Линейные стабилизаторы напряжения последовательного действия (с переходным регулирующим элементом)

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 Т1}уменьшается 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.