12.3. Компенсационные стабилизаторы

В отличие от параметрических компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения РЭ компенсационные стабилизаторы разделяются на последовательные и параллельные.

На рис. 12.12 приведена схема одного из наиболее распространенных (до появления интегральных стабилизаторов) транзисторных стабилизаторов напряжения последовательного типа. Стабилизатор состоит из регулирующего элемента (транзисторы VT1, VT2, VT3), усилителя постоянного тока (VTO, R1), источника опорного напряжения (VD, R2), делителя напряжения R3-R5, резисторов R6, R7, используемых для выбора режима по постоянному току транзисторов VT1, VT2, и конденсатора С1. В стабилизаторе предусмотрена регулировка выходного напряжения, для чего в состав делителя включен потенциометр R4.

Рис. 12.12. Компенсационный стабилизатор

Число транзисторов, входящих в регулирующий элемент, зависит от тока нагрузки. При 1п<(0,02...0,03) А можно использовать только один транзистор VT1; при (0,02...0,03) A<In<(0,5...0,6) A — два транзистора VT1,VT2; при (0,5...0,6) A<In<(4...5) A — все три транзистора.

Стабилизатор может быть выполнен на транзисторах типар—п—р или n—р—п. При использовании транзисторов типа р—п—р полярности напряжений на входе и выходе изменяются на противоположные (по сравнению со схемой на рис. 12.12). При этом необходимо также переключить стабилитрон VD, чтобы напряжение на его аноде было положительным относительно катода.

Стабилизатор работает следующим образом. При увеличении входного напряжения Ui увеличивается и выходное напряжение Uo, что вызывает увеличение напряжения на входе транзистора VTO и его коллекторного тока, в результате чего

напряжение на коллекторе уменьшается, а это вызывает уменьшение тока через транзисторы РЭ и, следовательно, приводит к пропорциональному уменьшению Uo. Аналогичные процессы происходят и при уменьшении тока нагрузки, что приводит к увеличению Uo. При уменьшении Ui или Uo (при увеличении тока нагрузки) транзистор VTO подзакрывается, напряжение на его коллекторе и на базе транзистора РЭ увеличивается, в результате чего Uo увеличивается почти до номинального значения.

Для проведения моделирования необходимо предварительно провести его приближенный расчет. Исходные данные для такого расчета: номинальное выходное напряжение Uo, В; пределы регулирования выходного напряжения Uomax — Uomin;

ток нагрузки 1нmax, А; минимальное и максимальное напряжение сети Uimax Uimin.

Примерный порядок предварительного расчета:

1. Определяем минимальное входное напряжение Uimin=Uomax+(4...5) В. Добавка 4...5 В требуется для обеспечения нормальной работы транзисторов РЭ. Максимальное Uimax в этом случае задается из условия максимально возможного напряжения сети.

2. В зависимости от тока нагрузки определяем число транзисторов, входящих в РЭ (см. вышеприведенную рекомендацию).

3. По Uimax-Uomax и 1nmax выбираются типы транзисторов или редактируются параметры выбранного библиотечного компонента по максимально допустимым напряжению и току коллектора.

4. Выбирается тип стабилитрона VD по напряжению стабилизации из условия Us=Uomin-(2...3) В. В этом случае сопротивление резистора R2=(2...3)/Ismin, где Ismin — минимальный ток стабилизации стабилитрона. Так, например, при Ismin=5 мА R2=400...600 Ом.

5. Определяется сопротивление резистора R1 из условия, что при напряжении Uimin-Uomax по нему протекает ток 3...5 мА.

6. Определяется суммарное Rs сопротивление резисторов делителя R3...R5 из условия протекания по нему тока 5...10 мА при номинальном напряжении Uo. При этом сопротивления резисторов делителя определяются из выражений:

R5=RsUs/Uomax R4=Rs/Uomin, R3=Rs-R4-R5.

7. Сопротивления резисторов R7, R6 определяются как Uo/Ibeo, где Ibeо — тепловой ток эмиттерного перехода соответствующего транзистора.

Рассмотренный стабилизатор обладает сравнительно небольшим коэффициентом стабилизации из-за малого коэффициента усиления однокаскадного усилителя постоянного тока (УПТ). Более высокими показателями обладают стабилизаторы с УПТ на ОУ, один из вариантов которого показан на рис. 12.13. В этом стабилизаторе опорный стабилитрон VD включен в верхнее плечо моста, одна диагональ которого присоединена к выходу стабилизатора, а вторая — ко входам ОУ. Выходное напряжение стабилизатора равно Uo=Us(R2+R3)/R3. Для защиты регулирующего транзистора VT1 от выхода из строя при коротком замыкании на выходе устройства введены транзистор VT2 и резисторы R4 и R5. При увеличении выходного тока выше допустимого предела падение напряжения на резисторе R5 (около 0,5 В) открывает транзистор VT2, в результате чего уменьшается выходное напряжение стабилизатора. При этом резистор R4 защищает выход ОУ от перегрузки при открытом VT2.

Для создания стабилизаторов переменного напряжения можно использовать такие же структурные схемы, что и в стабилизаторах постоянного напряжения, но источники опорного напряжения и регулирующие элементы в них должны быть, естественно, приспособлены для работы с переменным напряжением.

Что касается источников опорного переменного напряжения, то их обычно выполняют на основе инерционно-нелинейных сопротивлений — полупроводниковых или металлических терморезисторов. Регулирующие элементы, входящие в состав стабилизаторов, можно считать усилителями мощности, включенными на выходе ОУ. Таким образом, РЭ для переменного напряжения — это усилители мощности переменного напряжения.

В качестве примера на рис. 12.14 приведена схема простого стабилизатора переменного напряжения. Стабилизатор состоит из резистивного моста Rl, R2, R3, КО, к одной диагонали которого присоединяется источник входного переменного нестабилизированного напряжения Ui, а к другой — входы дифференциального усилителя. Резистор RO моста представляет собой маломощную лампу накаливания, т.е. металлический терморезистор, сопротивление которого возрастает за счет саморазогрева. Вследствие тепловой инерционности такого резистора его сопротивление не будет изменяться синхронно с изменением мгновенных значений тока, а будет реагировать только на относительно медленные изменения его действующего значения. К сожалению, модель лампы накаливания в программе EWB такими свойствами не обладает — это просто световой индикатор.

Контрольные задания

1. Проведите ориентировочный расчет транзисторного стабилизатора и его моделирование для определения коэффициента стабилизации. В процессе моделирования уточните номинальные значения пассивных компонентов и по необходимости отредактируйте параметры транзисторов и стабилитрона.

2. Выберите параметры компонентов и проведите моделирование стабилизатора с ОУ и сравните его коэффициент стабилизации с данными для транзисторного стабилизатора. Варьируя сопротивление нагрузки, проверьте работоспособность схемы защиты стабилизатора от коротких замыканий.