книги / Электропитание устройств связи

Для того чтобы обеспечить нормальную работу схемы при мак­ симальной температуре и минимальном токе нагрузки, в схему вво­ дят резистор Яз- Ток через резистор Яз при максимальной темпера- т\ре коллекторного перехода должен быть больше разности макси­ мального значения /сво(И) и величины / Вц ШП1

Назначение резистора Я'з аналогично.

Напряжение питания усилителя постоянного тока оказывает значительное влияние на стабильность выходного напряжения. При питании усилителя постоянного тока непосредственно напряжением

источника.

Если невозможно использовать дополнительный источник пита­ ния, например, при питании стабилизатора от аккумуляторной ба­ тареи, можно использовать схему (рис. 8.12е).

В этой схеме для стабилизации тока усилителя в качестве на­ грузки транзистора Гу используется эмиттерный повторитель из

следовательно, и ток коллектора Т2 также мало зависят от измене­ ния входного напряжения стабилизатора U0.

Схема сравнения транзисторного стабилизатора напряжения состоит из источника опорного напряжения и сравнивающего дели­ теля. В схеме рис. 8.10 источник опорного напряжения — стабили­ трон Д\ — подключен к плюсовой шине стабилизатора. Напряже­

ние стабилитрона f/ou сравнивается с напряжением на нижнем плече делителя i/дц, которое изменяется пропорционально измене-

191

ниям выходного напряжения UВых- В цепи делителя устанавлива­

ется потенциометр. Изменяя положение движка потенциометра, можно регулировать величину выходного напряжения стабилизато­ ра. Изменение окружающей температуры изменяет напряжение па стабилитроне. Величина изменения напряжения стабилитрона за­ висит от величины его температурного коэффициента (ТКН).

Если ТКН стабилитрона положителен, то с ростом температу­ ры опорное напряжение возрастает, что уменьшает отрицательный потенциал базы транзистора 7\. Вследствие этого уменьшаются токи базы и коллектора транзистора Ту, увеличиваются токи базы транзисторов Ти, Т\2, Тп, падает напряжение коллектор—эмиттер транзистора Та и UBUX стабилизатора увеличивается.

Для уменьшения изменений выходного напряжения, связанных с изменением температуры окружающей среды, в схемах преду­ сматривается температурная компенсация.

В схеме рис. 8.10 термокомпенсирующими элементами являют­ ся диоды или стабилитроны. Д к, включенные в прямом направлении

Для получения малых выходных напряжений, а также при ши­ роком диапазоне регулировки выходного напряжения применяется

192

схема рис. 8.13а. В ней источник опорного напряжения подключа­ ется к плюсовой шине стабилизатора, а сравнивающий делитель (RiRnRz) питается суммарным напряжением UBhJX+U0n. Схема

рис. 8.136 используется, если выходное напряжение больше опор­ ного. В этой схеме напряжение нижнего плеча делителя Umi срав­ нивается с напряжением на сопротивлении R3, которое приблизи­ тельно равно опорному напряжению на стабилитроне Д\. Преиму­

щество данной схемы сравнения, по сравнению с ранее рассмот­ ренными, заключается в гом, что здесь компенсируется темпера­ турный дрейф напряжений база—эмиттер транзисторов Ту и Т'у.

В этой схеме сравнения желательно применять стабилитроны с ма­ лым ТКН.

Для определения внутреннего сопротивления гг*, коэффициента стабилизации Кст и коэффициента сглаживания К— транзистор­ ных стабилизаторов можно воспользоваться следующими выраже­ ниями:

для схем транзисторных стабилизаторов, в которых УПТ пита­ ется от дополнительного источника рис. 8.126 и если коллекторной нагрузкой усилителя является эмиттерный повторитель рис. 8.12в:

Если УПТ питается от входного напряжения стабилизатора, ко­ эффициент стабилизации

14 -__ ГСУ___

Внутреннее сопротивление в этом случае определяется из (8.14). В (8.13) — (8.15) рр, Sp — коэффициент усиления составного ре­ гулирующего транзистора по напряжению и его крутизна; Ку —

коэффициент усиления УПТ; а — коэффициент передачи делителя; гсу — сопротивление коллектора транзистора Ту в схеме с общим

эмиттером.

Коэффициент усиления составного транзистора по напряжению |хр зависит от количества транзисторов, входящих в составной. Для двойного и тройного составных транзисторов цр

В выражениях (8.16) р1Ь р12, р13 — коэффициенты усиления по напряжению транзисторов, входящих в составной.

Коэффициент усиления транзистора р определяется из харак­ теристик транзистора при постоянном токе коллектора, как это по­ казано на рис. 8.14.

Крутизна составного регулирующего транзистора Sp: для двойного составного транзистора

Р5x1 + ^21(11)^12

для тройного составного транзистора

с общим эмиттером и крутизна соответствующего транзистора, вхо-

Рис. 8.14. Определение коэффициента усиления транзи­ стора и- из характеристик i*B=f(wBE); *с= /( исе)

дящего в составной. Для определения крутизны можно воспользо­ ваться характеристиками транзистора рис. 8.15.

Рис. 8.15. К определению крутизны транзистора S:

Коэффициент усиления УПТ зависит от схемы сравнения: для схемы рис. 8.10

194

из характеристик рис. 8Л5; г^\ — динамическое сопротивление ста­ билитрона Д\.

Сопротивление RK ■— коллекторная нагрузка усилителя посто­

янного тока, оно различно для различных схем питания УПТ.

рис. 8.126).

RK= Rt (С) Ry/(Ry + Ric)>

где Ri(C) — входное сопротивление составного транзистора, вели­

чина которого зависит от числа транзисторов, входящих в состав­ ной.

Для двойного составного транзистора

^(С2)-= (12) + ^l(ll)h2\ (12)*

Для тройного составного транзистора

Если коллекторной нагрузкой УПТ является эмиттерный повторитель,

Коэффициент сглаживания К ^ для рассмотренных схем тран­

зисторных стабилизаторов приближенно равен коэффициенту ста-

195

билизации /Сет. Нели верхнее плечо делителя зашунтировано ем­ костью С1 (см. рис. 8.10), то для определения К~ необходимо в вы­

ражениях для К е т принять а = 1 , так как коэффициент передачи делителя по переменной составляющей в этом случае близок к единице.

Коэффициент полезного действия последовательных стабилиза­ торов, как ламповых, так и транзисторных, зависит от величины входного напряжения U 0 и раиен т]« t/ Bbix/£/o. Чем больше изме­

нения входного напряжения и чем глубже регулировка выходного напряжения, тем меньше КПД схемы.

8.4. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Отличительной чертой всех импульсных стабилизаторов напря­ жения по сравнению с линейными стабилизаторами является ра­ бота регулирующего транзистора в режиме переключения.

Работа транзистора в режиме переключения характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область

и релейные стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным регулированием.

В стабилизаторах с ШИМ в качестве импульсного элемента ис­ пользуется генератор, время импульса или паузы которого изме­ няется в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с выхода схемы сравнения.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ заключается в сле­ дующем: постоянное напряжение 00 от выпрямителя или от акку­

муляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а за­ тем через фильтр на выход стабилизатора.

Выходное напряжение стабилизатора приводится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности пода­ ется на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного то­ ка в импульсы с определенной длительностью. Длительность им­ пульсов изменяется пропорционально сигналу разности между опор­ ным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор.

196

Регулирующий транзистор периодически переключается, и сред­ нее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотноше­ ния между интервалами, в которых транзистор открыт или заперт. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока, а следовательно, и соотношение между паузой и импульсом, и среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизато­ ров несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемен­ та применяется триггер, который, в свою очередь, управляет ре­ гулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора в первый момент регулирующий транзистор открыт, и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается. Со­ ответственно растет сигнал на выходе схемы сравнения. При опре­ деленной величине выходного напряжения величина сигнала на выходе схемы сравнения станет достаточной для срабатывания триггера. Триггер срабатывает и закрывает регулирующий тран­ зистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшать­ ся, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенной величине сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает и открывает регулирующий транзистор.

тора и к изменению частоты его пе­ реключения, а среднее значение выходного напряжения будет под­

держиваться неизменным с определенной степенью точности. Силовая часть импульсных стабилизаторов независимо от их

типа состоит из регулирующего транзистора 7'ц, дросселя Дри емкости Си и коммутирующего диода Д 2 (рис. 8.18). На вход ре­

гулирующего транзистора от импульсного элемента поступают уп­ равляющие импульсы.

Рассмотрим процесс переключения силового регулирующего транзистора Ги и коммутирующего диода Д 2 (рис. 8.19). В момент ti в цепь базы закрытого транзистора Тц подан импульс тока, до­

статочный для насыщения цени коллектора. Рабочая точка тран­ зистора перемещается из области отсечки в область насыщения за время tin, которое зависит от величины тока базы (Д/в(он) и ча­

стотных свойств транзистора. Исходя из постоянства тока в дрос­

197

селе Д р i, ток диода Дг—/да уменьшается, напряжение на диоде Дг мало, а к транзистору приложено напряжение, равное входно­ му U0. Так как обратное сопротивление диода Д2 восстанавливает­

ся не мгновенно, возможен выброс коллекторного тока на величи­ ну, не превышающую Д/в<о H)hzi г е (И) — статический коэффи-

Рис. 8Л9 Графики токов и напряжений транзистора и диода, ра­ ботающих в ключевом режиме

выброса тока диода не превышает величины

^Д2 (—) ^ A IB(ОН) ^21Е (И) ^Д2 min'

В момент времени t2 коллекторный ток транзистора становится равным Ic umin = l Rzmin, напряжение UCEH уменьшается до нап­ ряжения насыщения Uсен sat, а ток в диоде Дг падает до нуля.

198

входному UQ.

В момент 4 на базу транзистора Тц подается запирающее на­ пряжение, ток базы Тц меняет свое направление, а ток коллектора начинает уменьшаться с задержкой на время рассасывания избы­ точной концентрации неосновных носителей в базе.

Как только ток коллектора Ги уменьшится, ЭДС самоиндук­ ции дросселя изменит знак и диод Д 2 включится. Напряжение на диоде Дг упадет до нуля, а напряжение UCEU возрастет до вели­

чины входного напряжения U Q. Переход транзистора Т ц из насы­ щенного состояния в режим отсечки осуществляется за время 4 //, величина которого зависит от частотных свойств транзистора и от величины изменения тока базы Л/в(зи)- В интервале запирания нап­ ряжение UC E H максимально и равно UQ.

Величина А1в(зи) в основном зависит от внутреннего сопротив­

ления запирающего источника, так как в интервале рассасывания эмиттерный переход Тц представляет собой весьма небольшое со­ противление.

В В момент времени 4 ток ic и уменьшается до минимальной ве­ личины, равной приблизительно 1сво, а ток / Д2 увеличивается до

IR 2m ax= = IС И m ax•

В интервале 4 —4 ток коллектора равен минимальной величи­ не, ток диода уменьшается, напряжение UCEU = UQ, а напряжение

на диоде равно минимальной величине. Начиная с момента време­ ни 4, процесс повторяется.

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме переключения Рс, состоит из трех: мощности, рассеиваемой в режиме отсечки Рсоу мощности, рассеиваемой в режиме насыщения Реши и мощно­ сти переключения Рср-

Значения составляющих Pco, Pcsat, Рср определяются из сле­

дующих выражений:

Рсо = ^ сво ^~ У )-

Р С sat ~ U СЕ sat ^С шах У•

где 1сво — начальный коллекторный ток транзистора; UcEsai —*

напряжение коллектор—эмиттер транзистора в режиме насыще­ ния; Icmax — максимальный коллекторный ток: tin>4//, /о — вре­

мя включения, время выключения и частота переключения транзи­

стора; у — относительное время открытого состояния транзистора

(у=Ти/Т0).

При малых величинах 1сьо суммарная мощность определяется в основном составляющими Рс sat и Рс.

199

меньше величина у и меньше P c sat-

Составляющая Рср зависит от частотных свойств транзистора, а именно, от времени его включения tin и времени выключения t0ff9 от величины входного напряжения UQ, максимального тока коллек­ тора 1с и частоты переключения /о. Чем выше граничная частота транзистора, тем меньше t%n, tojf и тем меньше мощность Рср-

При использовании низкочастотных транзисторов максималь­ ная частота переключения /0 ограничивается величиной мощности

Р с р -

На входе фильтра импульсного стабилизатора напряжение име­ ет форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной входно­ му напряжению стабилизатора UQ. Амплитуда первой гармоники

напряжения на входе фильтра зависит от относительного времени открытого состояния регулирующего транзистора у и имеет мак­ симум при у = 0 ,5 , что следует учитывать при определении L и С

фильтра. Амплитуда пульсации выходного напряжения также мак­ симальна при у = 0 ,5 .

В качестве импульсных элементов стабилизаторов напряжения используются триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы и т. д.

Схема рис. 8.20а может быть использована как в релейных ста­ билизаторах, так и в стабилизаторах с ШИМ.

В триггере ТД включен параллельно переходу база-эмиттер тран-

а) *

Рис 8.20. Триггер на транзисторе и туннельном диоде: а) схема; б) характеристики

(У — входная триггера, 2 — входная / 4, 3 — для Д3)

зистора Г4, что позволяет получить на входной характеристике триггера участок с отрицательным сопротивлением.

Построение входной характеристики триггера осуществляется сложением входной характеристики транзистора Г4 при напряже­

200