Главная | Обратная связь

Однокаскадные стабилизаторы

Для обеспечения более низких значений K_НU, K_НI, r_ВЫХ используют схемы СН с усилительными элементами, в качестве которых выступают одно- и многокаскадные усилители постоянного тока, в том числе и операционные усилители. При этом напряжение на нагрузке сравнивается с напряжением опорного (эталонного) элемента – стабилитрона. Разность напряжений усиливается усилителем и так управляет выходным элементом, что напряжение на выходе остается практически постоянным и пропорциональным напряжению опорного элемента. Глубокая отрицательная обратная связь по напряжению обеспечивает малое выходное сопротивление СН. Для таких устройств справедливы все соотношения, характерные для схем с отрицательными обратными связями по напряжению (см. лаб. работу № 6).

Если возникает необходимость обеспечивать большие токи нагрузки, то регулирующий элемент часто строят по схеме Дарлингтона с использованием сильноточного транзистора.

Рис. 8.4. Схемы однокаскадных стабилизаторов напряжения: а – последовательного типа; б – параллельного типа

Схемы однокаскадных нерегулируемых стабилизаторов напряжения последовательного и параллельного типов представлены на рис. 8.4 а и б, соответственно. В этих схемах напряжение в нагрузке повторяет напряжение опорного элемента с точностью до величины U_БЭ:

U₂ = U_ОП – U_БЭ – для схемы рис. 8.4, а;

U₂ = U_ОП + U_БЭ – для схемы рис. 8.4, б.

Схемы работают следующим образом: изменения напряжения нагрузки, возникающие по той или иной причине, приводят к изменению напряжения U_БЭ регулирующего транзистора (считаем U_ОП = const). В следствие этого регулирующий элемент изменит свой ток так, чтобы поддержать U₂ @ const. Например, при увеличении U₂ в схеме рис. 8.4, а, переход база-эмиттер транзистора VT1 будет призакрываться и уменьшать свой ток, а это ведет к уменьшению U₂ = I₂R_Н, что и является стабилизацией – проявлением отрицательной обратной связи. В схеме рис. 8.4, б увеличение U₂ приводит к увеличению U_БЭ транзистора и дополнительно открывает его. В результате больший ток потечет через транзистор, ток нагрузки уменьшится, что и обеспечит эффект стабилизации U₂.

Для примера определим выходное сопротивление схемы рис. 8.4, б. Для этого положим Е_ПИТ = U₁ = const, на выход схемы вместо резистора R_Н подключим E_Г¢ = U₂ (рис. 8.5), зададим приращение DE_Г¢ = DU₂. Изменение тока DI₂ составит

DI₂ = DU₂ / R₀ + DU₂ / r_{ВХ управл} + DI_К = DU₂ / R₀ + DU₂ (b+1) / r_{ВХ управл}.

Здесь r_{ВХ управл} @ r_Д + r_{ВХ Э} – входное сопротивление транзистора со стороны цепи управления.

. При проведении оценочных расчетов предположим, что r_{ВХ Э} << R₁. В этом случае получим

DI_К = b DI_Б = DU₂ / r_{ВХ управл}.

Выходное сопротивление параллельного стабилизатора составит

r_ВЫХ = DU₂ /DI₂ = R₀½½(r_{ВХ управл}/(b+1)) @ r_{ВХ управл} /(b+1) =

= ((r_Д+r_Б) /(b+1)) + r_Э.

Как видно, полученный результат аналогичен выражению для выходного сопротивления эмиттерного повторителя (см. лаб. раб. № 1). Величина r_ВЫХ уменьшается с ростом тока через регулирующий элемент, а также с ростом коэффициента усиления по току транзистора. Аналогичная величина ожидается и для схемы рис. 8.4 а.

Полученное выражение применимо и к более сложным схемам СН, поскольку может быть представлено в виде

r_ВЫХ = r_{ВХ управл} / (K_{I S} + 1), (8.1)

где K_{I S} – коэффициент усиления по току по контуру обратной связи.

Для определения коэффициента K_НU схем рис. 8.4 необходимо воспользоваться схемой замещения рис. 8.2, где вместо r_Д подставить выходное сопротивление этих схем (r_ВЫХ).

Для стабилизаторов параллельного типа K_НU @ (r_ВЫХ/R₀U₂)×100%, а для схем последовательного типа K_НU @ (r_ВЫХ/r_КЭU₂)×100%, т.е. существенно меньше, так как r_КЭ > R₀ (дифференциальное сопротивление транзистора r_КЭ оценочно можно подсчитать как r_{КЭ n-p-n} = 200 В/I_К, а r_{КЭ p-n-p} = 80 В/I_К). Однако, практически, обе схемы имеют одинаковые K_НU, поскольку нестабильность напряжения U₂ определяется прежде всего нестабильностью напряжения опорного элемента, который сам по себе является параметрическим стабилизатором параллельного типа.

Для понижения K_НU необходимо стабилизировать ток опорного элемента, что может быть достигнуто питанием его через резистор от отдельного стабилизированного источника напряжения, либо необходимо стабилизировать ток стабилитрона с помощью источника тока. При этом существенное понижение K_НU ожидается для схемы рис. 8.4, а.

Схемы стабилизаторов параллельного типа не боятся коротких замыканий на выходе. Действительно, с ростом тока нагрузки ток через регулирующий элемент уменьшается, одновременно снижается приложенное к коллектору транзистора напряжение, что приводит к уменьшению рассеиваемой им мощности. В пределе при коротком замыкании на выходе транзистор закрыт, а ток нагрузки составляет U₁ /R₀.

Схемы стабилизаторов последовательного типа боятся короткого замыкания в нагрузке, поскольку при этом регулирующий транзистор открывается максимально и источник питания U₁ оказывается замкнутым на открытый насыщенный транзистор. Протекание недопустимо большого тока через транзистор выводит его из строя. Для исключения таких неприятностей в схемы последовательного типа часто вводят схему электронной защиты от короткого замыкания в нагрузке.