7.4 Компенсаційні стабілізатори напруги

В компенсаційних стабілізаторах напруги відбувається порівняння фактичної величини вихідної напруги з її заданою величиною і в залежності від величини і знаку різниці між ними автоматично здійснюється відповідний вплив на елементи стабіліза-тора, спрямований на зменшення цієї різниці. Компенсаційний стабілізатор регулювання, рис. 7.6 (а,б).

Рис. 7.6 - Компенсаційний стабілізатор регулювання

Основними елементами таких стабілізаторів є:

• джерело опорної (зразкової) напруги 1;

• порівнюючий і підсилюючий елемент (ППС) 2;

• регулюючий елемент (транзистор, або електрона лампа) 3.

З опорною напругою порівнюється фактична вихідна напруга стабілізатора або її частина. Як джерело опорної напруги в більшості випадках використовуються параметричні стабілізатори і рідше гальванічні батареї. Підсилювач постійного струму (ППС) порівнює і підсилює різницю між опорною і вихідною напругою, до величини, необхідної для керування регулюючим елементом – потужним транзистором. За способом ввімкнення регулюючого елемента компенсаційні стабілізатори можна розділити на стабілізатори послідовного і паралельного типу.

В стабілізаторах послідовного типу, рис 7.6,а регулюючий елемент 3 включається між випрямлячем і навантаженням і виконує роль баластного опору. Схема ППС 2 будується так, щоб при зростанні напруги на виході стабілізатора (наприклад, за рахунок збільшення вхідної напруги або зменшення струму навантаження) вихідний сигнал підсилювача закриває регулюючий елемент (фаза сигналу на виході ППС повинна бути протилежна фазі сигналу на його вході). При цьому внутрішній опір регулюючого елемента зростає, падіння напруги на цьому збільшується, а вихідна напруга стабілізатора залишається практично незміною. При зменшенні вихідної напруги реакція стабілізатора буде зворотною. В стабілізаторах послідовного типу на регулюючому елементі падає напруга, що дорівнює U₁ – U₂, а отже ∆U₁ = ∆U_p. Через регулюючий елемент протікає струм, незначно перевершуючи струм навантаження (І_р ≈ І_н і отже ∆І_р ≈ ∆І_н).

В стабілізаторах паралельного типу регулюючий елемент 3 включається паралельно навантаженню, а послідовно з ними включається сталий баластний опір R_б, рис 7.6,б. схема ППС будується таким чином, щоб при зростанні напруги на виході стабілізатора вихідний сигнал підсилювача збільшував струм через регулюючий елемент. За рахунок збільшення струму регулюючого сигналу збільшується падіння напруги на баластному опорі, а напруга на навантаженні майже не змінюється. В стабілізаторах паралельного типу до регулюючого елементу прикладена напруга, яка дорівнює вихідній, а струм, протікаючий через нього при незмінній U₁, знаходиться в зворотній залежності віл струму навантаження, тобто ∆І_р = -∆І_н. Параметричний стабілізатор напруги відповідає структурі спрощеного стабілізатора паралельного типу, де діод виконує функції регулюючого елементу, а підсилювальний елемент відсутній.

Стабілізатори паралельного типу мають менший ККД і застосовуються рідше. Для стабілізації підвищених напруг і струмів при змінних навантаженнях звичайно застосовується стабілізатори напруги послідовного типу. Їх недоліком є те, що для короткого замикання на виході до регулюючого елемента прикладається вся вхідна напруга.

Зробимо порівняння стабілізаторів послідовного і паралельного типів.

В стабілізаторах напруги паралельного типу напруга на регулюючому транзисторі дорівнює вихідній, в стабілізаторах послідовного типу напруга на регулюючому транзисторі дорівнює різниці між вхідною і вихідною напругами, тобто значно менша ніж в попередньому випадку. Тому стабілізатори послідовного типу можуть краще застосовуватись на більш високі вихідні напруги.

ККД стабілізатора напруги паралельного типу залежить від струму навантаження. У стабілізаторів послідовного типу ця залежність виражена менше. При неповному навантаженні і однаковій потужності стабілізатор послідовного типу має більші ККД, а при максимальному навантаженні більш економічний стабілізатор паралельної дії. Тому перший із них більш доцільно використовувати при змінному навантаженні, а другий – при сталому.

Стабілізатори напруги паралельного типу не потребують прийняття спеціальних заходів захисту від КЗ на виході; напруга на регулюючому транзисторі в цьому випадку дорівнює нулю і потужність розсіювання також дорівнює нулю. Вся потужність буде розсіюватися на баластному резисторі і він повинен бути відповідно вибраним. У стабілізаторах послідовного типу при КЗ на виході практично вся напруга падає на регулюючому транзисторі.

Режим ХХ на виході небезпечний для стабілізаторів паралельного типу, оскільки в цьому випадку на регулюючому транзисторі розсіюється велика потужність. На рекомендується також робота в режимі ХХ і стабілізаторів послідовного типу, тому що при малих струмах робота потужних транзисторів буде нестійкою.

Одним із найбільш компенсаційних стабілізаторів є одно каскадний стабілізатор послідовного типу без підсилювального елементу. Стабілізатор послідовного типу, рис.7.7, в якому як регулюючий і підсилювальний елемент використаний один транзистор по суті є елітарним повторювачем.

Рис.7.7 – Послідовний стабілізатор

Потенціал бази емітер - повторювача задається параметричним стабілізатором. В розглядуваній схемі І_р = І_е ( І_р – струм через регулюючий елемент), R_i = r_F / (1+β).

Рис. 7.8 – Емітер – повторювач

В цій схемі стабілізація здійснюється таким чином. Нехай зросла напруга U₂ (нехай за рахунок росту вхідної напруги U₁). Тоді емітер стане більш негативним ніж він був до цього часу, значить зменшиться напруга U_еб. Це спричинить зменшення струму колектор – емітер транзистора і збільшення опору p-n переходу емітер – колектор. Завдяки цьому на переході буде збільшений спад напруги і на навантаженні напруга не зміниться. Зменшення напруги U_еб буде тому, що напруга U_ст вважається незміною.

При відключенні навантаження струм стабілітрона максимальний і визначається опором резистора R_б. З ростом струму навантаження струм стабілітрона зменшується, досягаючи мінімуму при І_нmax. Але максимальний струм навантаження в цій схемі звичайно обмежується не найбільшою розсіювальною транзистором потужністю і не допустимим діапазоном зміни струму стабілітрона, а вихідним опором стабілізатора.

Вихідний опір такого стабілізатора великий – біля 1Ом. Розрахункова величина коефіцієнта стабілізації є великою (приблизно 150-300). Дійсно величина К_ст обмежена стабільністю джерела живлення Е. при малій стабільності цього джерела буде змінюватися напруга стабілізації стабілітрона і ці зміни практично визначають точність роботи всього стабілізатора.

Типові прості схеми компенсаційних стабілізаторів напруги постійного струму з підсилювальними елементами послідовного і паралельного типів приведені відповідно на рис. 7.9,а і 7.9,б.

Рис. 7.9,а - Компенсаційний стабілізатор напруги постійного струму з підсилювальними елементами послідовного типу

Рис. 7.9,б - Компенсаційний стабілізатор напруги постійного струму з підсилювальними елементами паралельного типу

Транзистор VТ2 повністю закривається, коли через зменшення опору навантаження значно зменшиться напруга U_н. До цього моменту стабілітрон повинен працювати в режимі, тому R_ст визначає його (стабілітрона) мінімальний струм.

До складу кожної схеми входить регулюючий транзистор VТ1, ППС на транзисторі VТ2, вимірюючий елемент – подільник напруги на резисторах R_1, R₂, R₃. джерелом опорної напруги є одно каскадний параметричний стабілізатор на стабілітроні VD, мінімальний робочий струм через стабілітрон визначається опором резистора R_ст. Порівняння вихідної і опорної напруги відбувається на вході транзистора VТ2 ППС, він же підсилює сигнал похибки і керує регулюючим транзистором.

Розглянемо роботу схем при умові, що змінюється вхідна напруга U₁.

При збільшенні напруги живлення U₁ збільшується напруга стабілізаторів U_н і відповідно та її частота, яка знімається з подільників R₁,R₂,R₃. Сигнал похибки:

U_еб = U_нg – U_ст

Діє на вхід транзистора VТ2, виключаючи збільшення його колекторного струму І_к2. В схемі, рис. 7.9,а це приводить до зменшення базового струму транзистора VТ1, або зменшення потенціалу бази VТ1 за рахунок збільшення напруги на опорі резистора R_к. Оскільки транзистор VТ1 працює в режимі підсилення, то падіння напруги на ньому зростає і відбувається компенсація збільшення вхідної напруги.

В схемі, рис. 7.9,б збільшення струму І_к2 викликає ріст колекторного струму транзистора VT1 і збільшення падіння напруги на баластному резисторі R_б. В результаті цього відбувається компенсація зростання напруги U_н.

Через резистор R_к, рис. 7.9,а, одночасно течуть колекторний струм І_к2 транзистора VТ2 і базовий струм І_б1 транзистора VТ1. Оскільки R_к є навантаженням ППС, то для отримання великих значень підсилення його опір повинен бути якомога більшим. З іншого боку резистор R_к визначає базовий струм VТ1 і збільшення його опору приводить до обмеження струму І_к1 і струму навантаження стабілізатора. Вирішити це протиріччя можна заміною транзистора Vт1 складальним транзистором з великим коефіцієнтом передачі струму.

Ефективність роботи стабілізаторів краща, якщо величина опорної напруги близька до напруги вихідної стабілізатора. Але при цьому зменшується діапазон можливих змін напруги живлення і границі регулювання вихідної напруги.

Опори подільників вибираються із умови величини струму через них на порядок більшого ніж базовий струм транзистора VЕ2. збільшення цього струму зменшує ККД схеми і збільшує температурну нестабільність вихідної напруги стабілізатора через перегрівання резисторів подільника.

В прецизійних (точних) стабілізаторах регулювання вихідної напруги здійснюють підбором постійних резисторів подільника напруги. Змінний резистор R₃ має достатньо велику нестабільність температурну і в часі.

Для зменшення нестабільності опорної напруги необхідно вибирати стабілітрони з малим диференційним опором, додатково за допомогою термокомпенсуючих елементів зменшувати температурні зміни напруги (діоди, терморезистори можуть вмикатися в коло подільника).

ППС повинен збільшувати сигнал похибки до рівня достатнього для керування регулюючим транзистором. Оскільки ППС знаходиться в колі негативного зворотного зв’язку, то його строгий розрахунок не потрібен. Збільшення коефіцієнта підсилення кола зворотного зв’язку сприяє покращенню стабілізації вихідної напруги і зменшує вихідний опір стабілізатора, але повинна забезпечуватись стійка робота схеми.