Стабилизаторы напряжения. Параметрические стабилизаторы напряжения. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения, страница 2

стабилизатора последовательного типа.

В оба стабилизатора входят элементы управляющей схемы: У - усилитель постоянного тока, ИОН - источник опорного напряжения.

Если существует разница между заданным напряжением стабилизации U_оп, которое вырабатывается ИОН, и напряжением на нагрузке U_н, то она усиливается усилителем У, на который поступают два сигнала U_н и U_оп. После усиления сигнал разности поступает на РЭ.

Рассмотрим  сначала работу компенсационного стабилизатора переллельного типа (рис. 2.23). В этой схеме стабилизация напряжения на нагрузке достигается влиянием на падение напряжения U_Rб на балластном резисторе R_б  за  счет    изменения  тока    РЭ. Если рассмотреть случай, когда  U_dн = сonst, а R_н меняется, то для постоянства напряжения U_н на нагрузке необходимо, чтобы напряжение U_Rб тоже было постоянным, а это возможно, если изменение тока нагрузки I_н от нуля до I_{н max} будет сопровождаться соответствующим изменением тока I_р  РЭ от I_{р max}  до нуля.

В стабилизаторе последовательного типа (рис. 2.24) РЭ включен последовательно с нагрузкой, и стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется   путем   изменения    напряжения   на   РЭ   и  I_р = I_н.

Таким образом, принцип действия компенсационных стабилизаторов основан на изменении сопротивления РЭ при изменении U_dн или R_н. Недостатком этих стабилизаторов является снижение коэффициента полезного действия (КПД), так как потери, несомненно, увеличиваются. Для схемы (рис. 2.23) мощность потерь Р_п определяется как:

Р_п = (U_dн - U_н) (I_н + I_р) + U_н I_р = (U_dн - U_н) I_н + U_dн I_р,

и на потери влияет РЭ и R_б. Для схемы (рис. 2.24) мощность теряется на РЭ:

Р_п = (U_dн - U_н) I_н.

В этой схеме потери меньше, а КПД выше. Недостатком последовательных стабилизаторов является то, что они требуют защиты регулирующего элемента при перегрузках по току. Преимуществом параллельных стабилизаторов является их способность выдерживать перегрузки по току I_н и даже короткие замыкания выходной цепи.

Рассмотрим работу и расчет компенсационных стабилизаторов подробнее на примере конкретных принципиальных схем.

В компенсационном стабилизаторе последовательного типа (рис. 2.25) транзистор VT₁ является регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока выполнен на транзисторе VT₂. В цепь эмиттера транзистора VT₂ включен источник опорного напряжения стабилитрон VD.

Рис. 2.25. Компенсационный  стабилизатор напряжения последовательного типа.

Резисторы R₁ и R₂ фиксируют режим покоя транзистора VT₂:

 

На транзисторе VT₁ собран каскад с общим коллектором, включающий источник питания U_dн и нагрузку R_н . Входное напряжение U_б1 , выходное - U_н :

U_н = U_б1 - U_бэ1 .

Чтобы получить требуемое Uн, необходимо обеспечить достаточно близкое равенство этому напряжению выходного напряжения усилителя, собранного на транзисторе VT₂:

U_к2 = U_б2 » U_н .

Для обеспечения этого требования используют автономное питание (-Е_к).

В схеме рассматриваемого стабилизатора использована глубокая   о т р и ц а т е л ь н а я  о б р а т н а я  связь  по приращениям напряжения U_н .

Если напряжение U_dн уменьшалось, то напряжение U_н может стать меньше номинала. Это вызовет уменьшение напряжения на базе U_б2 и напряжения U_бэ2 транзистора VT₂, а следовательно, и токов I_б2 и I_к2 . Уменьшение тока I_к2 приведет к уменьшению падения напряжения на резисторе R_к и росту напряжений U_б1 и U_бэ1 транзистора VT₁. Увеличение напряжения U_бэ1 приведет к уменьшению напряжения U_кэ1, что вызовет повышение U_н почти до нормы. Подобным образом осуществляется компенсация U_н при увеличении U_вх или при изменении тока нагрузки.

Рассмотрим некоторые соотношения, необходимые для расчета    п о с л е д о в а т е л ь н о г о   с т а б и л и з а т о р а.

Коэффициент стабилизации:

где r_вх2 , r_б2 , r_к(э)2  -  входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора VT₂ ;

 

где А - поправочный коэффициент учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона и сопротивлений деталей делителя в базовой цепи транзистора VT₂. Численное значение коэффициента стабилизации может составить несколько сотен.

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых очень невелико (составляет десятые или сотые доли Ома) и может быть рассчитано как:

 

где r_э2  -  эмиттерное сопротивление транзистора VT₂.

При необходимости регулирования U_н этого можно достичь через параметры входной цепи усилителя VT₂:

U_н = I_д (R₁ + R₂)  + I_б2 R₁ .

Элементы входного делителя выбирают достаточно низкоомными, обеспечивающими условие   I_д >> I_б2 .

Пренебрегая вторым слагаемым, получим:

Из этой записи видно, что задачу регулирования напряжения решают путем изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализуют  введением во входную цепь усилителя потенциометра R^* (пунктиром). Пределы регулирования напряжения при этом составляет: