Лекции 7-8 - Конспекты, страница 2

Основным недостатком – сравнительно низкий КПД (0,5-0,6),поскольку значительный расход мощности имеет место в РЭ, так как через негопроходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нём равно разностимежду входным и выходным напряжениями стабилизатора.Отметим также, что линейные стабилизаторы уменьшают не толькомедленные изменения напряжения, но и быстрые, как периодические, так инепериодические. Это объясняется тем, что схемы стабилизаторов практическибезынерционны. Поэтому линейный стабилизатор можно рассматривать и каксглаживающий фильтр.Рассмотрим далее работу простейшего стабилизатора на биполярныхтранзисторах. Схема такого стабилизатора приведена на рисунке 6.5.На схеме РЭ – транзистор VT1, УПТ – транзистор VT2 и резистор R1,ИОН – стабилитрон VD1 и резистор R2, датчик напряжения – резисторы R3, R4и R5.

Конденсаторы C1 и C2 предназначены для подавления пульсациивыходного напряжения.Рисунок 6.5 – Схема линейного стабилизатораПри изменении тока нагрузки, например, увеличении, в первый моментвремени выходноенапряжениеуменьшится10из-заувеличения паденияЭлектропитание РЭАГлава 6напряжения на переходе коллектор-эмиттер РЭ (напряжение на входе остаётсянеизменным). Это вызывает уменьшение падения напряжения на нижнем плечеделителя выходного напряжения R3-R4-R5. Это напряжение приложено междубазой усилительного транзистора VT2 и минусовой шиной стабилизатора.ПараметрическийстабилизаторVD1-R2напряженияобеспечиваетнеизменность напряжения между эмиттером усилительного транзистора VT2 иминусовой шиной стабилизатора.

Поэтому падение напряжения между базой иэмиттером усилительного транзистора VT2 уменьшится.Уменьшение напряжения между базой и эмиттером усилительноготранзистораVT2приводиткуменьшениюсилыколлекторноготокатранзистора VT2. Последнее приводит к увеличению силы базового тока РЭVT1. При увеличении силы тока базы падение напряжения UКЭ междуколлектором и эмиттером уменьшается, а значит, приводит к уменьшениюпадения напряжения на РЭ VT1.

Последнее (при постоянном входномнапряжении) приводит к приоткрыванию транзистора VT1 (уменьшению егосопротивления), а значит, и обеспечивает увеличение выходного напряжениядо первоначального значения.Если в рассматриваемой схеме отсутствует конденсатор C1, токоэффициент сглаживания Kсгл пульсации приблизительно равен коэффициентустабилизации выходного напряжения по входному KU.Включение конденсатора C1 параллельно верхнему плечу делителявыходного напряжения, то есть шунтировании по переменной составляющейнапряжения наблюдается рост Kсгл по сравнению с KU. Ёмкость конденсатораC1 выбирают такой, чтобы его сопротивление было, по крайней мере, напорядокменьшесопротивленияверхнегоплечаделителявыходногонапряжения, то есть1 0,1R ,  C1где   2 f , f – частота.

Из соотношения (6.5) можно получить11(6.5)Электропитание РЭАГлава 6C1 10.  R(6.6)Следует иметь в виду, что уменьшение ёмкости конденсатора C1 за счётувеличения сопротивления Rˊ не рекомендуется, так как при увеличениисопротивления Rˊ надо увеличивать также и сопротивление Rˊˊ нижнего плечаделителя выходного напряжения. А это приводит к росту постоянной времени τнижнего плеча делителя, равной   RC , где С – ёмкость монтажных проводови усилительного транзистора VT2.

Увеличение постоянной времени τуменьшает ослабление пульсации выходного напряжении, что вызываетнеобходимость дополнительного увеличения ёмкости конденсатора C1.Пределы регулирования выходного напряжения в рассматриваемомстабилизаторе могут быть определены следующим образом.Напряжение Uˊˊ на нижнем плече Rˊˊ делителя равно сумме напряженияUVD1 на стабилитроне VD1 и напряжения UбэVT2 между базой и эмиттеромусилительного транзистора VT2, то естьU   U VD1  U бэVT 2 .(6.7)В то же время в соответствии с законом Ома можно записать:U U вых,R4  R5 R3  R4  R5(6.8)где Rˊ4 – сопротивление потенциометра R4 между его движком и резисторомR5.Из соотношения (6.7) и (6.8) следует:U вых U VD1  U бэVT 2,(6.9)где    R4  R5  /  R3  R4  R5  – коэффициент передачи делителя выходногонапряжения.Из полученного выражения (6.9) следует, что стабильность выходногонапряжения в значительной степени зависит от стабильности напряжения ИОН12Электропитание РЭАГлава 6(напряжение UVD1).

Действительно, из (6.9) после дифференцирования иперехода к конечным приращениям следует, чтоU вых U VD1  U бэVT 2.(6.10)Учитывая, что   1 , из уравнения (6.10) следует, чтоU вых  UVD1  U бэVT 2 .(6.11)То есть у линейного стабилизатора изменение выходного напряженияΔUвых превышает сумму изменений опорного напряжения ΔUVD1 и напряженияΔUбэVT2 между эмиттером и базой усилительного транзистора.При токах нагрузки, превышающих предельно допустимые значения длявыбранноготипаРЭ,применяютшунтированиеегорезисторомилипараллельное включение транзисторов.Уменьшить мощность рассеяния РЭ при постоянном токе нагрузкиможно с помощью резистивного шунта (рисунок 6.6а).Для уменьшения тока управления РЭ выполняют на составномтранзисторе.

Это позволяет улучшить согласование мощного транзистора РЭ смаломощными УПТ и увеличить коэффициент усиления по току, которыйможет достигать десятков тысяч. Такая схема соединения транзисторовназывается схемой Дарлингтона (рисунок 6.6б).а)б)Рисунок 6.6 – РЭ с шунтом (а) и РЭ в виде составного транзистора (б)13Электропитание РЭАВыпускаетсяГлава 6широкаяноменклатурасоставныхтранзисторовДарлингтона, размещённых в стандартном корпусе с тремя выводами.

Этотранзисторы серий КТ827, КТ829, КТ890, КТ897, КТ898, КТ972 с n-p-nструктурой и транзисторы серий ГТ825, ГТ852, ГТ853, ГТ896, ГТ973 соструктурой p-n-p.Резистор на рисунке 6.6б стабилизирует режим транзистора VT2.Для увеличения допустимой мощности, рассеиваемой на РЭ, применяютпараллельное и последовательное соединение нескольких транзисторов.Припараллельномсоединениииз-заразбросапараметраUБЭпоследовательно с эмиттером каждого транзистора включают резисторнебольшогономинала(рисунок6.7а).Этирезисторыприблизительновыравнивают ток, проходящий через транзисторы.Последовательное соединение транзисторов (рисунок 6.7б) применяют встабилизаторах с широким диапазоном регулировки Uвых и большой разностьюмежду Uвх и Uвых (когда допустимого значения Uкэ одного транзисторанедостаточно).а)б)Рисунок 6.7 – Схемы параллельного (а) и последовательного (б)соединения транзисторовВообще компенсационные линейные стабилизаторы представляют собойзамкнутуюсистемуавтоматическогорегулирования.Вэтойсистемевозмущение, возникшее в любом её звене, проёдет через всю систему, после14Электропитание РЭАГлава 6чего вернётся в то же звено.

При этом, в зависимости от параметров системы,возмущение, пройдя через неё, может ослабиться или усилиться. Есливозмущение усилится, то переходной процесс будет нарастающим, и системапревратитсявгенераторнелинейностьюсистемы,аколебаний,амплитудачастотаопределяетсякоторыхеёограниченаэквивалентнымипараметрами. Такая система регулирования называется неустойчивой и в нейстабилизация невозможна. Если возмущение будет ослаблено, то переходныйпроцесс станет затухающим, а система регулирования – устойчивой. Дляпревращения неустойчивой системы в устойчивую в неё вводят отрицательнуюОС.6.2.2 Вывод соотношений для определения основных параметровНа основании функциональной схемы линейного стабилизатора споследовательным РЭ можно составить основные уравнения, описывающиефизические процессы в стабилизаторе и позволяющие выполнить оценкикоэффициента стабилизации и динамического сопротивления (рисунок 6.8).Рисунок 6.8 – Схема линейного стабилизатораРассмотримустановившийсярежимработыстабилизаторавноминальном режиме.При возникновении возмущающего действия, например, увеличениивходного напряжения Uвх на величину ΔUвх, изменяются падение напряженияUКЭVT1 на регулирующем транзисторе VT1 и падение выходного напряжения15Электропитание РЭАГлава 6Uвых на нагрузке RН на dUКЭVT1 и dUвых соответственно.

Поэтому можно записатьуравнение:dU вх  dU КЭVT 1  dU вых .(6.12)Величина dUКЭVT1 обусловлена вариациями двух напряжений: изменениемпадениянапряженияdUКVT1наколлекторномсопротивленииRКЭVT1транзистора, равном:dU KVT 1  RКVT 1  dI KVT 1 ,(6.13)и изменением падения напряжения dUКЭVT1, обусловленным усилительнымисвойствами транзистора и равнымdU KЭVT 1  K1  dU выхУПТ ,(6.14)где dIKVT1 – изменение силы коллекторного тока, протекающего черезтранзистор VT1, K1 – коэффициент усиления РЭ по напряжению, dUвыхУПТ –изменение выходного напряжения УПТ.Подставляя выражения (6.13) и (6.14) в уравнение (6.12), можно записатьdU вх  RKVT 1  dI KVT 1  K1  dU выхУПТ  dU вых ,(6.15)Перепишем уравнение (6.15) в видеdU вх  RKVT 1  dI Н  K1  dU выхУПТ  dU вых ,(6.16)Это справедливо по той причине, что сила токов, протекающих через R1-VD1 ирезистивный делитель R2-R3, много меньше тока нагрузки.Для определения изменения dUвыхУПТ необходимо рассмотреть сигналы,формируемые на входах УПТ.На один вход УПТ подаётся часть выходного напряжения Uˊвых,формируемого на резисторе R3 делителя R2-R3 и равная U выхгде  R3R 2  R3U выхR3R3 U вых  U вых ,R 2  R3R 2  R3(6.17)– коэффициент деления резистивного делителя R2-R3выходного напряжения Uвых.

Очевидно, что   1 .16Электропитание РЭАГлава 6На другой вход УПТ подаётся эталонное напряжение Uэт, формируемоенастабилитронеVD1параметрическогостабилизаторанапряженияпостоянного тока R1-VD1.УПТ усиливает разность входных напряжений Uˊвых и Uэт в K2 раз.Тогда на выходе УПТ изменение выходного напряжения dUвыхУПТ можнозаписать в виде:  dU эт     K 2  dU вых  K 2  dU эт ,dU выхУПТ  K 2   dU вых(6.18)где K2 – коэффициент усиления УПТ.С учётом полученного выражения перепишемdU вх  RKVT 1  dI Н  K1  K 2   dU вых  dU эт   dU вых .(6.19)Представим (6.19) в другом виде:1  K1  K 2     dU вых  dU вх  RKVT 1  dI Н  K1  K 2  dU эт .(6.20)Уравнение (6.20) можно упростить. Дело в том, что у реальныхстабилизаторов параметры, входящие в уравнение (6.20), имеют следующий порядок величин:   0,5 ; K1  50 ; K 2  103 ; RKVT 1  103 .

Следовательно, ввыражении1  K1  K 2   величина второго слагаемого имеет следующийпорядок  2,5  103  1 . С учётом этого перепишем (6.20) в видеK1  K 2    dU вых  dU вх  RKVT 1  dI Н  K1  K 2  dU эт(6.21)1RKVT 11dU вх dI Н   dU эт .K1  K 2  K1  K 2  (6.22)илиdU вых Из полученного уравнения (6.22) следует, что изменение выходногонапряжения для конкретного стабилизатора определяется вариациями входногонапряжения Uвх, тока нагрузки IН и эталонного напряжения Uэт.По определению KU можно записать, чтоKU  U вх, U вых17(6.23)Электропитание РЭАгде  Глава 6U вых– коэффициент передачи напряжения стабилизатором со входа наU вхвыход.Выражение (6.23) может быть записано и в следующем виде:KU  K1K 2 .(6.24)По определению для динамического сопротивления Ri можно записать,чтоRi  U вых. IН(6.25)Выражение (6.25) может быть переписано в следующем виде:Ri 1RKVT 1 .K1K 2(6.26)6.3 Источники опорного напряженияВ любой схеме стабилизатора требуется наличие ИОН (в международнойтерминологии – Reference, Ref), с которым сравнивается величина выходногонапряжения.

Очевидно, что стабильность выходного напряжения не можетбыть выше стабильности опорного напряжения.Кроме стабилизаторов, многие функционально законченные устройствасовременной электроники требуют для своей работы стабильных ИОН. Этосхемы, содержащие цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи,измерительная аппаратура и многие другие устройства. Несмотря на то, чтопрактическиинтегральномвсеподобныеисполнении,функциональныенеузлыпрепятствующемизготавливаютпомещениюввнутрьинтегральной микросхемы (ИМС) источника стабильного напряжения, в рядеслучаев предпочтение отдается применению отдельных (внешних) ИОН,обладающих значительно лучшими параметрами.Наиболее часто используют два вида ИОН:- ИОН на основе стабилитронов;18Электропитание РЭАГлава 6- bandgap ИОН (бандгапы).Каждый из них используют либо как самостоятельный функциональныйузел, либо в составе ИМС.Источники опорного напряжения на стабилитронах. Такие ИОНкомпактны, дёшевы, достаточно широко распространены.