1. Какие схемы компенсационных стабилизаторов Вы знаете? Каково назначение элементов в этих схемах?
1.Компенсационные стабилизаторы напряжения это более сложные устройства. В них обязательно присутствуют эталон и цепь обратной связи. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.
Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ)
и нагрузку (RН). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U2. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (UЭТ). Напряжение обратной связи (UОС) снимается с нижнего плеча ДН (RД2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение UОС и UЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение (сигнал ошибки Uε = UОС - UЭТ), что приводит к изменению тока управления (IУ) и изменению падения напряжения на РЭ (∆UРЭ). Напряжение на выходе (U2) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U1) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Uε), уменьшение тока управления (IУ) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.
Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из- за возможных перегрузок РЭ по току.
Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ:
При возрастании входного напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U2 и, следовательно, UОС. Последнее приводит к возрастанию напряжения ошибки Uε, тока управления IУ и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе D URб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.
Схема имеет невысокий КПД из-за потерь на балластном резисторе Rб, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.
3. Какой принцип действия компенсационных стабилизаторов?
3.Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения
Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.
В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения ΔUРЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при применении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.
В схеме, приведенной на рисунке 1, коэффициент передачи элемента регулирования K р определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора. Эталонное напряжение U эт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится делитель напряжения с коэффициентом деления K д. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки ΔUE. Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:
(1)
Принцип работы компенсационного стабилизатора лучше пояснить по принципиальной схеме. Подобная схема, выполненная на двух транзисторах, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения
В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Схема сравнения реализована на транзисторе VT2. Ток этого транзистора зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R3, R4.
Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.
Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.
Рисунок 3. Схема Дарлингтона
Коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше K у, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения U вх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего токовое зеркало.
Рисунок 4. Принципиальная схема токового зеркала
В результате получается схема, подобная схеме стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора, поэтому выгоднее подобрать готовый стабилизатор на необходимое напряжение.
Рисунок 5. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805
Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисунке 6
Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805
Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать выходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог — стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на выходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, 7809 — 9В, 7812 — 12В.