Компенсационные стабилизаторы

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) представляет собой систему автоматического регулирования с замкнутой цепью отрицательной обратной связи (ООС). Функциональная схема КСН приведена на рис. 4

Рис. 4. Функциональная схема КСН.

ИП – первичный источник питания (выпрямитель с фильтрами);

ИЭ – измерительный элемент;

ОН – источник опорного напряжения;

СЭ – сравнивающий элемент;

УО – усилитель ошибок;

СУ – схема управления;

ООС – отрицательная обратная связь.

КСН могут быть выполнены как с последовательным, так и с параллельным включением регулирующего элемента относительно нагрузки (соответственно КСН последовательного и параллельно­го типа).

В качестве регулирующего элемента схемы обычно используют­ся биполярные транзисторы, работающие в режиме усиления.

Принцип работы КСН в общих чертах можно представить так. В КСН последовательного типа постоянство выходного напряжения при воздействии возмущающих факторов обеспечивается соответ­ствующим изменением падения напряжения на регулирующем транзисторе. В KСH параллельного типа постоянство выходного напряже­ния обеспечивается за счет изменения падения напряжения на балластном ре­зисторе, включенном последовательно с нагрузкой, при изменении тока, протекающего через регулирующий транзистор. В цепи OOС (отрицательной обратной связи) осуществляется сравнение (частичного или полного) выходного напряжения стабилизатора, снимаемого с измерительного элемента ИЭ, и эталонного напря­жения источника опорного напряжения ОН. Сигнал ошибки, появ­ляющийся на выходе сравнивающего элемента СЭ, усиливается уси­лителем ошибки УО и поступает на схему управления СУ. Послед­няя воздействует на регулирующий элемент РЭ стабилизатора таким образом, что компенсирует происшедшее изменение выход­ного напряжения. Некоторые из вышеперечисленных элементов цепи ООС могут отсутствовать или объединяться друг с другом в зави­симости от конкретной схемы стабилизатора.

Преимуществами КСН по сравнения с ПСН являются более высокая степень стабилизации выходного напряжения, больший к.п.д. и большая выходная мощность. Недостатки – более сложная схема, большие масса и габариты.

Схема КСН последовательного типа приведена на рис. 5, а параллельного типа – на рис. 6.

Рис. 5. Схема КСН последовательного типа

Рис. 6. Схема КСН параллельного типа

В состав каждой из приведенных на рис. 5 и 6 схем вхо­дит регулирующий транзистор Т₁, усилитель постоянного то­ка на транзисторе Т₂, измерительный элемент – делитель на­пряжения на резисторах R_д1, R_ПТ и R_д2. Источником опорного напряжения является однокаскадный параметрический стабили­затор напряжения на кремниевом стабилитроне Д и резисторе R_СТ, определяющем значение рабочего тока через стабилитрон. Сравнение выходного и опорного напряжения производится на входе транзистора T₁ (база транзистора), он же усиливает сигнал ошибки и управляет регулирующим транзистором.

Принцип работы стабилизатора, схема которого приведена на рис. 5 следующий. Пусть входное напряжение повысилось. Это вызывает увеличение тока через делитель R_д1, R_ПТ, R_д2 и увеличение напряжения на базе транзистора Т₂ (U_б2). Сигнал ошибки U_ЭБ=U_Б2-U_СТ (U_СТ – напряжение на стабилитроне) воздействует на вход база-эмиттер транзистора Т₂, вызывая увеличение тока базы этого транзистора, а следовательно, и увеличение тока коллектора транзистора Т₂. В результате этого увеличивается падение напряжения на резисторе R_K. Это увеличи­вает отрицательный потенциал базы транзистора Т₁, что приво­дит к увеличению сопротивления цепи коллектор-эмиттер тран­зистора Т₁. В результате падения напряжения на транзисторе Т₁, возрастает, компенсируя происшедшее увеличение входного напряжения, и выходное напряжение стабилизатора остается почти неизменным.

Если уменьшается сопротивление нагрузки, то увеличива­ется ток через нагрузку, а падение напряжения на нагрузке и на делителе R_д1, R_ПТ, R_д2 уменьшается, что приводит к уменьше­нию напряжения U_б2. Транзистор T₂ прикрывается, ток его коллектора уменьшается. Так как ток коллектора транзистора Т₂, протекает через резистор R_K, то уменьшается падение напря­жения на резисторе R_K. Но напряжение на резисторе R_K опреде­ляет напряжение коллектор-база транзистора T₁, которое, сле­довательно, также уменьшается. Потенциал базы становится более положительным, и проводимость транзистора Т₁ увеличивается, что ведет к уменьшению падения напряжения на нем, а т.к. входное неизменное напряжение является суммой выходного и напряжения на транзисторе Т₁, (между коллектором и эмиттером), то это ведет к увеличению напряжения на нагрузке, компенси­рующему первоначальное уменьшение этого напряжения. Таким образом, здесь как бы происходят два компенсирующих друг друга процесса – сначала уменьшение напряжения на нагрузке, затем из-за наличия обратной связи, это уменьшение вызы­вает увеличение напряжения на нагрузке и в итоге это выход­ное напряжение остается практически неизменным.

Для схемы, приведенной на рис. 6 можно дать аналогичное объяснение принципа работы. При увеличении входного напря­жения происходит увеличение выходного напряжения и напря­жения U_б2. Сигнал ошибки U_б2-U_СТ воздействует на вход транзистора Т₂, увеличивая его ток базы, а значит и ток коллек­тора. Это вызывает рост коллекторного тока транзистора Т₁ т.к. ток коллектора второго транзистора одновременно явля­ется током базы первого транзистора, а увеличение тока базы ведет примерно к пропорциональному увеличению тока коллекто­ра. Увеличение коллекторного тока транзистора Т₁, в свою оче­редь ведет увеличению падения напряжения на балластном ре­зисторе R_бл. А поскольку входное напряжение представляет собой сумму выходного напряжения и напряжения на балластном резисторе (по закону Кирхгофа), то получается, что увеличение входного напряжения в первый момент вызывает увеличение вы­ходного напряжения. Затем, вследствие влияния обратной связи, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе, а выходное напряжение несколько снижается, компенсируя перво­начальное его увеличение. Таким образом, при работе стаби­лизатора оно остается примерно постоянным.

Если уменьшается сопротивление нагрузки, это приводит к уменьшению падения напряжения на ней, а следовательно, и к уменьшению напряжения U_б2,. Значит, проводимость транзистора Т₂ уменьшается и уменьшается ток его коллектора. Но ток коллектора транзистора Т₂ является одновременно током базы транзистора Т₁, а значит и уменьшается ток коллектора транзистора Т₁. Так как ток коллектора транзистора Т₁ протекает через бал­ластный резистор R_бл, то уменьшение тока коллектора транзистора Т₁ ведет к уменьшению падения напряжения на балластном резис­торе и, при постоянном входном напряжении, являющимся суммой выходного и напряжения на балластном резисторе, к увеличению на­пряжения на нагрузке, компенсирующему первоначальное уменьшение выходного напряжения, которое, таким образом, в процессе изме­нения сопротивления нагрузки остается примерно постоянным.

Целью настоящей лаборатории работы является исследование работы параметрических стабилизаторов – однокаскадного и мостового.