Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

Простейшим стабилизатором является параметрический стабилизатор напряжения на основе стабилитрона, схема которого приведена на рис. 4.8, а.

Рис. 4.8. Параметрический стабилизатор на основе стабилитрона

а — электрическая схема; б— ВАХ стабилитрона; в— диаграммы напряжения

Характеристики стабилизатора зависят от параметров нелинейного элемента — стабилитрона VD. Особенностью ВАХ стабилитрона (рис. 4.8, б) является наличие участка пробоя стабилитрона Uств области отрицательных напряжений, где напряжение не зависит от тока. Каждый стабилитрон имеет свое определенное напряжение пробоя Uпр, которое определяет напряжение стабилизации Uстстабилизатора: Uст» Uпр. Стабилитрон включается по­следовательно с гасящим сопротивлением R и параллельно по отношению к нагрузке (см. рис. 4.8, а). Обычно напряжение на входе стабилизатора превышает напряжение пробоя стабилитрона Uпр(напряжение Uст), поэтому в стабилитроне протекает слабый ток, параллельный току в нагрузке. Эти токи создают падение напряжения DURна сопротивлении R. При этом напряжение на нагрузке Uстбудет меньше входного напряжения Uвхстабилизатора. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, то ток через стабилитрон соответственно также увеличится, что приведет к увеличению падения напряжения на сопротивлении R и гашению избыточного напряжения (рис. 4.8, в). Если напряжение на входе стабилизатора уменьшится, то ток в стабилитроне тоже уменьшится, и соответственно уменьшится падение напряжения на сопротивлении R. В результате напряжение на нагрузке стабилизируется.

При изменении тока в нагрузке часть тока стабилизатора переходит в нагрузку, при этом напряжение на нагрузке (и стабили­троне) остается постоянным благодаря тому, что напряжение на участке пробоя стабилитрона не зависит от тока.

Значение гасящего сопротивления R выбирается в зависимости от значения напряжения стабилизации, требуемого коэффициента стабилизации и мощности нагрузки (обычно в пределах от 6 до 120 Ом). Чем больше сопротивление R, тем выше Кст, но при этом падает выходное напряжение стабилизатора.Особенно сильно Uвыхпадает при повышении тока нагрузки.

Параметры стабилитрона также должны подбираться с учетом требуемого напряжения на выходе стабилизатора и допустимых токов нагрузки. При больших компенсационных токах падает КПД стабилизатора вследствие его нагрева, поэтому необходим радиатор для теплоотвода; при малых токах ограничивается диапазон стабилизации колебаний напряжения.

Из всего сказанного следует, что схемы параметрических стабилизаторов могут применяться только для слаботочных цепей (приборов малой мощности).

Коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов на стабилитронах не превышает 50. Недостатком параметрических стабилизаторов является также невозможность плавного регулирования выходного напряжения и жесткая привязка к входному напряжению.

Вместе с тем параметрические стабилизаторы просты в исполнении и надежны. Они часто используются в любительской и бытовой аппаратуре.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.Для обеспечения высокого коэффициента стабилизации напряжения (Кст> 1000) используют компенсационные стабилизаторы. Такой стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматиче­ского регулирования с обратной связью, в которой выходное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа.

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Данная схема работает следующим образом. Значение выходного напряжения Uвыхздесь сравнивается с эталонным опорным напряжением Uописточника опорного напряжения (ИОН). Сигнал рассогласования DU = Uвых- Uопусиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и воздействует на регулирующий элемент (РЭ), в качестве которого, как правило, используется транзистор. Внутреннее сопротивление РЭ изменяется под действием сигнала рассогласования и регулирует выходное напряжение, приближая его значение к значению опорного напряжения. Опорное напряжение может иметь более низкое значение по сравнению с выходным. В этом случае устанавливается потенциометр R, с помощью которого выходное напряжение понижается для выполнения сравнения. Этот потенциометр может использоваться и для плавного регулирования стабильного напряжения, подаваемого на нагруз­ку (Н).

Электрическая схема компенсационного стабилизатора последовательного типа на двух транзисторах приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Здесь транзистор VТ1 играет роль регулирующего элемента. Тран­зистор VТ2 является усилителем сигнала рассогласования. Делитель напряжения, служащий для сравнения Uвыхс опорным на­пряжени­ем, строится на резисторах R3, R4. Он обеспечивает плавную регули­ровку напряжения на выходе стабилизатора. Обычно в компенсационных стабилизаторах источником опорного напряжения является дополнительный источник, являющийся также источником питания для транзистора VТ2. Однако в данной схеме напряжение для сравнения фор­мируется за счет падения напря­жения между базой и эмиттером, которое сравнивается с опорным напряжением Uоп, зада­ваемым стабилитроном VD.

Схема работает следующим образом. Пусть напряжение на входе увеличится и составит Uвх+ DUвх. При этом начнет увеличиваться ток через транзистор VТ1,а следовательно, начнет возрастать напряжение на базе транзистора VТ2,что повлечет за собой увеличение запирающего положительного потенциала на базе транзистора VТ1. Ток в нем начнет уменьшаться, приводя к компенсации увеличения входного напряжения. В результате внутреннее сопротивление транзистора VТ1 повысится, компенсируя увеличение напряжения на входе и приводя к стабилизации напряжения на выходе.

При снижении входного напряжения работа схемы происходит в обратном направлении. В этом случае транзистор VТ1 в конечном счете переходит в более открытое состояние, компенсируя падение напряжения на входе и обеспечивая заданное стабильное напряжение на нагрузке.

Аналогично работает схема компенсации напряжения на выхо­де при снижении или увеличении тока нагрузки. Так как снижение тока нагрузки приводит к снижению тока транзистора VТ1 за счет увеличения его внутреннего сопротивления под воздействием кол­лекторного потенциала транзистора VТ2, напряжение на нагрузке остается стабильным. Увеличение же тока нагрузки приводит к увеличению тока транзистора VТ1 за счет обратной связи через транзистор VТ2 и компенсирует падение напряжения на нагрузке. Следовательно, напряжение на нагрузке снова остается стабильным.

Увеличение коэффициента усиления транзистора VТ1 обеспечивает увеличение коэффициента стабилизации напряжения. Однако при больших коэффициентах усиления схема может самовозбуждаться.

Для увеличения коэффициента усиления по току можно заменить транзистор VТ1 составным, т.е. состоящим из двух транзисторов с коэффициентами усиления b1и b2. Коэффициент усиления составного транзистора bс = b1b2. Использование составного транзистора позволяет создавать стабилизаторы напряжения с коэффициентами стабилизации в несколько тысяч.

Рис. 4.11. Структурная (а) и электрическая (б) схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа: R_бал — балластное сопротивление

Структурная схема компенсационного стабилизатора параллельного типа приведена на рис. 4.11, а. В этой схеме также имеются источник опорного напряжения и устройство сравнения с усилителем сигнала рассогласования, но в отличие от схемы последовательного типа регулирующий элемент здесь включен параллельно нагрузке. Схема работает примерно так же, как работает схема на основе стабилитрона: сигнал рассогласования поступает на вход усилителя, а затем на регулирующий элемент, увеличивая или уменьшая ток до тех пор, пока выходное напряжение стабилизатора не сравняется с опорным напряжением.

Электрическая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа на двух транзисторах приведена на рис. 4.11, б. Схема работает следующим образом. Пусть, например, напряжение на входе увеличилось. Следовательно, начнет увеличиваться напряжение на потенциометре, что приведет к увеличению напряжения на базе транзистора VТ2, а значит, и его коллекторного тока, и соответственно коллекторного тока транзистора VТ1, что, в свою очередь, обеспечит стабилизацию напряжения на выходе стабилизатора и нагрузке. Снижение напряжения на входе приведет к уменьшению коллекторного тока в цепи транзистора VТ2 и соответственно уменьшению коллекторного тока транзистора VТ1. Следовательно, напряжение на выходе стабилизируется.

Аналогично реагирует стабилизатор на падение напряжения при уменьшении или увеличении тока нагрузки, стабилизируя выходное напряжение.

Сравнивая стабилизаторы последовательного и параллельного типов, можно отметить, что последние менее экономичны, так как у них есть параллельная цепь с компенсирующим током, не используемым нагрузкой, и они имеют меньший КПД. Однако стабилизаторы параллельного типа устойчивы к влиянию короткого замыкания нагрузки.

В стабилизаторе с регулятором, расположенным последовательно с нагрузкой, при коротком замыкании в нагрузке возникают большие токи в регулирующем элементе, и он разрушается. Однако эта схема все-таки предпочтительнее при больших токах нагрузки, так как в схеме параллельного типа необходимо наличие примерно таких же компенсационных токов. Вместе с тем в по­следовательной схеме необходимо принимать дополнительные меры по защите от коротких замыканий в нагрузке.

Стабилизаторы напряжений с использованием операционных усилителей и микросхем.В схемах компенсационного типа в качестве устройства сравнения и усиления сигнала рассогласования можно использовать ОУ, так как он является усилителем постоянного тока и хорошо подходит для выполнения этих функций. Две электрические схемы стабилизаторов напряжения с использованием ОУ приведены на рис. 4.12.

Питание электронных устройств средней мощности можно осу­ществлять по схеме с транзистором, приведенной на рис. 4.12, а. В этой схеме использованы эмиттерный повторитель на основе транзистора VТ1 и потенциометр R2 отрицательной обратной связи с усилением через операционный усилитель VA. Потенциометр также можно применять для регулировки уровня выходного стабилизированного напряжения. Опорное напряжение в схеме задается стабилитроном VD, включенным последовательно с высокоомным сопротивлением R1.

На рис. 4.12, б приведена схема стабилизации напряжения на выходе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Такая схема может быть использована только для питания слаботочных цепей или в качестве источника опорного напря­жения.

Рис. 4.12. Электрические схемы стабилизаторов напряжения с использованием ОУ и транзистора (а) и с прямым включением ОУ (б)