структурная схемаПринцип работы компенсационного стабилизатора основан на использовании цепи отрицательной обратной связи (далее в тексте - ООС). Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента РЭ должно содержать исполнительный элемент ИЭ, элемент сравнения и источник эталонного напряжения Uэт (рис.1). Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональное стабилизированному параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки Uош = Uэт - Uиз управляет коэффициентом передачи РЭ. Увеличение Uош , вызванное уменьшением выходного напряжения, увеличивает коэффициент передачи РЭ, что ведет к увеличению выходного напряжения. И, наоборот, увеличение выходного напряжения, уменьшая сигнал ошибки, вызывает уменьшение коэффициента передачи РЭ, что в свою очередь ведет к уменьшению выходного напряжения.
В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, ключевых - импульсные усилители мощности. Мы остановимся на первом варианте.

компенсационный стабилизаторТиповая схема разбираемого компенсатора на рис.2. Рассмотрим теперь не структурно, как на рис.1, а подетально его работу. Выходное напряжение стабилизатора равно разности его входного напряжения и падения напряжения между выводами эмиттера и коллектора регулирующего транзистора VT: Uвых = Uвх - Uкэ. В свою очередь, для Uкэ справедливо выражение Uкэ = Uкб + Uбэ≅ Uкб + const. Напряжение Uкб определяется падением напряжения на резисторе смещения Rсм ( Uкб = IR*Rсм = Uвх - UDAвых). Операционный усилитель включен DA включен по схеме с дифференциальным входом, поэтому его выходное напряжение UDAвых = KU0*(Uэт - UR2).
Здесь KU0 - коэффициент усиления операционного усилителя DA по напряжению. Так как цепь ООС (отрицательная обратная связь - подача сигнала с выхода на вход) в усилителе отсутствует, то из-за большого KU0 можно считать, что во всех режимах работы Uэт - UR2 = 0 и, следовательно, выходное напряжение стабилизатора Uвых = Uэт*(R1 +R2)/R2. Возникновение любых отклонений выходного напряжения от указанного уровня приводит к нарушению условия Uэт - UR2 = 0. Это изменяет выходное напряжение операционного усилителя, а следовательно, и напряжение Uкб транзистора VT, компенсируя возникшие отклонения. Рассмотрим конкретнее.

Допустим, выходное напряжение стабилизатора увеличилось. Тогда UR2 >Uэт , что приводит к уменьшению напряжения UDAвых и соответствующему увеличению URсм и Uкэ транзистора VT, что компенсирует возникшие отклонения, потому как Uвых = Uвх - Uкэ. И, наоборот, при уменьшении Uвых увеличивается UDAвых, уменьшается URсм и Uкэ транзистора VT и выходное напряжение увеличивается.
Таким образом, если коэффициент усиления операционного усилителя KU0 близок к бесконечности (а коэффициенты от 1000 и более счтаются как бесконечность), то выходное напряжение стабилизатора полностью определяется значением эталонного напряжения Uэт (оно снимается с параметрического стабилизатора на элементах R3 и VD1) и коэффициентом передачи делителя на резисторах R1 и R2.
А теперь конкретный пример расчета.

Рассчитать непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения, предназначенный для питания нагрузки, при Uн = 5В, Iн = 1А. Диапазон изменения входного напряжения 9,2...13,2В. Ожидаемый коэффициент стабилизации KU0>1000.

Решение. 1. Выберем силовой транзистор из условия Ik max ≥ Ikзап, где Кзап - коэффициент запаса, равный 0,7...0,8.; Uкэ max ≥ Uвх maxзап = 19B; Pk ≥ Ik max*(Uвх max - Uвых) = 8.2Вт.
Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ817А. У него Uкэ max доп = 40В, Rбэ ≤ 1кОм, Ik max доп = 5А, Pk = 25Вт, h21э = 25.
2. Максимальный ток базы транзистора Iб = Iн/(h21э +1) = 1/26 = 0,03846А = 38,46мА.
Согласно схеме рис.2 в случае холостого хода (Rн = ) этот ток должен протекать в выходной цепи операционного усилителя. Однако, этот ток превышает выходной ток типовых операционных усилителей, выполненных в виде ИС. Поэтому для согласования базового тока транзистора с выходным током операционного усилителя необходимо либо выбрать другой транзистор с большим значением h21э, либо в качестве регулирующего элемента использовать схему составного транзистора. В рассматриваемом случае воспользуемся схемой составного транзистора, дополнив транзистор КТ817А транзистором КТ315А. Дальнейше наименование элементов привяжем к рис.3. В этом случае максимальный управляющий ток регулирующего элемента

формула

Здесь Rбэ1 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход. Его сопротивление оговаривается в справочных данных на транзистор. Для транзистора КТ315А имеем: h21э = 30, Rбэ = 10кОм(в задаче это будет Rбэ2). Тогда, полагая, что Uбэ1 = Uбэ2 = 1, получаем

полученное значение

3. Сопротивление резистора Rсм выбираем из условия обеспечения протекания тока Iупр при наименьшем входном напряжении:
Rсм = (Uвх min - Uвых)/Iупр = (9.5 - 5)/1,373*10¯ ³ = 3,059кОм. С запасом выбираем Rсм = 2,7кОм. В этом случае максимальный выходной ток операционного усилителя
UDAвых max = (Uвх max - Uвых)/Rсм = (13,2 - 2)/2,07 = 3,03 А.
4. В качестве источника эталонного напряжения используем параметримеский стабилизатор напряжения на стабилитроне. Стабилитрон выбираем из условия Uст0<Uвых. Используем стабилитрон типа КС133А. Его справочные параметры: Uст0 min = 2.97 B; Uст0 max = 3.63 B при Iст = 10мА; rст(rд) = 65Ом.Сопротивление баластного резистора R3 выберем в предположении, что Iвх операционного усилителя равно нулю и Iст min = 10мА:

формула и расчет

При выбранном R3 максимально возможный ток стабилитрона

читать далее...

Iст max =( Uвых - Uст0 min)/(R3 + rст) = (5 - 2.97)/(72 + 65) = 0.0148 A = 14.8мА,

что меньше максимально допустимого тока стабилитрона.
5. Считая Uст0 = 3,3 В(т.е. (Uст0 min = 2.97 + Uст0 max = 3.63)/2 = 3,3), найдем требуемый коэффициент передачи делителя на резисторах R2, R3:

Кдел = Uст0/Uвых = 3,3/5 = 0,66.

Тогда, полагая R2 = 1кОм, определяем значение R1.
6. Определим допустимый диапазон изменения сопротивления резистора R1 в предположении, что R2 = const = 1кОм:

формула

Кдел min = Uст0 min/Uвых = 2,97/5 = 0,59

формула

формула

Кдел max = Uст0 max/Uвых = 3.962/5 = 0,792
Возможное изменение R1 = R1max - R1min - 683 - 262 = 421Ом.

7. Для коэффициента операционного усилителя получим:формула

8. Операционный усилитель выбираем из условия KU0 = 678; Iвых ≥ 3,03мА. Этим условиям отвечает усилитель типа К140УД17.
Принципиальная электрическая схема рассчитанного стабилизатора на рис.3. Ее особенностью является питание операционного усилителя непосредственно от входного напряжения. Это обусловлено тем, что максимально допустимое напряжение его питания больше входного напряжения стабилизатора. Для точной подстройки выходных параметров, т.е. для подстройки R1 введено дополнительное подстроечное сопротивление Rдоп номиналом 270Ом.

рассчитанный стабилизатор