6.2. Линейные стабилизаторы с обратной связью

B упрощенном виде схема линейного стабилизаторa напряжения приведена на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Схема линейного стабилизатора напряжения на ОУ

Схема состоит из операционного усилителя в неинвертируюшем включении c отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения и регулирующего транзистора , включенного последовательно c нагрузкой. Выходное напряжение контролируется c помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе . ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя:

( 6.1)

С хема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинaм (например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора уменьшилось. При этом на входе ОУ появится напряжение V>О. Выходное напряжение усилителя возрастет, что приведет к увеличению тока базы, a, следовательно, и тока эмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастет практически до первоначального уровня. В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее c дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

(6.2)

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного (при регулирующем транзисторе p-n-p-типa все напряжения в схеме должны быть отрицательными). Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными. Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов c входным напряжением до 30 B. Хотя операционный усилитель питается от нeстабилизированного входного напряжения , благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

6.3. Стабилизаторы, работающие в ключевом режиме

Рассмотрим особенности работы транзисторов в ключевом режиме. Связано это c тем, что именно особенности транзистора, используемого как ключ, накладывают основные ограничения на выбор параметров схемы стабилизаторов и определяют ее возможности.

При работе в ключевом режиме транзистор большую часть времени находится в двух состояниях: насыщения и oтceчки. Определить эти состояния можно c помощью схемы (Рис.6.2,а). На базу транзистора, включенного в цепь источника Е последовательно с омической нагрузкой, подаются коммутирующие импульсы прямоугольной формы c амплитудой . В отсутствие импульсов транзистор закрыт, это соответствует рабочей точке 1 на характеристиках (Рис. 6.2,б). Данный режим характеризуется тем, что ток транзистора мал и почти все напряжение источника E приложено к переходу коллектор-эмиттер транзистора.

Е сли амплитуда коммутирующего импульса удовлетворяет условию I_б=I_б5, то c его появлением рабочая точка займет на характеристиках положение 2. Транзистор перейдет в состояние насыщения, ток коллектора в этом случае ограничен внешним

Р ис. 6.2. Схема транзисторного ключа (а) и выходные ВАХ транзистора (б)

сопротивлением, падение напряжения на транзисторе мало, a напряжение источника Е практически полностью приложено к нагрузке.

Характеристики транзистора в ключевом режиме (Рис.6.3) представляют двумя кривыми: первая из них соответствует открытому транзистору, а её наклонный участок - состоянию насыщения; вторая кривая - закрытому транзистору и имеет очень малый наклон до напряжения пробоя. Paбочими участками характеристики являются наклонный участок кривой 1 и пологий участок кривой 2. Область, заключеннyю между этими двумя кривыми, называют активным режимом транзистора. В пределах этой области ток базы обладает управляющим действием. И в состоянии насыщения и в состоянии отсечки мощность, выделяющаяся в транзисторе, мала, так как рабочая т очка находится вне активной области.

В активную область рабочая точка попадает лишь в процессе переключения. Нo, поскольку он весьма

Рис.6.3. ВАХ транзистора кратковременен,

в ключевом режиме энергия, выделяющаяся в транзисторе за время переключения, также мала. Однако эти небольшие потери энергии и определяют выбор транзистора для силовой цепи импульсного стабилизатора. Для последующего подсчета потерь в транзисторе найдем длительность нарастания тока коллектора (время включения) и длительность спада тока коллектора (время выключения) транзистора.