На рис. 43 показана обычная схема стабилизатора напряжения последовательного действия.
Рис. 43. Стабилизатор последовательного действия.
Это схема с замкнутой обратной связью. Здесь Т1представляет собой проходной регулирующий транзистор, Т2 выполняет роль усилителя тока для Т1. Так как большинство мощных, последовательно включаемых транзисторов имеет довольно малое значение h21Э(порядка 20 – 30), то транзисторы Т1и Т2 включены по схеме Дарлингтона. Выход транзистора Т1на нагрузку берется с эмиттера, так что Т1и Т2обеспечивают усиление по току, а не по напряжению. Резисторы R1и R2 образуют делитель напряжения, с которого снимается часть выходного стабилизируемого напряжения Uвых. Это напряжение сравнивается с опорным (Uоп),получаемым от стабилитрона (Ст) с помощью ОУ. Входное напряжение ОУ представляет собой разность между опорным напряжением и напряжением U*вых:
U*вх = Uоп– U*вых = UСт– U*вых[R2/(R1+ R2)]. (20)
Это напряжение U*вхусиливается усилителем и воздействует на проходной транзистор так, чтобы скорректировать любые изменения выходного напряжения, возникающие как под влиянием изменения входного напряжения, так и тока нагрузки. Стабилизаторы последовательного действия работают следующим образом: если Uвых уменьшается либо под влиянием уменьшения Uвх, либо увеличения тока нагрузки, то U*выхтакже уменьшается, а Uоп остается постоянным. Разность Uоп– U*вых возрастает, поскольку напряжение на инвертирующем входе ОУ становится отрицательным по отношению к Uоп. Выходное напряжение ОУ становится положительным, что вызывает изменение напряжения на эмиттерах Т1и Т2 в положительном направлении до тех пор, пока не восстановится приближенное равенство U*вых≈ Uоп. Последнее будет иметь место в случае, когда Uвых достигнет значения, которое было до изменения нагрузки или входного напряжения. Выходное напряжение ОУ вызывает дополнительное отпирание Т1 и Т2, что в свою очередь приводит к такому увеличению тока нагрузки, которое компенсирует падение Uвых. При этом напряжение коллектор – эмиттер UКЭ Т1уменьшается и таким образом компенсирует снижение выходного напряжения. В случае, когда Uвх возрастает или Iн уменьшается, процесс в системе протекает в обратном направлении.
Так как UКЭ Т1 = Uвх – Uвыхи весь ток нагрузки протекает через Т1, то к. п. д. схемы непосредственно зависит от величины UКЭ Т1. Например, если стабилизатор напряжения последовательного действия обеспечивает 15 В стабилизированного напряжения при нестабилизированном входном напряжении 30 В, то максимальный к. п. д. = Рвых/Рвх = 50 %. Для получения высокого к. п. д. необходимо, чтобы разность Uвх – Uвых была по возможности меньшей, однако при этом существует предел. Для обеспечения линейности разность Uвх – Uвых должна быть больше, чем UБЭ Т1 + UБЭ Т2 + UКЭ Т1 мин. Для большинства мощных транзисторов напряжение UКЭ ≈ 2В достаточно для обеспечения линейности. Поэтому для надежной линейной работы Т1и Т2 в линейном режиме необходимо, чтобы Uвх – Uвых≥ 3,5 В. Нестабилизированное входное напряжение обычно имеет пульсации, и поэтому Uвх. мин должно быть выше примерно на 3,5 В, чем Uвых.
Для этого типа стабилизаторов напряжения могут быть использованы многие типы ОУ. Операционный усилитель в данном случае имеет однополюсный источник питания, причем нестабилизированное напряжение используется как + U, а земля как – U. Выходное напряжение ОУ должно быть достаточным для того, чтобы устанавливались требуемые значения стабилизированного выходного напряжения и падений напряжения между базой и эмиттером транзисторов Т1и Т2.
Если ОУ имеет вывод «земля», то для того, чтобы установить на этом выводе напряжение, равное примерно Uвых/2,следует использовать делитель напряжения или стабилитрон, питаемые стабилизируемым выходным напряжением. Величина Uвыхограничена максимальным значением напряжения питания ОУ.
Если R1на рис. 43 представляет собой потенциометр, то выходное напряжение может устанавливаться в диапазоне от (Uвх – 3,5 В) до напряжения чуть выше UСт1Очевидно, выход источника питания не может быть установлен меньшим, чем UСт1 так как Uопдолжно быть всегда чуть больше U*вых. Если предположить, что коэффициент усиления по напряжению пары Дарлингтона равен единице, то коэффициент усиления разомкнутой цепи, состоящей из ОУ, T1 и Т2, равен коэффициенту усиления А операционного усилителя. При отсутствии Uвхк усилителю прикладывается только UСт, цепь обратной связи для стабилизатора образуется делителем R1, R2. При этом выходное напряжение Uвых = AUСт.В развернутом виде
Таким образом, когда прикладывается Uвх, Uвыхбудет изменяться до тех пор, пока U*вых = Uоп,как будто бы схема стабилизации в целом представляет собой неинвертирующий операционный усилитель.
Уравнение, связывающее изменение выходного напряжения стабилизатора с изменением входного напряжения, имеет вид
ΔUвых / ΔUвх= (Rн/RК)[(R1 + R2)/AR2],(22)
где Rн– сопротивление нагрузки, RK – динамическое сопротивление коллектора, А – коэффициент усиления ОУ в разомкнутом состоянии по напряжению, R1и R2– резисторы, образующие делитель напряжения, с которого снимается U*вых.
Если в качестве последовательного регулирующего элемента используется пара Дарлингтона, то RКтранзистора Т1увеличивается до RК Т1 эфф= RК Т1 h21Э Т2, где h21Э Т2 – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером для управляющего транзистора в паре Дарлингтона.
Уравнение изменения выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока будет иметь вид
