5.2. Работа компенсационного стабилизатора непрерывного действия

На рис.5.2 показана схема стабилизатора напряжения последовательного действия [3]. Стабилизатор напряжения представляет собой типовую схему с обратной связью. Часть выходного напряжения снимается с делителя напряжения R₁иR_2, сравнивается с помощью операционного усилителя (ОУ) А1 с опорным напряжениемU_оп, получаемым от стабилитронаVD. Входное напряжение усилителя представляет собой разность между опорным напряжением и напряжением с выхода делителя, которое пропорционально выходному напряжению. Это напряжение усиливается усилителем и воздействует на проходной составной транзистор таким образом, чтобы компенсировать любые изменения выходного напряжения, возникающие под воздействием любых дестабилизирующих факторов, например, повышения входного напряжения, изменения тока нагрузки. Следует заметить, что ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя. Опорное напряжение поступает на вход неинвертирующего усилителя, а обратная связь обеспечивается с помощью переходов база-эмиттер составного транзистора и делителя напряженияR₁,R₂. Обратная связь "стремится" сделать напряжение между входами ОУ равное 0 (дифференциальное входное напряжение ОУ в линейном режиме близкое к нулю), т.е.U_с =U_оп.

Работу схемы можно рассмотреть еще и следующим образом. Допустим, напряжение на выходе уменьшилось либо за счет уменьшения входного напряжения либо под влиянием увеличения выходного тока. При этом уменьшится напряжение U_cна выходе делителя, а дифференциальное напряжение ОУU_д =U_оп–U_сувеличится т. к. опорное напряжение остается неизменным. Напряжение на выходе ОУ также возрастет, что приведет к увеличению тока базы составного транзистора. Транзистор приоткрывается, и напряжение на выходе увеличивается. Процесс продолжается непрерывно до тех пор, покаU_с приблизительно не станет равнымU_оп, а это произойдет тогда, когда напряжение на выходе не вернется к первоначальному значению. Аналогично можно рассмотреть случай, когда выходное напряжение возрастает.

Вкачестве проходного транзистора использован составной транзистор, т. к. большинство мощных транзисторов имеют малые значения коэффициента усиления по току, приблизительно 20 – 30. А ток базы проходного транзистора может быть довольно большим и значительно превышать выходной ток ОУ. Использование составного транзистора позволяет увеличить коэффициент усиления по току транзистора, тем самым уменьшить ток базы. Свойства составного транзистора смотрите в приложении Б. Проходной транзистор можно рассматривать, как эмиттерный повторитель. Поэтому он является усилителем тока.

Для работы в таких стабилизаторах подойдут многие схемы ОУ. Например, К140УД7 ( A741) и его аналоги. Обратите внимание на включение питания ОУ. Он имеет однополюсное питание. Минус питания подключается к "земле", а плюс питания к нестабилизированному напряжению. На вход плюс питания при однополюсном питании можно подавать напряжение величиной равное разности напряжений питания, подаваемых на входы плюс и минус. Например, если напряжение питания ОУ по справочным данным равно15 В, то при однополюсном питании можно подавать напряжение питания до 30 В.

К. п. д. схемы зависит от мощности, рассеиваемой на проходном транзисторе VТ1. Так как весь ток нагрузки течет через транзисторVT1, то рассеиваемая мощность на нем может быть значительной. Для уменьшения рассеивания мощности на транзисторе величина напряженияU_{кэ vт1}должна быть как можно меньше. Для обеспечения линейности напряжениеU_{кэ vт1}должно быть большеU_{бэ vт1}+U_{бэ vт2}+U_{кэ vт1 min}. Для мощных транзисторов напряжениеU_{кэ min}2 В достаточно для обеспечения линейности. Поэтому, с учетом падения напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов приблизительно по 0,75 В, напряжениеU_{кэ vт1}=U_вх–U_вых 3,5 В. При этом нужно учитывать, что входное нестабилизированное напряжение может иметь пульсации, и в формулеU_вхдолжно иметь минимальное значение.

Вместо R₁можно подключить потенциометр, тогда напряжение на выходе можно будет устанавливать в пределах от напряжения чуть выше опорного напряжения до (U_вх– 3,5) В.

Отношение изменения выходного напряжения к изменению входного можно определить по формуле

,

Где R_н– сопротивление нагрузки,R₁,R₂сопротивления делителя напряжения, А_д– дифференциальный коэффициент усиления ОУ,r_кэ– динамическое сопротивление коллектор-эмиттер проходного транзистора. В случае составного транзистораr_кэ=r_{кэ vт1}_vт2.

Изменение выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока можно определить из выражения

.