На рис. 43 показана обычная схема стабилизатора напряжения последовательного действия.
Рис. 43. Стабилизатор последовательного действия.
Это схема с замкнутой обратной связью. Здесь Т 1представляет собой проходной регулирующий транзистор, Т 2 выполняет роль усилителя тока для Т 1. Так как большинство мощных, последовательно включаемых транзисторов имеет довольно малое значение h 21Э(порядка 20 – 30), то транзисторы Т 1и Т 2 включены по схеме Дарлингтона. Выход транзистора Т 1на нагрузку берется с эмиттера, так что Т 1и Т 2обеспечивают усиление по току, а не по напряжению. Резисторы R 1и R 2 образуют делитель напряжения, с которого снимается часть выходного стабилизируемого напряжения U вых. Это напряжение сравнивается с опорным (U оп),получаемым от стабилитрона (Ст) с помощью ОУ. Входное напряжение ОУ представляет собой разность между опорным напряжением и напряжением U* вых:
U* вх = U оп– U* вых = U Ст– U* вых[ R 2/(R 1 + R 2)]. (20)
Это напряжение U* вхусиливается усилителем и воздействует на проходной транзистор так, чтобы скорректировать любые изменения выходного напряжения, возникающие как под влиянием изменения входного напряжения, так и тока нагрузки. Стабилизаторы последовательного действия работают следующим образом: если U вых уменьшается либо под влиянием уменьшения U вх, либо увеличения тока нагрузки, то U* выхтакже уменьшается, а U оп остается постоянным. Разность U оп– U* вых возрастает, поскольку напряжение на инвертирующем входе ОУ становится отрицательным по отношению к U оп. Выходное напряжение ОУ становится положительным, что вызывает изменение напряжения на эмиттерах Т 1и Т 2 в положительном направлении до тех пор, пока не восстановится приближенное равенство U* вых≈ U оп. Последнее будет иметь место в случае, когда U вых достигнет значения, которое было до изменения нагрузки или входного напряжения. Выходное напряжение ОУ вызывает дополнительное отпирание Т 1 и Т 2, что в свою очередь приводит к такому увеличению тока нагрузки, которое компенсирует падение U вых. При этом напряжение коллектор – эмиттер U КЭ Т1уменьшается и таким образом компенсирует снижение выходного напряжения. В случае, когда U вх возрастает или I н уменьшается, процесс в системе протекает в обратном направлении.
|
|
Так как U КЭ Т1 = U вх – U выхи весь ток нагрузки протекает через Т 1, то к. п. д. схемы непосредственно зависит от величины U КЭ Т1. Например, если стабилизатор напряжения последовательного действия обеспечивает 15 В стабилизированного напряжения при нестабилизированном входном напряжении 30 В, то максимальный к. п. д. = Р вых/ Р вх = 50 %. Для получения высокого к. п. д. необходимо, чтобы разность U вх – U вых была по возможности меньшей, однако при этом существует предел. Для обеспечения линейности разность U вх – U вых должна быть больше, чем U БЭ Т1 + U БЭ Т2 + U КЭ Т1 мин. Для большинства мощных транзисторов напряжение U КЭ ≈ 2В достаточно для обеспечения линейности. Поэтому для надежной линейной работы Т 1и Т 2 в линейном режиме необходимо, чтобы U вх – U вых≥ 3,5 В. Нестабилизированное входное напряжение обычно имеет пульсации, и поэтому U вх. мин должно быть выше примерно на 3,5 В, чем U вых.
|
|
Для этого типа стабилизаторов напряжения могут быть использованы многие типы ОУ. Операционный усилитель в данном случае имеет однополюсный источник питания, причем нестабилизированное напряжение используется как + U, а земля как – U. Выходное напряжение ОУ должно быть достаточным для того, чтобы устанавливались требуемые значения стабилизированного выходного напряжения и падений напряжения между базой и эмиттером транзисторов Т 1и Т 2.
Если ОУ имеет вывод «земля», то для того, чтобы установить на этом выводе напряжение, равное примерно U вых/2,следует использовать делитель напряжения или стабилитрон, питаемые стабилизируемым выходным напряжением. Величина U выхограничена максимальным значением напряжения питания ОУ.
Если R 1на рис. 43 представляет собой потенциометр, то выходное напряжение может устанавливаться в диапазоне от (U вх – 3,5 В) до напряжения чуть выше U Ст1Очевидно, выход источника питания не может быть установлен меньшим, чем U Ст1 так как U опдолжно быть всегда чуть больше U* вых. Если предположить, что коэффициент усиления по напряжению пары Дарлингтона равен единице, то коэффициент усиления разомкнутой цепи, состоящей из ОУ, T1 и Т 2, равен коэффициенту усиления А операционного усилителя. При отсутствии U вхк усилителю прикладывается только U Ст, цепь обратной связи для стабилизатора образуется делителем R 1, R 2. При этом выходное напряжение U вых = AU Ст.В развернутом виде
U вых = U Ст [ A /(1 + A β)],но β = R 2/(R 1+ R 2),а А >>(R 1+ R 2)/ R 2.
Поэтому U вых ≈ U Ст [(R 1+ R 2)/ R 2]. (21)
Таким образом, когда прикладывается U вх, U выхбудет изменяться до тех пор, пока U* вых = U оп,как будто бы схема стабилизации в целом представляет собой неинвертирующий операционный усилитель.
Уравнение, связывающее изменение выходного напряжения стабилизатора с изменением входного напряжения, имеет вид
Δ U вых / Δ U вх= (R н/ R К)[(R 1 + R 2)/ AR 2],(22)
где R н– сопротивление нагрузки, R K – динамическое сопротивление коллектора, А – коэффициент усиления ОУ в разомкнутом состоянии по напряжению, R 1и R 2– резисторы, образующие делитель напряжения, с которого снимается U* вых.
Если в качестве последовательного регулирующего элемента используется пара Дарлингтона, то R Ктранзистора Т 1увеличивается до R К Т1 эфф = R К Т1 h 21Э Т2, где h 21Э Т2 – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером для управляющего транзистора в паре Дарлингтона.
Уравнение изменения выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока будет иметь вид
Δ U вых / Δ U вх= (R н/ А)[(R 1+ R 2)/ R 2]. (23)