Стабилизаторы напряжения

           а б 

           в г

           д е 

     Рис. 4. Схемы последовательных стабилизаторов на дискретных элементах

     Обычно минимальный ток стабилитрона VD превышает ток I_Б2 транзистора VT2. Поэтому вводят дополнительное смещение с помощью сопротивления R_д от ИП напряжением –Е_д (показано пунктиром): (I_д (I_Rд) – ток стабилитрона (через сопротивление R_д)). Для исключения токопроводящей цепи стабилитрон VD включают в цепь эмиттера транзистора VT2, а базу последнего соединяют с выходом СТ (см. рис. 4, в). В такой схеме транзистор VT2 работает при низком напряжении коллектор – база U_КБ2 = U_БЭ1 << U₂, что является дополнительным преимуществом. Недостаток – повышенное входное сопротивление . Из-за этого возрастает выходное сопротивление , что снижает коэффициент стабилизации, по сравнению с базовым включением, в три с лишним раза.

     Типовые значения параметров двухкаскадных последовательных СТ составляют R_вых = 0,1…0,5 Ом, K = 200…800 и I_Н = 0,2…0,5 А. В случае бульших токов (мощностей) и повышенных требований к коэффициенту стабилизации необходимо дальнейшее уменьшение характеристического сопротивления посредством увеличения коэффициента K_i . Это достигается либо использованием многокаскадных усилителей в сравнивающем и усилительном элементе СТ, либо применением в качестве VT1 составного Т, что наиболее часто используют на практике. Выпускаются составные (из двух элементов) Т, специально предназначенные для СТ. В такой схеме сопротивление R_вых может составлять сотые (тысячные) доли ома.

     Рассмотренные СТ обеспечивают выходное напряжение U₂ » U_ст (U_ст – напряжение стабилизации диода VD). На практике часто необходимо иметь отличную от U_д = U_ст величину, регулируемую ступенями. Наиболее распространенный способ повышения U₂ представлен на рис. 4, г. Он пригоден также в параллельных СТ. Полагая U_БЭ » 0, имеем . Для уменьшения параметра R_У сопротивление R₂ выбирают малым, так что и . При таком низкоомном делителе, сделав сопротивления переменными, можно плавно регулировать выходное напряжение.

     По теореме об эквивалентном генераторе рассматриваемая схема переходит в схему рис. 4, д, в которой и . В отсутствие делителя приращение входного тока составляет , с ним – , т.е. делитель уменьшает приращение DI_У при одинаковом изменении DU₂. Это равносильно повышению R_У и соответственно . Поэтому коэффициент стабилизации ухудшается:

      ,

     где K₀ – коэффициент стабилизации без делителя.

     Очевидно, даже в предельном случае R_дел = 0 СТ с делителем в раз хуже ( ). Поэтому при регулировании выходного напряжения параметры СТ изменяются и оптимальны при U₂ = U_{2 min} .

     Для получения малых регулируемых напряжений применяют схему рис. 4, е, в которой при через сопротивление R₁ протекает заданный ток . Поэтому, изменяя R₁, можно получить как большие, так и малые напряжения U₂ (близкие к 0 В). Практически U_{2 min} » U_БЭ = 0,7 В.

     В СТ выходное напряжение равно U₂ = U_д + U_БЭ (U_д (U_БЭ) – напряжение опорного элемента (база – эмиттер Т)) либо пропорционально этой сумме. Поэтому временной и температурный дрейф напряжения U₂ определяется изменениями DU_д и DU_БЭ при неизменных значениях U₁ и R_Н . Временной дрейф параметра U_д практически отсутствует, аналогичный параметра U_БЭ является хаотическим и во многом зависит от качества Т. Температурные зависимости U_д = = f₁ (Т ) и U_БЭ = f₂ (Т ) определяются температурным коэффициентом e напряжения. Применительно к стабилитронам e > 0 и возрастает с повышением номинала U_д и ростом тока I_д. Коэффициент e транзисторов является отрицательным при малых токах и уменьшается по модулю при увеличении тока I_Э . Практически положительная составляющая температурного коэффициента превалирует и напряжение U₂ возрастает при увеличении температуры, так что его суммарный коэффициент составляет e_ст = 2…5 мВ/град. Если это неприемлемо, то применяют составной опорный элемент, сочетающий прямое и обратное включение стабилитронов. Он позволяет снизить значение e_ст до 0,1 мВ/град, но взаимная компенсация присутствует лишь в узком диапазоне тока I_д , что необходимо учитывать.

     Выходное сопротивление транзисторных СТ, особенно многокаскадных, очень мало, но это справедливо для статической величины R_вых . При скачкообразных изменениях тока I_Н коэффициент b транзисторов в первый момент равен нулю, соответственно K_i (0) = 0, и начальное выходное сопротивление R_вых (0) » (0) » r_д + r_Б + r_Э может на порядок превышать значение R_вых . Восстановление происходит через время, определяемое постоянной t_b времени Т. Для исключения этого выход СТ шунтируют достаточно большой емкостью С, выбираемой по условию СR_{вых ср} >> t_о, где t_о – эквивалентная постоянная времени, равная в первом приближении сумме постоянных t_b всех транзисторов СТ; – усредненное по интервалу переходного процесса выходное сопротивление. При R_{вых ср} = 0,1 Ом и t_о = 10 мкс необходимое значение С составляет сотни микрофарад.

     Коэффициент стабилизации K как функция характеристического сопротивления – тоже комплексная величина. Ее модуль уменьшается с повышением частоты пульсаций и скорости изменения напряжения U₁. Но скачкообразные изменения DU₁ маловероятны, так как СТ питается от выпрямителя с фильтром.

     СТ с активным регулирующим элементом часто называют компенсационным. Большое распространение получили СТ на операционных усилителях. Простейшая схема такого СТ, используемая при малых токах нагрузки, приведена на рис. 5, а. Напряжение (K_оу – коэффициент усиления с ОС) остается постоянным при изменении нагрузки. Изменяя сопротивление R_ос , можно регулировать величину U₂. При большом токе I_Н применяют компенсационный СТ последовательного типа на операционном усилителе (рис. 5, б). В нем требуемый диапазон регулирования выходного напряжения выбирается с помощью сопротивлений R₁, R₂ и R₃.

     В последнее время выпускаются СТ полностью в интегральном исполнении. Они представляют собой трехполюсники (рис. 5, в, г), конструируются на положитель-ные и отрицательные выходные напряжения величиной 5, 6, 8, 12, 15, 18 и 24 В при токах нагрузки до 3 А. Для увеличения значения I_Н вместе с ним можно применять проходные Т. Такие СТ называются еще преобразователями постоянного тока в постоянный с высокой фильтрующей способностью (стабилизируют напряжение U₂ в пределах 5 мВ).

           а б

           в

           г 

     Рис. 5. Построение СТ на

     интегральных схемах

     В них в качестве источника опорного напряжения помимо стабилитрона применяют Т по схеме с ОБ. Регулирующий элемент представляет составной Т из двух (нескольких) Т. Усилительным элементом является операционный усилитель или (в некоторых случаях) просто дифференциальный каскад. Используется та либо другая форма внутреннего ограничения тока и защита от температурных перегрузок. Отечественной промышленностью выпускаются СТ последовательного типа на гибридных и монолитных интегральных схемах.

     Параллельные СТ нечувствительны к токовым перегрузкам, так как с увеличением тока I_Н уменьшается ток I_Р. При значениях I_Н >> I_{Н max} регулируемый Т запирается. В случае короткого замыкания на выходе напряжение U₁ полностью падает на балластном сопротивлении R₀. Последовательные СТ чувствительны к перегрузкам, поскольку токи I_Н и I_Р изменяются одинаково. При значениях I_Н > I_{Н max} усилительный и опорный элементы заперты, а регулируемый Т работает с максимальным базовым током I_Б, определяемым токоотводящим сопротивлением и разностью напряжений U₁ – U₂. Короткое замыкание увеличивает ток I_Б, напряжение на Т возрастает в раз. Это резко повышает рассеиваемую мощность, и Т выходит из строя. Поэтому последовательные СТ дополняют защитным реле. При одинаковом значении I_Н в параллельных СТ необходимы более сильноточные (примерно вдвое) Т, чем в последовательных. Последние обладают более высоким коэффициентом полезного действия. Но при решении конкретных задач параллельные СТ могут быть практически равноценными, а с учетом их нагрузочной способности – даже оптимальным вариантом.

      ЛИТЕРАТУРА 

1. Ильинков В.А., Капуро П.А., Румянцев А.В. Схемотехника устройств и систем телевидения. Ч. 1: Схемная реализация основных преобразований в телевидении: Учебное пособие по курсу “ Схемотехника устройств и систем телевидения” для студентов специальности “Телекоммуникационные системы”: В 2-х ч.– Мн.: БГУИР, 2007.– 126 с.
2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.
3. Бытовая радиоэлектронная техника: Энциклопедический справочник/ Под ред. А.П. Ткаченко. – Мн.: Бел. Энциклопедия, 2005. – 832 с.
4. Хохлов Б. Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Радио и связь, 2008. – 512 с.