Файл: Федосеев П.Г. Основы проектирования транзисторных стабилизаторов напряжения учеб. пособие для студентов специальности 0615 Звукотехника.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.07.2024
Просмотров: 98
Скачиваний: 0
б) условия согласования входа Та с выходом схемы управле ния (СУ) таковы, что для питания последней необходим доба вочный стабилизированный источник напряжения £/с т 2 .
Уменьшение мощности потерь в Тп достигается включением в цепь коллектора резистора RK (с соответствующей допустимой' мощностью рассеяния), а также использованием источника неиз менного напряжения смещения (мощного стабилитрона) в цепи эмиттера Тп. В последнем случае надлежащее согласование входа Тп и выхода схемы управления осуществляется без использования добавочного источника питания СУ. Чтобы пре дотвратить возможность появления больших обратных напря
жений |
на эмиттерном переходе |
Т„, следует включать диод Да. |
Во |
всех стабилизаторах с |
параллельным исполнительным |
транзистором последний имеет максимальную мощность рас сеяния при минимальном токе нагрузки и максимальном напря жении сети.
Методика построения схем стабилизаторов с параллельным исполнительным транзистором и в бсобештости выпрямителей с нелинейными балластными сопротивлениями разработана не достаточно. В этой области имеются широкие возможности для постановки, в процессе курсового и дипломного проектирования, исследовательских' работ.
§ 3. СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И УСИЛЕНИЯ СИГНАЛА ОШИБКИ
От построения усилителя сигнала ошибки и схемы сравнения напряжения обратной связи с напряжением задающего стаби литрона существенно зависят статическая точность работы ста билизатора, температурный дрейф выходного напряжения, устойчивость и динамические показатели (частотный диапазон возмущений, эффективно ослабляемых стабилизатором).
Схемы на основе однокаскадного усилителя с общим эмиттером
Чаще всего в стабилизаторах используют нелинейную мосто вую схему сравнения, одним из плеч которой является кремние вый опорный стабилитрон КС\, а для усиления сигнала ошибки — однокаскадный УПТ по схеме ОЭ (рис. 11.5,а).
Делитель обратной связи Rj—Rn — R2 и цепь стабилитрона необходимо включать непосредственно к выходным зажимам стабилизатора с тем, чтобы падение напряжения в монтажных проводах силовой цепи не влияло на сигнал ошибки.
В качестве опорных служат маломощные стабилитроны, се
рий Д808 — Д813 и Д814А — Д814Д, |
обладающие |
достаточно |
малым относительным ТКН ( а к о = 0,04^-0,1 %/°С) и |
дифферен |
|
циальным сопротивлением /?д = (6-^-20) |
Ом при токе |
10—15 мА. |
30
С целью термокомпенсации в цепь делителя обратной связи включают диоды или кремниевые стабилитроны в прямом на правлении (ТКН прямого напряжения р-п перехода отрица-
5х
Рис. II.5
телен). Стабилитрон и термокомпенсирующие диоды в конструк ции стабилизатора должны располагаться так, чтобы их темпе ратурный режим был одинаковым (как при установившихся, так и при переходных тепловых процессах). Иногда КС\ и Д к располагают в общем тепловом экране.
31
Существенно меньшим ТКН обладают прецизионные стаби литроны, которые в одном корпусе содержат один обратный и два прямых р-п перехода. Их ТКН составляет 0,005—0,02%/°С (Д818А —Д818Г) и" 0,0005—0,005%/°С (КС196А — КС196Г). Дифференциальное сопротивление этих стабилитронов несколько больше — порядка 18—25 Ом.
Когда стабилизатор имеет низкое выходное напряжение ( £ / п =5ч - 8 В), могут быть использованы стабилитроны КС133А — КС168А с напряжением стабилизации от 3 до 7 В. Эти стабили
троны |
имеют либо |
отрицательный (при напряжении |
менее 4,5— |
|||
5 В), |
либо положительный |
(при напряжении 5—7 В) ТКН по |
||||
рядка |
±(0,02—0,06) %/°С. |
Недостатком |
низковольтных |
стаби |
||
литронов является |
заметно |
большее, чем |
у ранее |
указанных, |
||
дифференциальное |
сопротивление (40—60 Ом). В связи |
с этим |
||||
отрицательная обратная связь по току в усилительном |
каскаде |
получается достаточно глубокой, а коэффициент усиления УПТ небольшим, что не позволяет получить высокую точность ста билизации.
Поэтому в 'низковольтных стабилизаторах часто применяют стабилитроны с нормальным напряжением стабилизации, питае мые от отдельного выпрямителя. В схеме рпс. 11.5,6 опорный стабилитрон КС{ получает питание от вспомогательного выпря мителя .напряжением £ / В з ~ ( З ч - 4 ) £ К с 1 . Применение двухкаскадного параметрического стабилизатора позволяет поддерживать опорное напряжение неизменным с необходимой точностью (при мерно на порядок больше, чем точность стабилизации выходного напряжения).
В данном случае делитель обратной связи включен на сум марное напряжение£/и л-+ £Л<с1 и должен иметь коэффициент передачи
„ |
Rj + 0,5/?п _ |
£ к с 1 |
п г , |
' |
|
|
Л, + /?, + /?„~ EKC1 |
+ V„N |
{ |
||
|
|
|
|
|
|
В схеме рис. 11.5, в для питания |
цепи |
опорного |
стабилитрона |
используется сумма напряжений вспомогательного параметри
ческого стабилизатора |
Яьъ — КС3 и нагрузки £/н . Поэтому вели |
||||
чина напряжения и мощность вспомогательного |
выпрямителя |
||||
меньше, чем в схеме рис. II.5, б. |
|
|
|
||
Коэффициент передачи делителя в этом случае |
выбирается |
||||
по соотношению |
|
|
|
|
|
„ _ |
R-> + |
0,5/?п ^ |
EKcl~UKi\' |
/ 1 |
к ч |
Д Е |
/?,+/?а |
+ Я „ ~ |
£KCI |
К |
' |
В стабилизаторах с относительно высоким выходным напря жением ( £ / и ^ 3 0 В) часто включают несколько маломощных стабилитронов последовательно. Это позволяет получить коэф фициент передачи делителя, близкий к единице (/СДЕ = 0,7 — 0,9), и тем самым сохранить высокое петлевое усиление. Применение
32
силовых стабилитронов Д816—Д817 с напряжением стабилиза ции от 22 до 100 В неоправдано, так как они имеют большой ТК.Н и рабочий ток от 50 мА и больше.
Для того, чтобы однокаскадный УПТ имел большое усиление, сопротивление в цепи коллектора Ту должно быть достаточно велико.
Чтобы иметь возможность увеличить RK при нормальном ра бочем токе транзистора для питания УПТ приходится применять отдельный источник (с7в 2 ). Кроме того, обычный каскад ОЭ имеет значительный коэффициент передачи возмущения со сто роны источника питания ( Q y ~ l ) , что снижает коэффициент стабилизации устройства. Поэтому в стабилизаторах высокой точности для питания УПТ, кроме вспомогательного выпрями теля, используют добавочный параметрический стабилизатор (элементы, показанные пунктиром на рис. II . 5, а,в). Все эти меры делают схему более сложной и дорогой.
Хорошие результаты по точности и высокую экономичность за счет исключения вспомогательных источников питания дает схема усилительного каскада с «динамической» нагрузкой, т. е. токостабилизирующим двухполюсником на транзисторе Тп в ка честве коллекторной нагрузки Ту (рис. II.5,г).
Транзистор Г д противоположного типа проводимости по срав нению с Ту имеет заданное с помощью диода Д Б смещение на базе. Рабочий ток коллектора 7"д задается выбором сопротивле ния в цепи эмиттера:
/ Д = ^ " " f t o , , const, (17)
где С/ДБ —напряжение диода Д Б (обычно стабилитрона), вклю
ченного в прямом направлении;
tVcoo—пороговое напряжение эмиттерного перехода Гд . Дифференциальное выходное сопротивление коллектора Г д
в такой схеме весьма велико (близко к выходному сопротивле нию транзистора в схеме с общей базой). Поэтому сопротивле ние нагрузки по переменному току для усилительного каскада определяется, главным образом; входным сопротивлением согла сующего каскада на транзисторе Tci, которое также достигает нескольких десятков килоом. Это дает возможность получить высокий коэффициент усиления по. напряжению, т. е. большое петлевое усиление.
Наряду с этим, каскад с динамической нагрузкой имеет не большой коэффициент передачи возмущений со стороны источ ника питания («Зуд < <2у(оэ))-
Последнее объясняется тем, что ток коллектора Тд стабили зирован, т. е. с ростом ив], когда падение напряжения на уча стке коллектор — эмиттер Тя растет, ток коллектора Ту сохра няется практически неизменным. Следовательно, для сохране ния постоянного потенциала коллектора Ту, т. е. напряжения
1U2 |
Заказ 1541 |
33 |
на входе Г с ь не требуется увеличения сигнала ошибки, как это имело место в обычном каскаде по схеме ОЭ.
Некоторым недостатком каскада с динамической нагрузкой является значительное выходное сопротивление, что увеличивает выходное сопротивление стабилизатора при разомкнутой обрат ной связи. Однако большое петлевое усиление в стабилизаторе, имеющем каскад с динамической нагрузкой, позволяет получить выходное сопротивление стабилизатора в целом меньше, чем у стабилизатора с обычным каскадом усиления по схеме ОЭ, питаемым повышенным напряжением.
Эмиттерно-связанные и дифференциальные У П Т
При повышенных требованиях к долговременной стабильно сти усиления и тепловому дрейфу собственно усилителя сигнала ошибки применяют схемы с эмиттерно-связанными и дифферен циальными каскадами УПТ, показанные на рис. П.6.
|
|
(а |
Рис. |
П.6 |
б) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
В схеме рис. II.6, а использован |
эмиттерно-связанный каскад, |
|||||||
в котором ТУ1 включен по схеме ОЭ в качестве |
усилителя |
|||||||
сигнала |
ошибки, |
а |
транзистор |
Ту2 |
работает в |
режиме эмиттер- |
||
ного повторителя |
(схема ОК), на вход которого поступает неиз |
|||||||
менное |
напряжение |
опорного |
стабилитрона |
КС\. |
Эмиттерные |
|||
токи 7 у 1 |
и Ту2 протекают |
через |
сопротивление |
7?э, которое под |
||||
бирается так, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( / Э 1 + |
hi) |
Яэ = |
£ К С 1 |
+ |
£ / б э 2 ~ £ K c l = |
C O n s t |
|
Так как ТУ2 работает в режиме эмиттерного повторителя, на пряжение на сопротивлении R9 сохраняется неизменным, тогда как изменение выходного напряжения вызывает соответствую-
34
щее изменение потенциала базы Ту. Поэтому формирование сигнала ошибки происходит точно так же, как в обычном однокаскадном УПТ. Поскольку выходное сопротивление эмиттер-
• ного повторителя мало / /?,у 2 ~[ЛцоН |
7^5- ) || R3 ~hm |
|
\ |
\ |
1 + Л 21~э J |
'то обратная связь по току в каскаде на 7"у1 оказывается неглу бокой (хотя Rs велико), а коэффициент усиления большим.
Достоинством эмиттерно-связанного каскада УПТ является частичная компенсация теплового дрейфа транзисторов 7"у1 и
Ту2. |
Допустим, что напряжение КСХ |
и выходное |
напряжение |
строго неизменны, но за счет колебаний температуры |
изменяется |
||
ток |
коллекторов Г у 1 и Ту2. Рост тока |
коллектора Ту1 |
при повы |
шении температуры и прочих неизменных условиях создает тен денцию к увеличению падения напряжения на RKi, что должно было бы привести к уменьшению выходного напряжения стаби лизатора (как, например, в схеме рис. 11.5,а).
Однако поскольку одновременно с ростом температуры воз растает ток коллектора Ту2, то на сопротивлении R3 создается приращение напряжения, дополнительно уменьшающее разность
потенциалов на |
участке база — эмиттер |
Tyi; вследствие |
этого |
ток коллектора |
Tyi получает тенденцию |
к уменьшению, |
чем и |
достигается компенсация теплового дрейфа. В результате потен циал точки а сохраняется практически неизменным, несмотря на колебания температуры.
Точность термокомпенсации зависит от многих факторов — параметров конкретных транзисторов Ту1 и Ту2, соотношения их рабочих токов, тщательности настройки и т. д.
Более точной термокомпенсации добиваются в дифференци альных каскадах УПТ (рис. 11.6,6). В такой схеме транзисторы Tyi и Ту2, сопротивления источников сигнала на базах Tyi и Ту2, Rui и i?K2, а также сопротивления внешних нагрузок, присоеди ненных к точкам а и б, выбираются равными. В этих условиях по отношению к выходным точкам аб дифференциальный УПТ можно считать подобным уравновешенному мосту постоянного
тока. При неизменных и одинаковых напряжениях |
на |
базах |
|||
Tyi и Ту2 выходное напряжение Ua6 |
будет |
равным |
нулю, не-, |
||
смотря на одновременное |
изменение |
коллекторных |
токов А/щ |
||
и А/кг, вследствие влияния |
температуры и изменения |
напряже |
|||
ния источника питания. |
|
|
|
|
|
На практике в усилителях постоянного |
тока за счет |
исполь |
зования дифференциальных каскадов можно ослабить влияние теплового дрейфа и нестабильности UB2 на 20—30 дБ.
Однако в стабилизаторах напряжения указанные выше усло вия симметрии выполнить точно не удается по следующим при
чинам: |
КС у намного |
|
|
|
а) |
выходное сопротивление |
меньше |
выход |
|
ного |
сопротивления делителя |
обратной связи |
Ri — R2\ |
можно, |
35