Транзисторный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента

Схема транзисторного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента представлена на рис.6.

Схема состоит из следующих функциональных узлов: регулирующий элемент – транзистор VT1; схема сравнения состоит из резистивных делителей напряжения R1, R2, R3 и входной цепи транзистора VТ2; усилитель постоянного тока – транзистор VТ2 с коллекторной нагрузкой Ry; источник опорного напряжения представляет собой однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона VD1 и гасящего резистора R_Г. Для плавной регулировки выходного напряжения стабилизатора в делитель напряжения включен потенциометр R2, с движка которого напряжение подается на базу транзистора VТ2. К эмиттеру транзистора VТ2 подводится опорное напряжение стабилитрона.

Рис.6. Принципиальная электрическая схема транзисторного компенсационного стабилизатора непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента

Обозначим верхнее плечо делителя RI, а нижнее – RII. Для обеспечения устойчивой работы стабилизатора на выходе включена емкость С.

Схема транзисторного компенсационного стабилизатора работает следующим образом. Допустим, что напряжение на входе стабилизатора увеличилось, тогда должно возрасти напряжение на выходе стабилизатора, а также напряжение на нижнем плече делителя (RII) схемы сравнения U_RII = U_Б2. Увеличение потенциала базы транзистора VТ2 приводит к увеличению как тока базы транзистора VТ2, так и тока коллектора I_К2. В результате увеличивается падение напряжения на нагрузке УПТ

, (10)

что ведет к возрастанию напряжения между коллектором и базой регулирующего транзистора VТ1. Поэтому сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора VТ1 увеличивается, падение напряжения U_КЭ1 возрастает настолько, насколько возросло входное напряжение.

Напряжение на выходе компенсационного стабилизатора остается практически неизменным. Схема будет поддерживать постоянным выходное напряжение стабилизатора и при изменении тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки уменьшается величина, как выходного напряжения, так и напряжения на нижнем плече делителя схемы сравнения U_RII. Вследствие этого, уменьшается ток базы транзистора VТ2 и ток коллектора I_К2. Следовательно, уменьшается падение напряжения на резисторе R_У, поэтому сопротивление между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора VТ1 уменьшается и уменьшается U_КЭ1 настолько, что выходное напряжение стабилизатора остается постоянным.

Таким образом, транзисторный компенсационный стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью.

Для определения основных параметров транзисторного КСПН непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента необходимо найти связь изменения напряжения на выходе стабилизатора ΔU_ВЫХ с различными дестабилизирующими факторами [1–5]. Оценим зависимость ΔU_ВЫХ КСПН от изменений входного напряжения (ΔU_ВХ), тока потребителя (ΔI_Н), напряжения на выходе источника опорного напряжения (ΔU_ОП), которая записывается в виде функционала

. (11)

Детальный анализ схемы КСПН (рис.6) приводит к следующей записи функционала (11) в аналитическом виде

, (12)

где приняты следующие обозначения: К₁ – коэффициент передачи по напряжению транзистора VT1 в схеме включения с общим эмиттером; К₂ - коэффициент передачи по напряжению транзистора VT2 в схеме включения с общим эмиттером; r_К1 – сопротивление коллекторного перехода транзистора VT1. определяемое из выходных характеристик транзистора VT1 в окрестностях рабочей точки (r_К1 = ΔU_КЭ1 / ΔI_К1); r_К2 – сопротивление коллекторного перехода транзистора VT2 в окрестностях рабочей точки (r_К2 = ΔU_КЭ2 / ΔI_К2); α – коэффициент передачи резистивного делителя схемы сравнения, который находится из выражения

; (13)

α’ – коэффициент передачи резистивного делителя схемы сравнения, учитывающий влияние входного сопротивления транзистора VT2, и α’ определяется по формуле

, (14)

где R_ВХ2 – входное сопротивление транзистора VT2; ΔU_ВХ – приращение напряжения на входе КСПН; ΔU_ОП – приращение напряжения на выходе источника опорного напряжения; ΔI_Н – приращение тока потребителя (тока нагрузки).

Исходя из выражения (12) определим основные параметры КСПН (рис.6):

· коэффициент стабилизации находится из зависимости рис.1 в соответствии с соотношением (1). Для оценки К_СТ в формуле (12) принимаем, что ΔU_ОП = 0, ΔI_Н = 0, К₁К₂ α α’ >> ( 1 + К₁). С учетом данных допущений коэффициент стабилизации запишется в виде

. (15)

Если в формуле (12) принять r_К2 К₁ >> (r_К2+R_Y), то выражение для К_СТ еще более упростится

; (16)

· внутреннее сопротивление определяется из зависимости (рис.2) с использованием формулы (3). В этом случае в формуле (12) считаем, что
ΔU_ВХ = 0, ΔU_ОП = 0, и находим внутреннее сопротивление КСПН в виде соотношения

, (17)

где R_ВХ1 – входное сопротивление транзистора VT1; Н_21Э1 – статический коэффициент передачи по току транзистора VT1 в схеме включения с общим эмиттером. Учитывая, что крутизна транзистора VT1 S₁ определяется соотношением

, (18)

можно окончательно записать выражение для R_i в виде

; (19)

· коэффициент сглаживания КСПН находится в соответствии с соотношением (6). Обычно считают, что коэффициент сглаживания КСПН приблизительно равен коэффициенту стабилизации;

· температурный коэффициент напряжения стабилизации КСПН γ_U определяется из соотношения (8). Аналитическая запись для γ_U достаточно сложна, поэтому чаще всего на практике γ_U определяют экспериментальным путем. Причем, если γ_U > 0, то его можно уменьшить, включив в верхнее плечо резистивного делителя напряжения схемы сравнения полупроводниковые диоды (прямое смещение), а при γ_U < 0 – включают терморезисторы;

· коэффициент полезного действия КСПН (рис.6) находится в соответствии с соотношением (9), которое можно раскрыть в следующем виде

. (20)

Входной ток КСПН в основном определяется током потребления I_Н. Схема обратной связи стабилизатора обычно потребляет ток много меньше тока нагрузки. Поэтому можно считать, что I_ВХ≈I_Н и в этом случае формула (20) преобразуется к виду

. (21)

На практике коэффициент полезного действия КСПН непрерывного действия достигает значения (0,5 – 0,7).