт. Если же входным напряжением для стабилизатора будет, например, напряжение +180 В (выход выпрямителя «лампового» трансформатора), то при выходном напряжении 115 В и токе нагрузки 0,5 А установленный на теплоотвод транзистор будет рассеивать около 33 Вт тепловой мощности. Это немало, поэтому, линейные высоковольтные стабилизаторы напряжения целесообразно применять для питания слаботочной нагрузки - входных и буферных каскадов УНЧ.