Многокаскадные стабилизаторы

Анализ простейших схем показывает, что основные параметры стабилизаторов K_НU, K_НI , r_ВЫХ уменьшаются с ростом фактора обратной связи (F=(1+K_UK_ОСU) или F=(1+K_IK_ОСI), см. лаб. раб. № 6). Очевидно, при использовании многокаскадного усилителя вместо однокаскад-ного можно достичь лучших характеристик схемы, однако надо помнить, что увеличи-вается вероятность самовозбуж-дения в схеме.

Широкое распространение получила схема двухкаскадного СН (рис. 8.6). Часто при построении СН используются операционные усилители (рис. 8.7). По принципу работы эти схемы, практически, не отличаются от однокаскадных стабилизаторов. Обе схемы являются стабилизаторами последовательного типа, и транзистор VT1 является регулирующим элементом, через который проходит ток нагрузки. Транзистор VT2 (рис. 8.6), транзистор VT2 и ОУ DA1 (рис. 8.7) являются усилительными элементами в цепи обратной связи.

Предлагается читателям самим разобраться в работе таких СН. Важно найти контур обратной связи, проследить прохождение фазы сигнала возмущения DU₂ и убедиться, что обратная связь является отрицательной. Используя соотношение (8.1), можно определить r_ВЫХ, а затем в соответствии со схемой замещения (рис. 8.2) – параметры K_НU, K_НI. Для определения U₂ необходимо оценить какая часть выходного напряжения сравнивается с напряжением опоры U_ОП.

Широкое распространение получили СН твердотельного исполнения. На рис. 8.8 представлена полная электрическая схема стабилизатора типа К142ЕН1 и схема его включения, учитывающая внешние навесные элементы. На рис. 8.9 дана упрощенная схема включения того же стабилизатора. Стабилизатор является двухкаскадным, последовательного типа. Регулирующий элемент выполнен по схеме Дарлингтона на транзисторах VТ3, VТ4. Схема работает следующим образом: напряжение на нагрузке (либо часть его с помощью делителя R₅–R₆) сравнивается с напряжением опоры U_ОП и их разность управляет дифференциальным каскадом, выполненном на транзисторах VТ6, VТ7.

Рис. 8.8 Подробная схема интегрального стабилизатора напряжения на основе К142ЕН1

Нагрузкой каскада является входное сопротивление регулирующего элемента (VТ3, VТ4). При этом, например, увеличение напряжения в нагрузке приводит к увеличению тока транзистора VT7 и тем самым уменьшает ток регулирующего элемента.

Это снижает выходное напряжение, т.е. приводит к его стабилизации.

На полевом транзисторе VT1 (использован ПТУП) выполнен генератор стабилизированного тока, протекающего в стабили-трон VД1. Тем самым обеспечивается весьма малое влияние нестабиль-ности входного напряжения U₁ на напряжение стабилитрона VД1 и тем самым – на напряжение U_ОП. Диод VД2 обеспечивает повышенную температурную стабилизацию U_ОП. ПТУП VT2 также играет роль генератора стабилизиро-ванного тока – уменьшает влияние нестабильности U₁ на ток, управляющий транзисторами VT3, VT4, тем самым повышается стабильность напряжения в нагрузке.

Для предотвращения выхода из строя регулирующего элемента при коротком замыкании в нагрузке введена электронная защита – ограничитель тока на транзисторе VT9. Он ограничивает выходной ток стабилизатора на заданном уровне. При нормальном токе нагрузки транзистор VT9 закрыт. Повышение выходного тока выше определенного уровня приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R так, что U_R ³ 0,6 В, открыванию VT9 и шунтированию им эмиттерно-базовых переходов регулирующего составного транзистора. Это препятствует увеличению тока транзисторов VT3, VT4 и, таким образом, ограничивает ток нагрузки. Необходимо обратить внимание, что резистор R является внешним (навесным) элементом и выбирается в данном типе СН самим потребителем.

Внешний регулируемый делитель напряжения R₅ – R₆ введен в цепь управления дифференциального каскада VT6, VT7 и позволяет сравнивать с напряжением U_ОП только часть напряжения нагрузки. Этим осуществляется регулировка выходного напряжения стабилизатора.

Транзистор VT8 работает в режиме ключа. При подаче на вход 9 схемы высокого уровня напряжения (U = 2U_БЭ) VT8 открывается и закрывает стабилизатор (I_Н = 0). Навесные конденсаторы C1 и С3 введены для повышения устойчивости (недопущения возникновения генерации) стабилизатора на высоких частотах. В ряде случаев к выходным клеммам стабилизатора подключают конденсатор C2 емкостью несколько микрофарад. Он также повышает устойчивость стабилизатора на высоких частотах, а также улучшает параметр K_НI .

Выходное сопротивление стабилизатора можно оценить по формуле (8.1). В данном случае

r_{ВХ управл} = (R₅ + r_{ВХ VT7}),

K_{I S} = b₇ (b₃+1) (b₄+1),

r_ВЫХ = (R₅ + r_{ВХ VT7}) / (b₇ (b₃+1) (b₄+1) +1).