Стабилизаторы напряжения (стр. 2 из 3)

Полагая в (3) DU₁ = 0,

и , имеем

, (4)

где параметры

, R_У , K_iаналогичны параметрам параллельного СТ, а подставляя сюда же и те же DI_Р и DI_У , находим коэффициент стабилизации

. (5)

В последовательных СТ, как и в параллельных,

. Поэтому . Из-за неидеальных свойств регулирующего элемента , и коэффициент стабилизации имеет конечное значение.

Однокаскадный последовательный СТ и его малосигнальная эквивалентная схема приведены на рис. 4, а, б. Усилительная часть представлена транзистором VT, опорная – стабилитроном VD, стабилизированным напряжением Е₀ и балластным сопротивлением R₀ . По-существу, СТ представляет собой эмиттерный повторитель, потенциал базы которого стабилизирован, а напряжение коллекторного питания изменяется в широких пределах.

Сравнивая схемы рис. 3 и рис. 4, а, б, устанавливаем:

, , , = , где r_Э , r_Б , , b – параметры транзистора VTв схеме с ОЭ; r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона VD. Количественные расчеты показывают, что при средних значениях параметров транзисторов средней мощности = 5 кОм, r_Б = 20 Ом, b = 30, I_К = 0,25 А и r_д = 10 Ом выходное сопротивление и коэффициент стабилизации примерно равны 1 Ом и 125 раз. Величина Kприемлема, но R_вых сравнительно велико и ограничивает максимальный ток нагрузки в однокаскадном СТ.

В рассматриваемом СТ напряжение Е₀ предполагалось абсолютно постоянным. На практике диодный СТ питается от того же источника. Обозначив DЕ₀ = h×DU₁ (h< 1) и включив этот источник переменного напряжения последовательно с сопротивлением R₀ , можно показать, что коэффициент стабилизации уменьшается в (1+

) раз. Наиболее часто балластное сопротивление R₀ подключают ко входу СТ напрямую, что резко снижает значение K. Действительно, в этом случае изменения выходного и опорного напряжений примерно одинаковы (изменением напряжения база – эмиттер транзистора VTпренебрегаем). Поэтому коэффициент стабилизации СТ близок к аналогичному опорной части, который по причине небольшого значения R₀ (100…300 Ом) не превышает 10…20.

Основной недостаток однокаскадного последовательного СТ – сравнительно большое выходное сопротивление. Лучшие свойства имеет двухкаскадный СТ (рис. 4, в), в котором транзистор VT1 является регулирующим элементом, а транзистор VT2 – сравнивающим и усилительным. В этом случае

, , и = , где I_К1, b₁ – ток коллектора транзистора VT1 и коэффициент передачи его тока в схеме с ОЭ; R_вх2 , r_Б2 , r_Э2 , b₂ – входное сопротивление и параметры транзистора VT2; r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона VD. Например, при I_К2 = 10 мА, r_Б2 = 50 Ом, b₁ = b₂ = 30 и r_д =10 Ом имеем R_вых» 0,15 Ом. Выигрыш по сравнению с однокаскадной схемой значительный. Соответственно возрастает и коэффициент стабилизации: K» 1000.

а б

в г

д е

Рис. 4. Схемы последовательных стабилизаторов на дискретных элементах

Обычно минимальный ток стабилитрона VDпревышает 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 VDвключают 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 бóльших 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: