1.2.4. Схемы цепей сравнения линейных стабилизаторов

Схемы сравнения и усилители постоянного тока выполня­ются на транзисторах. Поэтому они одновременно с формирова­нием сигнала рассогласования осуществляют его предварительное усиление. На рис. 1.28 приведены типовые схемы сравнения.

а б

Рис. 1.27. Основные схемы сравнения

Каждая схема содержит делитель напряжения (например, R_P, R₃, R₄  на рис. 1.28, а; R_P, R₅, R₆ — на рис. 1.28, б), источник опор­ного (эталонного) напряжения U_оп, который обычно выполняется на стабилитроне, и один или два дополнительных источника на­пряжения E_доп, необходимых для обеспечения нормального режима работы транзисторов. Иногда питание транзисторов осуществляют от выходного напряжения КСН, что позволяет исключить E_доп (пунктирные линии на рис. 1.28).

В тех случаях, когда предварительного усиления недоста­точно для получения заданного коэффициента стабилизации, включают дополнительные каскады усиления. На вход этих УПТ поступает усиленный сигнал рассогласования, а выход соединяется с базой регулирующего транзистора.

Когда требуется высокая температурная стабильность КСН и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напря­жениях), применяют более сложные дифференциальные схемы (рис. 1.28, б).

1.2.5. Типовые схемы стабилизаторов напряжения с последовательным включением регулирующего элемента

Типовые схемы стабилизаторов напряжения с последова­тельным включением РЭ приведены на рис. 1.29. В этих схемах конденсатор C_о.с предназначен для повышения устойчивой работы КСН за счет уменьшения коэффициента усиления УПТ по пере­менному напряжению, а конденсатор С_н  для улучшения переход­ных характеристик и повышения степени устойчивости КСН. Рези­сторы, соединяющие минусовую шину источника питания U_п с базами регулирующих составных транзисторов, предназначаются для компенсации обратных токов транзисторов (например, R₂ на рис. 1.29, а).

Минусовая шина дополнительного источника напряжения E_доп может быть соединена с различными точками КСН: с эмиттером регулирующего транзистора, с его коллектором или с минусовой шиной U_п (пунктирная линия на рис. 1.29, а). Если источник до­полнительного питания подсоединяется к эмиттеру регулирующего транзистора, то напряжение E_доп должно быть больше напряжения эмиттер-база составного транзистора, которое в зависимости от числа (обычно 23) транзисторов лежит в пределах (1,62,4) В. При этом, чтобы нестабильность выходного напряжения была ми­нимальной при изменениях напряжения дополнительного источ­ника, достаточно выбрать Е_доп = (48) В.

а б

в

Рис. 1.29. Типовые схемы стабилизаторов постоянного напряжения

При объединении минусовых шин E_доп и U_п для обеспечения нормальной работы стабилизатора необходимо повысить напряже­ние дополнительного источника на величину выходного напряже­ния, что ухудшает КПД (особенно при повышенных U_н). Если ис­точник дополнительного питания подсоединяется минусовой ши­ной к коллектору регулирующего транзистора, то к нестабильности выходного напряжения от изменения Е_доп добавляется еще неста­бильность от изменения U_п, величина которой может изменяться в больших пределах. Поэтому схема включения минусовой шины E_доп с эмиттером регулирующего транзистора (рис. 1.29, а), явля­ется наиболее целесообразной.

С целью повышения коэффициента стабилизации КСН часто применяют вместо E_доп токостабилизирующий двухполюсник (ТД) (на рис. 1.29, в обозначен пунктирный линией), выполненный на транзисторе VT₁, резисторах R₁, R₂ и стабилитроне VD₁. Иногда в стабилизаторах вместо VD₁ включают один или два диода в пря­мом направлении. Применение ТД вместо E_доп приводит к неболь­шому увеличению минимально допустимого входного напряжения на КСН.

Для повышения качества выходного напряжения в УПТ ста­билизатора применяются операционные усилители, которые обла­дают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора. Можно также питать операционный усилитель от дополнительного источника.

Основными показателями качества выходного напряжения КСН являются коэффициент стабилизации K_ст по изменению на­пряжения питания U_п, внутреннее сопротивление r_н, нестабильно­сти от изменения напряжения дополнительного источника U_н. доп и температуры U_н. т. Величины K_cт и r_н для схем на рис. 1.29 равны

Kст = (Uп / Uн)(Uн / Uп)  Kн т(Uн / Uп),	(1.2.21)
rн  [ri т + r0(1 + rн. т)] / (тKн);	(1.2.22)

для схемы на рис. 1.29, в

rн. т = т h11Э riу / [rт. д (h11Э + riу) + h11Э riу];

(1.2.23)

для остальных схем

rн. т = 0,

где h_11Э, r_iт, _т  входное и внутреннее сопротивления, а также ко­эффициент усиления по напряжению составного транзистора; r₀, r_т.д, r_iу  соответственно внутреннее сопротивление источника пи­тания U_п, токового датчика ТД и транзистора УПТ; K_н  коэффици­ент передача цепи обратной связи, равный произведению коэффи­циентов передачи УПТ и делителя выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения КСН при изменениях напряжения дополнительного источника, питающего коллектор­ную цепь транзистора (но не стабилитрона), равна

Uн. доп = Eдоп / Kн.

(1.2.24)

Величина температурной нестабильности U_н. т определяется в основном температурным уходом напряжения эмиттер-база тран­зистора первого каскада УПТ, источника опорного напряжения и делителя выходного напряжения. Для получения минимального значения U_н. т необходимо:

 в делителе выходного напряжения применять термоста­бильные резисторы (например, ПТМН, С5-22, С2-31);

 первый каскад УПТ выполнять на дифференциальном уси­лителе с использованием двух транзисторов, выполненных на од­ном кристалле (например, К1НТ591) или операционных усилителях;

 применять термокомпенсированные стабилитроны (напри­мер, Д818Е, КС196Г).

Обеспечить малое значение U_н. т можно также применением термочувствительных резисторов в делителе выходного напряже­ния или p-n-переходов. Однако при этом требуется многократная регулировка, а иногда и подбор элементов, что значительно увели­чивает трудоемкость регулировки стабилизаторов, и поэтому такой метод термокомпенсации применяется редко.