Spätnoväzobný stabilizátor napätia so spojitou reguláciou


       Stabilizátory napätia so spätnou väzbou majú väčší činiteľ stabilizácie KSUU aj KSUR  a menší vnútorný odpor ako parametrické stabilizátory. Navyšše umožňujú regulovať výstupné stabilizované napätie. Energetická účinnosť však s narastajúcim rozdielom vstupného napätia U1  a výstupného napätia U2  klesá. Pri veľkom odoberanom prúde I2  vznikajú veľké energetické straty, ktoré sa premieňajú v regulačnom tranzistore T1  na teplo, ktoré je potrebné odvádzať chladením tranzistora.  Ďalšími veľkými výhodami týchto spojitých regulátorov napätia je veľmi rýchla odozva na zmenu vstupného napätia U1  alebo zmenu odporu záťaže RZ  a pri správnom návrhu a konštrukcii nie sú zdrojom skoro žiadnych rušivých signálov.

       Hlavnými súčasťami stabilizátora je regulačná súčiastka, zdroj referenčného napätia, snímač odchýlky a rozdielový zosilňovač. Pri činnosti stabilizátora je regulačná súčiastka ovládaná zosilneným napätím z rozdielového zosilňovača, ktoré vzniká v dôsledku odchýlky výstupného napätia U2 od referančného napätia. Bloková schéma zapojenia stabilizátora ja na nasledujúcom obrázku.

       Skutočné zapojenie jednoduchého spätnoväzobného stabilizátora napätia so spätnou väzbou, zloženého z diskrétnych súčiastok je v poradí na druhom obrázku. Na tomto obrázku je zakreslený aj časový priebeh výstupného napätia U2 (5V) s časovými okamihmi t1 a t2, kedy dochádza k zmene vstupného napätia U1.

       Tranzisor T1 je regulačný tranzistor. Pri tomto tranzistore je naznačený jeho vnútorný dynamický odpor  rKE1 prechodu K-E. Zdroj referenčného napätia predstavuje Zenerová dióda, ktorá s rezistorom RS tvorí parametrický stabilizátor napätia, napájaný výstupným napätím U2 stabilizátora. Odchýlka napätia U2 sa sníma potenciometrom Pot a zosilňuje v rozdielovom zosilňovači, ktorý tvorí tranzistor T2 s pracovným rezistorom Rd. Zaťažovací rezistor stabilizátora je RZ.

       Na obrázku sú zároveň zapísané obvodové veličiny a obvodové prvky (súčiastky), ktorých hodnotu budeme pre potreby vysvetlenia činnosti stabilizátora považovať za konštantné (v praxi tomu tak nie je!)  Sú označené výkričníkom!  Zároveň sú na obrázku zapísané aj rovnice pre výpočet jednotlivých obvodových veličín, ktoré pre činnosť stabilizátora majú dôležitý význam.

Činnosť obvodu je nasledovná :

       Majme stabilizátor, na výstupe ktorého máme napätie 5V. Nech v čase t1 nastane pokles vstupného napätia U1, následkom čoho nastane pokles aj výstupného napätia U2, ako vyplýva z rovnice (4). Treba si na tomto mieste uvedomiť, že v čase t1 sa síce U1 zmení, ale dynamický odpor rKE1 prechodu K-E tranzistora T1 zatiaľ nemá dôvod meniť svoju hodnotu. Teda v rovnici (4) sa v čase t1 mení len napätie U1.
       Zmenšením napätia U2 sa na odbočke potenciometra Pot zmenší aj napätie UP, čo je zjavné z rovnice (3) na obrázku. Z rovnice (2) vyplýva, že poklesom napätia UP musí poklesnúť aj napätie bázy UBE2 tranzistora T2, čo spôsobí privretie tranzistora a následne pokles jeho kolektorového prúdu IK2. Ako z rovnice (1) vyplýva, pokles prúdu IK2 spôsobí nárast prúdu bázy IB1 tranzistora T1. Nárast prúdu IB1 spôsobí priotvorenie tranzistora T1 a zmenšenie jeho dynamického odporu rKE1 prechodu K-E do tej miery, aby prúd I2 vzrástol natoľko, aby platila rovnica : I2 × RZ = U2 = košt.  a teda aj rovnica (4).
       Tento celý proses vyregulovania zmeny výstupného napätia U2 pri zmene vstupného napätia U1 regulačným obvodom (Pot, T2 a T1) trvá úrčitý čas označený na obrázku ako Dt. Čím je tento čas kratší, tým je stabilizátor kvalitnejší.

       Ak teraz v čase t2 nastane nárast vstupného napätia U1, proces v obvode bude podobný, len zmeny obvodových veličín budú mať opačný smer. Teda, ak sa U1 zväčší, zväčší sa v danom okamihu aj U2, následne cez delič napätia na potenciometri Pot sa zväčší aj UP a následne aj UBE2 /rovnica (2)/. To má za následok priotvorenie tranzistor T2 a nárast jeho kolektorového prúdu IK2. Nárast IK2 spôsobí zmenšenie prúdu IB1 /rovnica (1)/, čím sa tranzistor T1 privrie, jeho dynamický odpor rKE1 sa zväčší a to do takej miery, aby prúd I2, ktorý prechádza tranzistorom T1 vytvoril na záťaži RZ opäť požadované napätie U2 a platila opäť rovnica (4).
     Regulačný tranzistor T1 takto zabraňuje zmenám výstupného napätia U2 stabilizátora pri zmenách vstupného napätia U1.   Tento popísaný proces sa uskutočňuje v obvode stabilizátora aj vtedy, keď síce vstupné napätie U1 sa nemení, ale mení sa veľkosť zaťažovacieho odporu rezistora RZ na výstupe stabilizátora.

       Veľkosť výstupného napätia možno v určitom rozsahu nastavovať potenciometrom Pot. Činiteľ stabilizácie spätnoväzobných stabilizátorov je priamo úmerný napäťovému zosilneniu AU rozdielového zosilňovača a deliacemu pomeru deliča r1 a r2 potenciometra Pot. Približne platí :

       V bežných prípadoch je hodnota činiteľa stabilizácie KSUU niekoľko stoviek. Stabilizátor zmenšuje aj kolísanie výstupného napätia, zapríčinené zmenami zaťažovacieho prúdu, teda zmenami záťaže. Vnútorný (výstupný) odpor stabilizátora je nepriamo úmerný zosilneniu rozdielového zosilňovača a má hodnotu niekoľko stotín ohmu.

       Na dosiahnutie čo najväčšieho činiteľa stabilizácie a čo najmenšiehov výstupného odporu stabilizátora sa s výhodou využívajú vo funkcii rozdielových zosilňovačov operačné zosilňovače s veľkým ziskom. Typycké zapojenie je na nasledujúcom obrázku.


       Regulačný tranzistor T1 a operačný zosilňovač OZ pracujú celkom analogicky ako v stabilizátore zapojenom pomocou čisto diskrétnych súčiastok, ktorý bol uvedený vyššie. Tranzistor T2 tvorí prúdovú poistku, ktorá chráni výkonový tranzistor T1 a operačný zosilňovač pred zničením pri zvýšení zaťažovacieho prúdu nad dovolenú hranicu. Pri normálnej činnosti je úbytok napätia na rezistore R0 tak malý, že T2 je uzatvorený a neovplyvňuje činnosť stabilizátora. Akonáhle sa prúd na výstupe stabilizátora začne zvyšovať a chcel by prekročiť dovolenú hodnotu, úbytok napätia na R0 sa zvýši natoľko, že sa tranzistor T2 priotvorí, prechod K-E sa stane vodivým a tým na jeho kolektore a teda aj na báze tranzistor T1 klesne napätie, regulačný tranzistor T1 sa čiastočne uzavrie a obmedzí výstupný prúd I2. Po odľahčení stabilizátora opäť poklesne napätie na rezistore R0, tranzistor T2 sa uzavrie a obvod sa vráti do pôvodného stavu. Výpočet veľkosti odporu rezistora R0 pre požadovaný maximálny prúd I2  je na obrázku vyššie.  Na opísaných princípoch precujú aj monolitické integravané stabilizátory napätia, ktorých je v súčasnosti veľmi veľké množstvo a to na rôzne výstupné napätia

       Na záver je potrebné ešte spomenúť, že spätnoväzobným stabilizátorom sa hovorí tiež, že sú to stabilizátory riadené z výstupu, lebo regulačný tranzistor T1, teda jeho dynamický odpor  rKE1  je ovládaný zmenami výstupného napätia U2.  Z hľadiska spôsobu riadenia regulačného tranzistora T1  im tiež hovoríme stabilizátory so spojitou reguláciou  alebo lineárne stabilizátory.





!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu