книги / Физические основы электроники

В чувствительном элементе выходное напряжение срав­ нивается с эталонным (опорным) напряжением. При номи­ нальном выходном напряжении напряжение на выходе чувст­ вительного элемента равно нулю. Если же выходное напря­ жение отклонилось от своего номинального значения, с выхо­ да чувствительного элемента на усилительный элемент будет подаваться управляющее напряжение, равное разности двух напряжений: эталонного и выходного. Эта разность будет тем больше, чем сильнее отклонилось выходное напряжение от номинала. После усиления управляющее напряжение воздей­ ствует на исполнительный элемент так, что при этом компен­ сируются происшедшие изменения выходного напряжения.

Основным показателем, характеризующим работу стаби­ лизатора, является коэффициент стабилизации, показываю­ щий во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора меньше относительного изменения на­ пряжения на его входе:

где иВх и 11ьш — напряжения на входе и выходе; AUB%и Д £ /Вых

— изменения напряжений на входе и выходе.

Выходное сопротивление стабилизатора по постоянному

Желательно, чтобы /?Вых.пост и ЛВых.пер имели небольшую величину.

Рассмотрим работу стабилизатора на транзисторах (рис. 7.39). Различают схемы с последовательным и параллельным включением регулирующего транзистора.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора Тг равно разности напряжений:

Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке воз­ растает, то увеличивается напряжение Ui Вых, которое прило­ жено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзи­ стора Тг. Вследствие этого увеличивается коллекторный ток Тг, который создает на сопротивлении R A падение напряже­ ния, которое по полярности является обратным для эмиттерного перехода Т\. Эмиттерный и коллекторный токи этою транзистора уменьшатся, что приведет к восстановлению но­ минального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменение токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Конденсатор С\ служит для улучшения сглаживания пуль­ саций напряжения на выходе.

Для обеспечения правильной работы транзистора Тг должно выполняться неравенство: Uoa < 11гвых.

больше тока нагрузки стабилизатора. При больших токах нагрузки ток базы транзистора Т\ может значительно превы­ шать допустимое значение коллекторного тока h i транзисто­ ра Тг. В таких случаях для согласования величин h \ и /кг регу­ лирующий транзистор выполнен составным (рис. 7.40).

В составном транзисторе ток базы 7п является током коллектора Тп, ток базы которого, в свою очередь, является коллекторным током транзистора Тп. Включая соответст­ вующее количество транзисторов, можно получить ток базы последнего транзистора равным допустимому току коллекто­ ра транзистора Тг. Таким образом, составные транзисторы служат для увеличения входного сопротивления регулирую­ щего элемента схемы.

В схеме составного транзистора включены резисторы Rs и Re, обеспечивающие увеличение тока в цепях эмиттеров (подпитку) транзисторов Тп и Тп. Это вызвано тем, что при повышенной температуре перехода коллектор—эмиттер об­ ратный ток коллектора /ко увеличивается на столько, что при малых нагрузках суммарный ток базы транзистора Ти (а сле­ довательно, и эмиттерный ток Тп) может стать равным нулю, что приведет к срыву стабилизации. В результате этого рабо­ та схемы стабилизатора будет нарушена.

Для получения высоких выходных напряжений, при кото­ рых напряжение коллектор—эмиттер транзистора Т\ превы­ шает предельно допустимое, применяют последовательное включение регулирующих транзисторов (рис. 7.41).

Коэффициент стабилизации схемы по току в значитель­ ной мере зависит от коэффициента усиления по току Pi регу­ лирующего транзистора Т\.

Транзисторный стабилизатор с однокаскадным УПТ, вы­ полненный по приведенной схеме может обеспечить величину Кет„ = 50-80. Если требуется получить большие значения Кст, в схему вводят дополнительный источник, предназначенный для питания усилителя постоянного тока Тг, или применяют многокаскадные усилители. В качестве дополнительного ис­ точника используется параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне Di (рис. 7.42).

При повышенных требованиях к температурной и вре­ менной стабилизации выходного напряжения стабилизатора первый каскад усилителя, оказывающий наибольшее влияние на изменение выходного напряжения, выполняют по диффере-

нциальной схеме и применяют методы термокомпенсации изменений напряжения опорного элемента (стабилитрона).

Рассмотрим схему стабилизации с параллельным включе­ нием регулирующего транзистора (рис. 7.43).

Схемы этого типа применяются для получения низких на­ пряжений. Схема содержит составной транзистор Т\, балла­ стное сопротивление Re и вспомогательный источник эта­ лонного напряжения, состоящий из стабилитрона D и рези­ стора Яз. При увеличении выходного напряжения вследствие уменьшения тока нагрузки или увеличения входного напря­ жения увеличивается напряжение эмиттер—база U3е\ составно­ го транзистора, его ток коллектора hi и возрастает падение напряжения на резисторе Re. В результате изменения напря­ жения на резисторе Re выходное напряжение стабилизатора остается практически неизменным.

Ключевые стабилизаторы напряжения. Особенность рас­ смотренных выше транзисторных стабилизаторов напряже­ ния заключается в том, что выходные напряжения их всегда меньше входных на величину падения напряжения на регули­ рующем элементе, который работает в линейном усилитель­ ном режиме и под действием схемы обратной связи непре­ рывно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимо­ сти от изменения входного напряжения или тока нагрузки.

КПД стабилизаторов мал (0,5-0,7), так как на регулирующем элементе рассеивается значительная мощность. Для уменьше­ ния температуры коллекторного перехода регулирующих тран­ зисторов применяются радиаторы, значительно увеличиваю­ щие массу и габариты устройств электропитания.

Эти недостатки в меньшей мере проявляются в полупро­ водниковых ключевых (или импульсных) стабилизаторах на­ пряжения, у которых регулирующий элемент (транзистор или тиристор) работает в режиме переключений, находясь пооче­ редно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии. Источник питания стабилизатора (выпрямитель) при помощи регулирующего элемента периодически подклю­ чается к нагрузке. При открытом состоянии регулирующий элемент проводит ток, а при закрытом — не проводит. Вели­ чина выходного напряжения зависит от соотношения дли­ тельности открытого и закрытого состояния регулирующего элемента, т.е. от скважности его управляющих импульсов ©. Коэффициент заполнения импульсов у — величина обратная скважности:

т

0 = - ; (7.93) 'н

1

(7.94)

т = 5-

где Т — период повторения или следования импульсов; ги — длительность импульса.

Управление скважностью импульсов осуществляется схе­ мой отрицательной обратной связи таким образом, что при увеличении входного напряжения питания время открытого состояния регулирующего элемента уменьшается, а при умень­ шении входного напряжения питания увеличивается настоль­ ко, что выходное напряжение стабилизатора остается почти неизменным (с заданной степенью точности).

Частота переключения регулирующего элемента выбира­ ется достаточно высокой (1-5 кГц и выше), и поэтому сгла­ живание пульсаций выходного напряжения производится ма­ логабаритным фильтром, включенным после регулирующего элемента. Так как потери мощности в регулирующем элемен­

тым до тех пор, пока С\ не разрядится. Далее цикл переклю­ чений повторяется. При увеличении входного напряжения время заряда конденсатора С\ уменьшается и частота пере­ ключения возрастает, а при уменьшении входного напряже­ ния время заряда конденсатора С\ увеличивается, а частота переключения регулирующего транзистора уменьшается.

Хотя ключевые полупроводниковые стабилизаторы на­ пряжения значительно экономичнее линейных, им присущи некоторые недостатки: повышенное значение пульсации вы­ ходного напряжения и большое динамическое внутреннее сопротивление. Это определяет их область применения. Они применяются в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются ма­ лые габариты, но допускаются значительные пульсации вы­ ходного напряжения.

Контрольные вопросы

1.Особенности работы однофазного однополупериодного выпрямителя.

2.Перечислите преимущества и недостатки однополупериодной схе­ мы, область применения.

3.Работа двухполупериодной однофазной схемы со средней точкой и мостовой схемы. Преимущества и недостатки этих схем.

4.Напишите основные соотношения, характеризующие работу вы­ прямителя.

5.Назначение сглаживающих фильтров и их классификация.

6.Физическая сущность работы сглаживающих фильтров.

7.Какие особенности в работе выпрямителя при активно-емкостной нагрузке?

8.Работа выпрямителя на нагрузку с активно-индуктивной реакцией.

9.В каких случаях используются выпрямительные схемы с умножени­ ем напряжения?

10.Поясните принцип работы двухполупериодной схемы выпрямите­ ля с удвоением напряжения.

11.Перечислите особенности работы трехфазных выпрямителей.

12.Напишите основные соотношения трехфазной схемы с нулевым выводом.

13.Особенности работы трехфазной мостовой схемы выпрямителя (схемы Ларионова).

14.Напишите основные соотношения, характеризующие ее работу.

15.Перечислите преимущества схемы Ларионова перед простой трех­ фазной схемой.

16.Перечислите области применения управляемых выпрямителей.

17.Поясните, какой принцип управления выпрямленным напряжени­ ем заложен в управляемые выпрямители?

18.Поясните работу фазовращающего устройства «вертикального уп­

равления».

19.Начертите схему и расскажите о работе трехфазного управляемого выпрямителя.

20.Дайте классификацию стабилизаторов напряжения.

21.Перечислите основные показатели, характеризующие работу ста­ билизаторов.

22.Начертите схему и поясните работу стабилизатора напряжения

компенсационного типа на транзисторах.

23.Для чего применяют составные транзисторы в схемах стабилиза­ торов напряжения?

24.Особенности работы импульсных стабилизаторов напряжения, их область применения.