ЛЕКЦИЯ 3
СХЕМОТЕХНИКА КОМПЕНСАЦИОННЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА C НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием (КСН с НР), часто называемые линейными, являются наиболее распространенными устройствами источников вторичного электропитания. КСН с НР строятся как на дискретных компонентах, так и в интегральном исполнении. КСН с НР представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую регулирующий элемент и цепь отрицательной обратной связи. Стабилизация напряжения в рассматриваемых устройствах осуществляется соответствующим изменением параметров регулирующего элемента при воздействии на него сигнала обратной связи.
Физика и схемотехника компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием
Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают лучшими параметрами, чем параметрические стабилизаторы. Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием выполняют по двум функциональным схемам: либо с последовательным (рис. 3.1), либо с параллельным (рис. 3.2) включением регулирующего элемента и нагрузки 
.
Рис. 3.1. Функциональная схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки |
Со схемотехнической точки зрения у КСН с НР, построенных с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки , последние (РЭ и ) представляют собой делитель входного напряжения. При этом часть входного напряжения формирует выходное, а разность входного и выходного напряжений компенсируется на регулирующем элементе.
Принцип действия КСН с НР, выполненного по схеме с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки 
(рис. 3.1) состоит в следующем. Пусть напряжение на входе КСН с НР увеличилось, тогда возрастут и напряжения на параллельно включенных нагрузке и делителе выходного напряжения (ДН). С делителя выходного напряжения часть выходного напряжения подается на первый вход усилителя постоянного тока (УПТ), а на второй вход усилителя подается напряжение с источника опорного напряжения (ИОН). Разность напряжений, подаваемых на УПТ, последним усиливается и подается на регулирующий элемент, изменяя его режим работы так, чтобы выходное напряжение КСН с НР достигло первоначальной величины или весьма близкой к ней.
Рис. 3.2. Функциональная схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки |
Для уменьшения пульсаций выходного напряжения предназначен сглаживающий фильтр (СФ).
Таким образом, напряжение на нагрузке КСН с НР остается постоянным благодаря компенсации регулирующим элементом вариаций входного напряжения.
Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования. В этой системе возмущение, возникшее в любом ее звене, пройдет через всю систему, после чего вернется в то же звено. При этом, в зависимости от параметров системы, возмущение, пройдя через нее, может ослабиться или усилиться. Если возмущение усилится, то переходной процесс будет нарастающим, и система превратится в генератор колебаний, амплитуда которых ограничена нелинейностью системы, а частота определяется ее эквивалентными параметрами. Такая система регулирования называется неустойчивой и в ней стабилизация невозможна. Если возмущение будет ослаблено, то переходный процесс станет затухающим, а система регулирования – устойчивой. Для превращения неустойчивой системы в устойчивую в нее вводят отрицательную обратную связь.
В компенсационных стабилизаторах напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки для сохранения неизменным выходного напряжения компенсация вариаций входного напряжения осуществляется на гасящем резисторе 
(рис. 3.2). С физической точки зрения принцип действия данного типа стабилизаторов напряжения и рассмотренного ранее (рис. 3.1) аналогичны. Параллельные стабилизаторы имеют меньший КПД и используются реже. Для стабилизации при повышенных токах и напряжениях чаще используются последовательные стабилизаторы, однако они чувствительны к короткому замыканию нагрузки и требуют обязательного применения защиты от короткого замыкания выходной цепи. Стабилизаторы напряжения параллельного типа не требуют принятия специальных мер защиты от короткого замыкания на выходе.
В компенсационных стабилизаторах напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки компенсация вариаций входного напряжения осуществляется на гасящем резисторе (рис. 3.2). С физической точки зрения принцип действия данного типа стабилизаторов напряжения и рассмотренного ранее совпадают. Поэтому в дальнейшем можно анализировать только процессы в КСН с НР, выполненном по схеме, показанной на рис. 3.1.
Принципиальная электрическая схема КСН с НР и последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки приведена на рис.3.3. Функциональные блоки компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием, показанные на рис. 3.1, в принципиальной схеме, приведенной на рис. 3.3, реализованы следующими электрорадиоэлементами: РЭ – транзистор 
, УПТ – транзистор 
и резистор , ИОН – стабилитрон 
и резистор 
, ДН – резисторы 
, 
и 
, СФ – конденсаторы 
и 
. Конденсаторы С 1 и С 2 гасят броски напряжения, вызванные переходными процессами и предотвращают самовозбуждение стабилизатора. Емкость этих конденсаторов не может быть большими, иначе при включении будет срабатывать защита от короткого замыкания. Обычно в качестве конденсатора С 1 используют керамический безиндуктивный конденсатор емкостью около 0,1 мкФ, а в качестве конденсатора С2 – электролитический конденсатор емкостью несколько десятков мкФ, зашунтированный керамическим конденсатором емкостью 0,1 мкФ.
Рис. 3.3. Топология компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием и последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки |
Принцип действия КСН с НР состоит в следующем. При изменении тока нагрузки, например, увеличении в первый момент времени выходное напряжение компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием уменьшится из-за увеличения падения напряжения на регулирующем транзисторе (напряжение на входе остается неизменным). Это вызывает уменьшение падения напряжения на нижнем плече 
делителя выходного напряжения 
, которое приложено между базой усилительного транзистора и минусовой шиной стабилизатора напряжения. Параметрический стабилизатор напряжения 
обеспечивает неизменность напряжения между эмиттером усилительного транзистора и минусовой шиной стабилизатора напряжения. Поэтому падение напряжения между базой и эмиттером 
усилительного транзистора уменьшится.
Уменьшение напряжения между базой и эмиттером усилительного транзистора приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора . Последнее приводит, в свою очередь, к увеличению базового тока регулирующего транзистора . Известно, что при увеличении тока базы биполярного транзистора падение напряжения 
меду его коллектором и эмиттером уменьшается. Последнее (при постоянном входном напряжении) приводит к приоткрыванию транзистора (уменьшению его сопротивления), а значит и обеспечивает возврат выходного напряжения до первоначального значения.
Если в рассматриваемой схеме КСН с НР отсутствует конденсатор , то коэффициент сглаживания пульсаций 
приблизительно равен коэффициенту стабилизации выходного напряжения по входному 
.
Включение конденсатора 
параллельно верхнему плечу 
делителя выходного напряжения , то есть при шунтировании по переменной составляющей напряжения наблюдается рост по сравнению с . Емкость конденсатора выбирают такой, чтобы его сопротивление 
было, по крайней мере, на порядок меньше сопротивления верхнего плеча делителя выходного напряжения, то есть
|
где 
, 
– частота. Из этого соотношения можно получить формулу для расчета емкости конденсатора
|
Следует иметь в виду, что уменьшение емкости конденсатора за счет увеличения сопротивления не рекомендуется, так как при увеличении сопротивления надо увеличивать также и сопротивление нижнего плеча делителя выходного напряжения. А это приводит к росту постоянной времени 
нижнего плеча ДН, равной 
, где 
– емкость монтажных проводов и входная емкость усилительного транзистора . Увеличение постоянной времени уменьшает ослабление пульсации выходного напряжения, что вызывает необходимость дополнительного увеличения емкости конденсатора .
Пределы регулирования выходного напряжения в рассматриваемом КСН с НР могут быть определены следующим образом.
Как видно из рис. 3.3, напряжение 
на нижнем плече делителя выходного напряжения равно сумме напряжения 
на стабилитроне и напряжения между базой и эмиттером усилительного транзистора , то есть
| (3.1) |
В соответствии с законом Ома можно записать
| (3.2) |
где 
– сопротивление потенциометра между его движком и резистором 
Из соотношений (3.1) и (3.2) следует
|
где 
– коэффициент передачи делителя выходного напряжения.
Эту формулу можно упростить, если учесть, что, 
(обычно порядка 0,7 В, а напряжение стабилизации стабилитрона 
В. Тогда
| (3.3) |
Из полученного выражения (3.3) следует, что стабильность выходного напряжения в значительной степени зависит от стабильности напряжения ИОН. Уравнение (3.3) после перехода к конечным приращениям имеет вид
| (3.4) |
Учитывая, что 
, из уравнения (3.4) следует, что
| (3.5) |
Нестабильность выходного напряжения в значительной степени зависит от стабильности ИОН и превышает изменение опорного (эталонного) напряжения 
.
То есть у компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием изменение выходного напряжения 
превышает изменение опорного (эталонного) напряжения .
Принципиальная электрическая схема КСН с НР и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки приведена на рис. 3.4.
Функциональные блоки компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием, показанные на рис. 3.2, на принципиальной электрической схеме, приведенной на рис. 3.4, реализованы следующими электрорадиоэлементами: – гасящий резистор, РЭ – транзистор , УПТ – транзистор и резистор , ИОН – стабилитрон и резистор , ДН – резисторы , и 
, СФ – конденсатор .
Стабилизаторы напряжения параллельного типа находят применение при небольших токах нагрузки или, когда ток нагрузки изменяется в достаточно узком диапазоне.
Из анализа процессов в КСН с НР следует, что повышение стабильности выходного напряжения 
можно достичь, по крайней мере, тремя схемотехническими методами:
- увеличивая сопротивление коллекторной нагрузки усилительного транзистора, то есть, используя динамическую нагрузку;
- улучшая стабильность напряжения питания усилителя постоянного тока;
- осуществляя температурную компенсацию опорного напряжения.
Пример реализации первого метода (применение динамической нагрузки для УПТ) приведен на принципиальной электрической схеме, показанной на рис. 3.3. В рассматриваемом КСН с НР в коллекторную цепь усилительного транзистора 
включена динамическая нагрузка. Она представляет собой параметрический стабилизатор тока, состоящий из транзистора , резисторов и и стабилитрона .
Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием и параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки |
Этот ПСТ обеспечивает стабильность коллекторного тока 
транзистора VT 1, то есть выполнение условия 
. Учитывая, что 
, то изменения токов 
и 
равны по модулю. Поэтому при увеличении возрастают 
, токи базы и коллектора транзистора , а ток базы регулирующего транзистора уменьшается. Это приводит к увеличению падения напряжения на нем, а значит к возврату выходного напряжения к исходному.
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулирование и использованием динамической нагрузки для усилителя постоянного тока |
Такой схемотехнический прием на порядок улучшает коэффициент стабилизации устройства.
Реализация второго метода (повышение стабильности напряжения питания усилителя постоянного тока) улучшения стабильности выходного напряжения КСН с НР может быть выполнена, если питать УПТ с динамической нагрузкой от дополнительного стабилизированного источник питания 
согласно принципиальной электрической схеме, приведенной на рис. 3.6. Дополнительный источник электропитания выполнен в виде параметрического стабилизатора напряжения 
, у которого функцию гасящего резистора выполняет стабилизатор тока (стабилиток) 
.
Усилитель постоянного тока в рассматриваемой схеме КСН с НР питается напряжением, которое определяется суммой напряжений 
и , то есть напряжениями формируемыми дополнительным источником электропитания и самим стабилизатором напряжения.
При изменении , например, при увеличении потенциал базы усилительного транзистора становится более положительным, а его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Напряжение 
на резисторе равно разности напряжений на стабилитроне 
и 
регулирующего транзистора , то есть
| (3.6) |
Учитывая, что напряжение изменяется незначительно из-за нелинейности входной характеристики транзистора , а напряжение также изменяется незначительно из-за нелинейности ВАХ стабилитрона, то и падение напряжения можно считать постоянным. Тогда и ток 
, протекающий через резистор , является постоянным. Поэтому можно записать, что
| (3.7) | |
В соответствии с уравнением (3.7) при постоянном токе изменения  и  равны по величине, но различаются по знаку.
Следовательно, увеличение коллекторного тока усилительного транзистора приводит к уменьшению базового тока регулирующего транзистора , что вызывает увеличение падения напряжения между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, а, значит, и к сохранению неизменным выходного напряжения КСН с НР.
Пример использования третьего метода (применение температурной компенсации опорного напряжения) для улучшения стабильности выходного напряжения КСН с НР иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 3.7.
| ||
Рис. 3.6. Компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного регулирования с дополнительным стабилизированным источником электропитания для усилителя постоянного тока |
Рис. 3.7. Компенсационный стабилизатор напряжения с непрерывным регулированием и термокомпенсацией опорного напряжения |
Эталонное напряжение формируется двумя стабилитронами и . Причем стабилитрон , имеющий положительный температурный коэффициент напряжения, включен в режиме стабилизации напряжения, а стабилитрон включен в диодном режиме (его ТКН отрицателен) и обеспечивает термокомпенсацию эталонного напряжения. Такое схемотехническое решение построения ИОН уменьшает влияние теплового состояния КСН с НР на величину выходного стабилизированного напряжения. В типовых схемах КСН с НР источник опорного напряжения питается стабилизированным выходным напряжением. Однако это не устраняет нестабильность выходного напряжения, обусловленную изменением температуры окружающей среды.
Действительно, например, при повышении температуры напряжение стабилизации стабилитрона , имеющего положительный ТКН, увеличивается. Это приводит к уменьшению разности потенциалов между эмиттером и базой усилительного транзистора , а значит, и к уменьшению его коллекторного тока, что обуславливает увеличение базового тока регулирующего транзистора . Это эквивалентно его приоткрыванию, а, значит, и уменьшению падения напряжения на регулирующем транзисторе и росту выходного напряжения всего стабилизатора напряжения.
В КСН с НР ток через регулирующий транзистор один и то же, что и ток нагрузки. На регулирующем транзисторе рассеивается значительная мощность, зачастую превышающая мощность в нагрузке.
Поэтому при проектировании КСН с НР необходимо применять специальные меры по облегчению работы РЭ:
-снижение падения напряжения на регулирующем транзисторе (стабилизаторы LDO);
-разгрузка РЭ по току и мощности (достигается параллельным включением транзисторов);
-разгрузка РЭ по напряжению и мощности (достигается последовательным включением транзисторов);
-уменьшение управляющего тока УПТ, что достигается использованием в качестве силовых транзисторов мощных транзисторов с большим коэффициентом усиления 
или составных транзисторов (схема Дарлингтона).
3.2 Физика и схемотехника компенсационных стабилизаторов тока
с непрерывным регулированием
Стабилизаторы тока в отличие от стабилизаторов напряжения, стабилизируют ток, а напряжение на нагрузке будет зависеть от ее сопротивления. Стабилизаторы тока используются: для питания светодиодов; для питания газоразрядных ламп; для заряда аккумуляторов различного типа; широко применяются в составе интегральных микросхем для задания тока усилительных и преобразовательных каскадов. Там они обычно называются генераторами тока.
Особенностью стабилизаторов тока является их большое динамическое (выходное) сопротивление. Это позволяет исключить влияние входного напряжения и сопротивления нагрузки на величину выходного тока. При этом напряжение на нагрузке будет зависеть от ее сопротивления.
В схемотехнике построения стабилизаторов напряжения и тока много общего. В общем случае они могу быть параметрическими, компенсационными с линейным и импульсным регулированием. Различие заключается в том, что в стабилизаторах напряжения используется отрицательная обратная связь по напряжению, а в стабилизаторах тока ООС выполняется по току.
Схемотехника построения компенсационных стабилизаторов тока с непрерывным регулированием (КСТ с НР) (рис. 3.8) и компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (рис. 3.3) во многом подобны. Принципиальное различие КСТ с НР и КСН с НР состоит в том, что в компенсационных стабилизаторах тока с непрерывным регулированием последовательно с нагрузкой включают низкоомный резистор с сопротивлением ~0,5 Ом (на рис. 3.8 потенциометр ), выполняющий функцию датчика тока нагрузки. Напряжение отрицательной обратной связи, снимаемое с датчика тока нагрузки, пропорционально току нагрузки 
. Оно сравнивается с напряжением, формируемым на стабилитроне параметрического стабилизатора напряжения . Функцию компаратора выполняет транзистор , входящий в УПТ, который, в свою очередь, управляет силовым транзистором .
Рис. 3.8. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора тока с непрерывным регулированием |
Это обеспечивает управление регулирующим транзистором . Изменяя сопротивление потенциометра , регулируют стабилизируемый тока нагрузки.
Широкое применение компенсационных стабилизаторов напряжения и тока с непрерывным регулированием объясняется их высокими качественными показателями и хорошей электромагнитной совместимостью с аппаратурой РЭС. Их основными недостатками являются относительно низкий КПД, уменьшающийся с понижением уровня выходных напряжений, а также большие массогабаритные параметры.