Транзисторные стабилизаторы напряжения

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий к.п.д., экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации.

В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б)регулирующий транзистор VT1включен по схеме усилителя с нагрузкой R_H в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R₀и стабилитрон VD1образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения U_CT. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора U_H = U_СТ - U_БЭ. Так как напряжение U_БЭ транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U_ЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.

При повышении входного напряжения (при R_H = const) сначала увеличится напряжение на выходе стабилизатора U_H, что приводит к увеличению токов I₀, протекающих в параллельной ветви, через стабилитрон I_CT и резистор R₀. Падение напряжения на R₀ возрастет. Это напряжение, приложенное к базе регулирующего транзистора относительно коллектора, является «запирающим» и вызывает увеличение падения напряжения на участке эмиттер - коллектор VT1(U_ЭК), адекватное изменению входного напряжения. Напряжение на выходе при этом вернется к номинальному значению. Уменьшение входного напряжения первоначально приведет к снижению вы­ходного напряжения, что в свою очередь снижает ток в парал­лельной ветви (VD1, R₀). Воздействие на транзистор будет таким, что снизится падение напряжения на участке эмиттер - коллектор VT1, что увеличит выходное напряжение до исходного значения.

Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора. Напряжение на выходе при этом останется в заданных пределах, т.е. оно стабилизируется.

С изменением тока нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется ток базы регулирующего транзистора I_Б = I_H/B + 1 ≈ I_H/B, где В - статический коэффициент усиления тока базы.

Рисунок 5.11 – Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами p-n-p (a),

n-p-n (б) структурами

Так как потенциал базы транзистора VT1практически не изменяется, то падение напряжения на резисторе R₀ также постоян­но, не изменится при этом и ток I₀. Следовательно, изменится ток стабилитрона VD1на значение изменения тока базы транзистора. Динамическое сопротивление регулирующего транзистора будет изменяться в соответствии с током базы. При большем токе нагрузки сопротивление транзистора VТ1становится меньшим, при малом токе нагрузки - большим. В обоих случаях падение напря­жения на участке эмиттер-коллектор транзистора останется почти неизменным. Следовательно, напряжение на выходе стабилизатора будет оставаться в заданных пределах.

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.

Для улучшения электрических характеристик схемы компенса­ционного стабилизатора напряжения последовательного типа в цепь обратной связи вводят усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторе VТ2(рисунок 5.12, а). В эмиттерную цепь VT2включен стабилитрон VD1(источник опорного напряжения). Резистором R2задается ток VD1. В базовую цепь VТ2включен делитель напряжения R3R4. Резистор R1, включенный в коллектор­ную цепь VТ2, является нагрузкой усилителя постоянного тока. Делитель R3R4и резистор R2со стабилитроном VD1образуют измерительный мост, в одну из диагоналей которого включен резистор R_H, а в другую - участок эмиттер-база транзистора VТ2. При воздействии дестабилизирующих факторов и изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется ток, протекаю­щий через делитель R3R4. Изменяется падение напряжения на резисторе R4. Это напряжение, являющееся частью выходного, подводится к базе транзистора VT2и сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1. Разностный сигнал усиливается транзистором VТ2.

Напряжение с коллекторной нагрузки усилителя постоянного тока (резистор R1)поступает на базу регулирующего транзистора VT1и вызывает изменение падения напряжения на нем (участок эмиттер - коллектор).

Таким образом, изменения входного напряжения будут ском­пенсированы на регулирующем транзисторе.

Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)

Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением r_Д. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение К_CTвозможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

При больших токах нагрузки стабилизатора, когда необходимо использование мощного регулирующего транзистора, ток базы его может значительно (иногда в несколько раз) превышать ток коллектора транзистора усилителя постоянного тока. Для сог­ласования их по допустимым токам в качестве регулирующего элемента применяют так называемый составной транзистор с включением двух и более транзисторов. В схеме такого компен­сационного стабилизатора напряжения (рисунок 5.12, б)транзистор VТ3является согласующим между усилителем постоянного тока и регулирующим элементом (согласует коллекторный ток транзис­тора VТ2и базовый ток транзистора VT1). Резистором R5подбирают режимы работы транзистора VT3. В остальном эта схема аналогична схеме (см. рисунок 5.12, а). Параметры схемы (коэффициент стабилизации и выходное сопротивление) опреде­ляются по тем же соотношениям. Необходимо только вместо коэффициента усиления по току регулирующего транзистора (β₁) подставлять значение общего коэффициента усиления составного транзистора из двух транзисторов VТ1и VТЗ, равного их произ­ведению βобщ = β₁·β₃.

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R₁и R₂. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.