Так как напряжение на стабилитроне Ut в соответствии вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стаби' литрона в пределах участка от /стгаш До /сттах, то приращение входного напряжения AUbk примерно равно приращению напряжения Д^/?5 на резисторе Re.

Так как ток нагрузки / =[/ ? == С/ст ?н останется при этом неизменным, то можно записать

(9,5)

т. е. при изменении входного напряжения на А(7вх ток стабилитрона изменится на величину AUaxJRe.

/я. R

-t-О

Рис 9 1

Теперь предположим, что изменилась нагрузка, например уменьшилось сопротивление резистора /? , что привело к увеличению тока нагрузки. Поскольку при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока /вх = /ст-]-/н =

- const, увеличение тока / влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 9.1, а) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона /?д на рабочем участке вольт-амперной характеристики

Rmjx - Ri -

сттах CTinln

/сттах

(9.6)

CTmin

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне U = Uct, а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон: Л/н==А/ст.

Записав Д[/ет=А/ст/?д и учтя выражение (9.5), в соответствии с формулой (9.2) найдем коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора

Д/ст/?б А/ет/?д f/н

5б

(9.7)

Из формулы (9.7) следует, что с ростом Re увеличивается коэффициент стабилизации. Однако при заданных Ubx, Un. /стном, /н одротивление резистора Rt однозначно определяется из выраже-

Rb-ftr , (9.8)

и + Устном

где /стном= (/сттах - /стт1п)/2 -номинальный ТОК СТЭбИЛИТроНа

/пис. 9.1, б).

Увеличить /?б можно, если повысить (Увх, а это

приводит к уменьшению Кот. Поэтому значение коэффициента стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения обычно не превышает 50. Для повышения Кет можно применять последовательное включение стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют существенные недостатки, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения, малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (/н>/стном).

Стабилизаторы тока. Основным параметром стабилизаторов тока, кроме выходного сопротивления, является коэффициент стабилизации выходного тока, равный отношению относительного приращения входного тока к относительному приращению тока нагрузки, т. е.

/Се.-(9.9) вх / н

В маломощных параметрических стабилизаторах тока используются элементы с большим сопротивлением по переменному току, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где ток через элемент не зависит от напряжения на нем. Такую характеристику имеют биполярные транзисторы, включенные с общей базой (см. рлс. 4.29), сопротивление которых переменному току составляет несколько мегаом. В качестве стабилизатора тока Можно использовать также схему на полевом транзисторе (рис. 9-2), в которой стабилизация тока осуществляется за счет действия глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой резистором в цепи истока /?и. Падение напряжения на резисторе °и от протекания тока /н=/с равно по абсолютной величине напряжению затвор - исток, т. е.

/с/?и=зн1.

Записав /?н= {/зи с и учитывая, что стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывается выражением

= /co(l-

где /со - ток стока при изн=\

UoTc - напряжение затвор -исток при отсечке тока {/с=0) будем иметь

п .. t/orc(l-V7j77o)

с

Для обеспечения хорошей стабилизации тока сопротивление должно быть по возможности большим, так как при увеличении /?и возрастает внутреннее сопротивление транзистора, определяемое формулой

где rca=dUcTild[c (при {/зи = соп51) -дифференциальное сопротивление сток - исток, значение которого лежит в диапазоне 80- 100 кОм.

Схема стабилизатора тока (рис. 9.2) является двухполюсником и может быть включена вместо любого омического сопротивления. Эта особенность схемы используется для повышения коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения (см. рис. 9.1), заменив в нем балластный резистор Re стабилизатором тока (рис. 9.2). В этом случае коэффициент стабилизации напряжения может достигать Ю *.

§ 9.2. Компенсационные стабилизаторы

Стабилизаторы напряжения различают компенсационные ста билизаторы непрерывного и импульсного действия. Стабилизато ры напряжения непрерывного действия представляют собой систе му автоматического регулирования, в которой фактическое знче ние выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сиг нал рассогласования усиливается и должен воздействовать на ре гулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В ка честве источника опорного напряжения обычно используют пара метрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагруз ки, реже гальванические батареи.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. 9.3, а. В этой схеме регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивлгения.

разностный сигнал рассогласования U -Uon, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.

При положительном сигнале рассогласования (f/н-f/on) >0 внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения у э на нем увеличивается. Так как РЭ и нагрузка включены по-следовательно, то при увеличении t/рэ выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению U ном-

иан

5)

Рис. Э 3

При отрицательном сигнале рассогласования {Uh-f/on) <! О, наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uh.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа на транзисторах приведена на рис. 9.3, б. Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VTi. При увеличении Ubx выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения Ueai на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе УТг. Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение база - эмиттер транзистора VTj уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VTj и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор °к, определяющий базовый ток регулирующего транзистора VTi, Подключается к стабильному источнику напряжения - £ 0.

Коэффициент стабилизации схемы рис. 9.3, б при абсолютно <табильном напряжении Ео и без учета влияния делителя напря-

жения Ri-R2-R3 (база транзистора VT2 подключена непосред, ственно на выход стабилизатора) определяется выражением

а выходное сопротивление

Явых ~ К'-э + д) /г2э2 + -62]M2l3lA21s2-

Если Ео не стабилен, то его колебания передаются через резистор /? на базу регулирующего транзистора VTi и ухудщают

коэффициент стабилизации схемы в Л = 1 + --раз.

Увеличение Rk. снижает величину А, но может привести к нарушению условия нормальной работы стабилизатора:

Д/,2=-Д/б1- (9.11)

Это условие вытекает из очевидного равенства 6i + 42=/ K~(o-H) ?K=const.

Согласно равенству (9.11), увеличение тока базы h\ транзистора VTi на величину А/б1 вызывает уменьшение на такую же величину тока коллектора /кг транзистора VT2.

Так как ток базы связан с током нагрузки соотношением /51 / /2131, то при увеличении сопротивления R ток hi может-оказаться больше, чем ток /к2, что нарушает условие (9.11).

Плавная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя напряжения Ri, R2, R3, включенного в выходную цепь стабилизатора таким образом, как показано на рис. 9.2, б.

В этом случае выходное напряжение стабилизатора

= оп + и62 + оп/(/?3 4-2)1 (/?! + R2) +6Э2. (9.12)

Ток через делитель /дел выбирают обычно на порядок больше, чем ток базы транзистора VT2. Дальнейшее увеличение тока делителя за счет снижения сопротивлений Ru R2, R3 нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД схемы. Тогда выражение (9.12) принимает вид

UUJl+±)+U,2. (9.13)

V R3 + R2 /

При включении делителя напряжения коэффициент стабилизации, определяемый формулой (9. 0), уменьшается в В раз, так как во столько раз уменьшается приращение входного тока транзистора VT2, соответствующее приращению выходного напряжения Af/н. .

Записав приращения входного тока без делителя {AUk=Au632)

Д/б2=Дадвхэ2

д с делителем А/б2дел = /СделА1/н/(/?вхэ2 + Яяел),

где дел = (/?з + Rn/iRl + R2 + Rz), /?дел = {Rz + Ri ) II {Rl +

i?2). найдем

Д/б2дел ЯвхзчКцел \ /?вхэ2

Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента используют составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора.

о-с

ион

Рис 9 4

Рис. 9 5

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена на рис. 9 4. В этой схеме регулирующий элемент (РЭ) подключен параллельно нагрузке Последовательно с ними включается балластный резистор Re. Таким образом, схема компенсационного стабилизатора параллельного типа при отсутствии усилителя У по своей структуре напоминает схему параметрического стабилизатора, в которой роль регулирующего элемента играет стабилитрон.

Схема рис. 9.4 работает следующим образом. Разностный сигнал рассогласования f/ - f/on, формируемый схемой сравнения, усиливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент (РЭ), изменяя его ток /р таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения U .

Коэффициент стабилизации компенсационных последовательных стабилизаторов достигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усилителя У. Однако следует учитывать, что при Увеличении коэффициента усиления до определенного значения схема стабилизатора самовозбуждается.

Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов имеет значение порядка нескольких ом и даже долей ом.

КПД у стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резистора расходуется дополнительная мощность.

Недостатком стабилизаторов последовательного типа является их критичность к перегрузкам. При коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу (транзистору VTi) прикладывается все входное напряжение и резко увеличивается ток /р, что может привести к выходу транзистора из строя.

В настоящее время все больше распространены схемы стабилизаторов напряжения, выполненные на основе операционных усилителей.

lit- W

ИМС

Вых

Рис. 9 6

огр Вых

Рис. 9.7

На рис. 9.5 приведена схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа, где операционный усилитель используется в качестве усилительного элемента. Напряжение на выходе схемы определяется выражением

вых = вых оу - = [ + 2)/(/?2 + ;?3) + 1 ] п - (9.14)

и остается постоянным при изменении нагрузки R .

Изменяя сопротивление в цепи обратной связи R2, можно регулировать выходное напряжение схемы. Опорное напряжение Uon создается параметрическим стабилизатором напряжения, состоящим из резистора Ri и стабилитрона VD.

В настоящее время выпускают широкий ассортимент интегральных стабилизаторов напряжения с защитой от токовых перегрузок и короткого замыкания на выходе.

В качестве источника опорного напряжения используют параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона и полевого транзистора, выполняющего роль балластного сопротивления.

Регулирующий элемент обычно представляет собой составной транзистор, состоящий из двух или нескольких отдельных транзисторов, число которых определяегся требованиями, предъявляемыми к стабилизатору.

Усилительным элементом схемы интегрального стабилизатора является операционный усилитель или в некоторых случаях просто дифференциальный каскад.

На рис. 9.6 приведена дсновная схема включения гибридного интегрального, стабилизатора типа 275ЕН6А, позволяющая стабилизировать на выходе положительное напряжение 6 В.

Навесной резистор Rorp включается в цепь защиты стабилизатора от короткого замыкания нагрузки.

Его сопротивление зависит от значения допустимого тока нагрузки /и доп и определяется из формулы

где [/бэ=0,5...0,7 В.

Конденсаторы Си Сг устраняют самовозбуждение стабилизатора и их подбирают при использовании стабилизатора на практике. Выходное напряжение можно регулировать с помощью внешних сопротивлений. .

Вых

Рис. 9.8

Рис. 9.9

Стабилизаторы отрицательного напряжения этой же серии отличаются от стабилизаторов положительного напряжения другим типом электропроводности транзисторов. На рис. 9.7 приведена основная схема включения стабилизатора типа 275ЕН12А, позволяющая стабилизировать отрицательное выходное напряжение - 12 В.

По сравнению с гибридными полупроводниковые стабилизаторы напряжения имеют высокую стабильность выходного напряжения за счет запаса коэффициента усиления, который легко реализовать в полупроводниковых интегральных микросхемах, так как в гибридных ИМС транзисторы являются дискретными элементами.

Основная схема включения полупроводникового стабилизатора THrfa 142 ЕН1 приведена на рис. 9.8. Внешний резистор Ri включен в цепь защиты схемы от короткого замыкания нагрузки.

Конденсатор Ci определяет время восстановления номинального режима при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения. Емкость конденсатора Ci составляет в реальных схемах примерно. 103 пф

Емкость конденсатора Сг позволяет уменьшить выброс выход-ого напряжения при импульсном изменении нагрузки и входного спряжения.

Стабилизаторы тока. В компенсационных стабилизаторах тока последовательно с нагрузкой включается эталонный резистор R напряжение на котором стабилизируется с помощью обычного ста! билизатора напряжения. Таким образом, при изменении нагруз, ки /? ток, протекающий через нее, останется неизменным.

На рис. 9.9 приведен один из вариантов схемы компенсационного стабилизатора тока. Сигнал рассогласования Ur - Uo уси. ливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2 и воздействует на регулирующий элемент (транзистор VTi).

-ipo

Рис. Э 10

Импульсные стабилизаторы напряжения. Существенным недостатком, рассмотренных выше компенсационных стабилизаторов непрерывного действия является относительно низкий КПД, не превышающий 60 7о, что приводит к увеличению массы и габаритов устройства. Применение импульсного режима работы регулирующего элемента (транзистора) стабилизатора позволяет повысить КПД до 80 % и уменьшить массу и габариты стабилизатора, так как при малой рассеиваемой мощности регулирующего транзистора, работающего в импульсном режиме, можно не применять массоем-кие теплоотводящие радиаторы. На рис. 9.10, а приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа, иллюстрирующая принцип его действия. В схеме рис. 9.10, а нагрузка последовательно через сглаживающий фильтр Ф й ключевой регулирующий элемент РЭ подключена к источнику входного напряжения. Выходное нагрузочное напряжение сравнивается с эталонным опорным напряжением Uon- Рзз-ностный сигнал рассогласования U, формируемый схемой сравнения СС, воздействует на схему управления СУ, которая вырабатывает импульсы управляющие временами размыкания и замыкания ключевого регулирующего элемента. В результате к входу сглаживающего фильтра Ф будет приложено импульсное напряжение ф, форма которого представлена на рис. 9.10, б. Среднее значение этого напряжения f/фо зависит от соотношения времен замкнутого и разомкнутого состояний ключа РЭ и определяется фор-мулой

з + p

-UhJJ--UJQ, (9.15)

J,дe Т=1з + tp - период, f - частота переключения ключевого элемента, Q = T/t3 - скважность последовательности импульсов.

Изменяя параметры /з и /, можно регулировать напряжение С/фп таким образом, чтобы выходное напряжение стабилизатора оставалось почти неизменным.

Изменение параметров /з и / можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключевым элементом РЭ.

Возможны три способа модуляции входного напряжения:

Н -1

Рис. 9.11

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда изменяется длительность управляющих импульсов 1з (время замкнутого состояния ключевого элемента), а частота / их следования (частота переключения ключевого элемента) остается неизменной.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), в процессе которой изменяется частота следования управляющих импульсов, а их длительность неизменна.

3. Широтно-частотная, когда частота и длительность управляющих импульсов - переменные величины.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широт-но-импульсной модуляцией.

В качестве схемы управления СУ в таких стабилизаторах может использоваться генератор импульсов ГИ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с постоянной частотой. Длительность импульсов определяется величиной сигнала рассогласования, поступающего с выхода схемы сравнения СС.

Возможно построение стабилизатора с ШИМ на основе структурной схемы рис. 9.11, а, где функции сравнения сигналов и Управления ключом выполняет компаратор напряжения КН, на Один из входов которого поступает выходное напряжение вых или асть его, а на другой - пилообразные импульсы г, вырабатывае-**bie с постоянной частотой генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Компаратор срабатывает при равенстве на-

617 193