книги / Элементы промышленной электроники

на стабилитроне и на нагрузке почти не меняется. При уменьше­ нии входного напряжения токи /, /ст и 1„ соответственно умень­ шаются. При этом уменьшается и падение напряжения на бал­ ластном сопротивлении. С уменьшением тока /ст в допустимых пределах, напряжение на стабилитроне не изменится, а следо­ вательно, не изменится и напряжение на нагрузке.

Математически это может быть записано в виде следующего выражения:

этом условие сохранения рабочей точки стабилитрона на участке нормального тлеющего разряда (участок АВ вольтамперной характеристики рис. 5—2) в соответствии с выражением (5—7)

где: А/ст = /тах— Jinin— предельное допустимое приращение тока стабилитрона, соответствующее рабочему диапазону вольтам­ перной характеристики стабилитрона (рис. 5—2).

Из выражения (5—8) следует, что нормальная работа стаби­ литрона может быть обеспечена соответствующим выбором величины ограничивающего сопротивления R. При этом, чем больше величина ограничивающего сопротивления, тем в боль­ ших пределах может изменяться напряжение Ul на входе ста­ билизатора без нарушения нормальных пределов стабилизации выходного напряжения U2. При стабилизации напряжения на нагрузке при изменяющемся токе нагрузки /н т. е. при Ra = var и постоянном напряжении Uu на входе стабилизатора происходит перераспределение токов между нагрузкой и стабилитроном с сохранением неизменным напряжения на стабилитроне и па­ дения напряжения на ограничивающем сопротивлении в соответ­

Однако, из выражения (5—9) следует, что для нормальной работы газового стабилизатора при меняющейся нагрузке, т. е. при RH— var и Ui — const, изменение тока нагрузки А/„ не должно приводить к выходу тока стабилитрона за пределы максималь-

81

ного и минимального допустимых его значений, соответственно, равных 4 ^ и. 1 ^

Величина стабилизированного напряжения определяется на­ пряжением горения стабилитрона, применяемого в данной схеме стабилизации. Наиболее распространенные типы стабилитронов дают возможность получить стабилизированное напряжение 75, 90, 105 и 150 в.

коэффициент стабилизации, обеспечиваемый газовыми ста­ билизаторами напряжения, обычно заключен в пределах 10—30. Учитывая то, что в газовых стабилизаторах напряжения имеют место довольно значительные потери .энергии на ограничивающем сопротивлении, их применяют только при стабилизации неболь­ ших мощностей, когда не обязательно получение высокого к. п. д. стабилизирующего устройства.

2. Электронный стабилизатор напряжения

При относительно больших токах нагрузки применяются электронные стабилизаторы постоянного напряжения, основан­ ные на применении электронных ламп.

В отличие от газовых стабилизаторов напряжения электрон­ ные стабилизаторы позволяют получить более высокий коэффи­ циент стабилизации, больший к. п. д. и более широкий диапазон стабилизированного напряжения с плавным регулированием.

В электронных стабилизаторах напряжения стабилизация до­ стигается благодаря наличию в схеме элемента, контролирующе­ го уровень выходного напряжения. При этом, при всех возможных отклонениях величины выходного напряжения от заданного его значения независимо от того,происходит ли это за счет изменения напряжения на входе или за счет изменения тока на выходе ста­ билизатора, в действие вступает устройство, восстанавливающее заданное значение напряжения на выходе.

В электронных стабилизаторах напряжения роль регулирую­ щего органа выполняет электронная лампа, включаемая либо последовательно, либо параллельно нагрузочному сопротивле­ нию. Наиболее распространенными схемами электронных ста­ билизаторов напряжения являются схемы с последовательным включением в цепь нагрузки электронной лампы. Действие таких! электронных стабилизаторов тапряжения основано на свойстве электронной лампы изменять свое сопротивление при изменении выходного напряжения.

В результате обеспечивается постоянство выходного напря­ жения.

На рис. 5—3 представлена принципиальная схема электрон­ ного стабилизатора напряжения последовательного типа.

82

Ua

Рис. 5-3. Принципиальная схема электронного стабилизатора напряжения после­ довательного типа.

При подаче на вход стабилизатора постоянного напряже­ ния Uх в цепи лампы Л х возникает анодный ток, равный сумме тока нагрузки /н и тока 1и т. е. /0 = JH+ I t. При этом на управ­ ляющую сетку лампы будет подано отрицательное напряжение Uс. Величина напряжения на сетке лампы при данной схеме вклю­ чения определяется как разность между падением напряжения I lR l на сопротивлении R x делителя напряжения Rx— R2 и э. д. с.

и R2 делителя напряжения выбираются таким образом, чтобы при заданном установившемся значении стабилизируемого выходно­ го напряжения большая часть падения напряжения на сопротив­ лении JRJ была скомпенсирована э. д. с. источника Ес. В резуль­ тате этого сетка лампы относительно ее катода будет иметь не­ которое заданное отрицательное значение потенциала, причем схема строится таким образом, чтобы при малейшем изменении выходного напряжения, а следовательно, тока 1Х и падения на­ пряжения I xRi происходило относительно большое изменение отрицательного потенциала на сетке лампы.

Таким образом, напряжение на сетке оказывается пропорцио­ нальным напряжению на выходе стабилизирующего устройства, т. е. Uс = U2 = и ПРИ изменении напряжения на входе ста­ билизатора анодное напряжение и напряжение на управляющей сетке будут соответственно изменяться. Причем приращения этих напряжений будут противоположны по знаку, поскольку с ростом анодного напряжения сеточное напряжение становится более отрицательным, что приведет к возрастанию падения напряжения на лампе. При соответствующем подборе параметров схемы, можно получить такой режим, при котором изменение напря­ жения на входе AUt будет равно изменению напряжения на лампе АЦ,. и колебания напряжения питающей сети не будут приводить

83

к изменению напряжения на нагрузке, т. е. происходит стабилизация выходного напряжения. Стабилизация выходного напря­ жения происходит также и в случае изменения тока нагрузки 1Ю вследствие изменения сопротивления RH, при постоянном по ве­ личине напряжения 112 = const на входе. В этом случае изменение тока нагрузки приводит к изменению выходного напряжения U2,

При этом происходит изменение падения напряжения на сопро­ тивлении R l9 что приводит к изменению напряжения на управляю­ щей сетке регулирующей лампы, а следовательно, и к изменению падения напряжения на лампе. В результате напряжение на вы­ ходе остается почти неизменным. В схемах электронных стабили­ заторов напряжения последовательного типа на электронную лампу, как регулирующий орган воздействует изменение выход­ ного напряжения, поэтому независимо от того, что является при­ чиной этого изменения, АС/j или АЯы стабилизатор будет под­ держивать выходное напряжение практически неизменным.

В схемах электронных стабилизаторов постоянного напря­ жения изменения выходного напряжения AU2 обычно предвари­ тельно усиливаются. Этим достигается возможность управления рейдирующим органом (лампой) при очень малых изменениях напряжения на выходе и, следовательно, возможность поддер­ жания заданного напряжения с большой степенью точности.

Рис. 5-4. Схема стабилизатора напряжения с усилительной лампой.

Схема стабилизатора напряжения с дополнительной усили­ тельной лампой представлена на рис. 5—4. В качестве регулирую­ щей лампы Л 1, указанной в схеме, обычно применяется мощный

84

Таким образом, выходное напряжение получает одновремен­ но два противоположных изменения, которые в процессе работы стабилизатора в значительной мере компенсируют друг друга. В результате напряжение на выходе стабилизатора остается почти неизменным. Схема рассматриваемого стабилизатора с одной усилительной ступенью обеспечивает значение коэффициента стабилизации Кст= 200—250, а введение дополнительных усили­ тельных ступеней позволяет повысить коэффициент стабилиза­ ции в пределах до нескольких тысяч.

Стабилизаторы напряжения последовательного типа с управ­ лением со стороны выхода используются главным образом для питания анодных цепей усилителей и других электронных уст­ ройств, потребляющих относительно большой ток, порядка со­ тен миллиампер.

Для оценки качества работы стабилизаторов напряжения обычно снимаются две характеристики: характеристика стабили­ зации и нагрузочная характеристика. Характеристика стабили­ зации показывает зависимость напряжения на выходе стабили­ затора от напряжения на его входе при неизменном сопротивле­ нии нагрузки, т. е. U2 = fW i) при Кд = const (рис. 5—5а).

Рис. 5-5. Характеристики стабилизатора напряжения.

а— характеристика стабилизации;'

б— нагрузочная характеристика.

Как видно из характеристики стабилизации, с увеличением входного напряжения напряжение на выходе сначала пропорцио­ нально ему возрастает, затем при некотором значении входного напряжения дальнейший рост выходного напряжения прекра­ щается и на участке стабилизации оно остается почти неизмен­ ным. Отсутствие стабилизации на начальном участке характе­ ристики объясняется работой элементов схемы, в частности используемых в схеме ламп, в режиме, отличном от номинального. Нагрузочная характеристика показывает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при неизменном напряжении на

£6

входе стабилизатора, т. е. U2 = /(/н) при U, = const (рис. 5—56). Из нагрузочной характеристики видно, что при изменении на­ грузочного тока в пределах от нуля до некоторого его значения происходит стабилизация выходного напряжения. Однако при дальнейшем увеличении нагрузочного тока стабилизация нару­ шается (падающий участок характеристики). Нарушение ста­ билизации и в этом случае можно объяснить выходом элементов схемы из расчетных режимов работы.

§ 6. ЯС — ЦЕПИ

Многие электронные устройства содержат в своем составе электрические цепи, состоящие из активных и реактивных со­ противлений (простейшие электрические фильтры, колебательные контуры, трансформаторы и т. д.). Особенно широко используют­ ся в электронных и полупроводниковых усилителях, генераторах, выпрямителях и других устройствах промышленной электроники цепи, содержащие реактивные емкостные и активные сопротив­ ления т. н. ЯС-цепи. В общем случае любую электрическую цепь можно рассматривать как четырехполюсник1 (рис. 6—1), имею­ щий два входных зажима 1—1 и два выходных зажима 2—2.

При подаче на вход цепи ЯС, рассматриваемой как четырех­ полюсник, сложного сигнала тока, напряжения или э. д. с., про­ следить прохождение его по этой цепи представляется возможным1

1 Четырехполюсником называется любая электрическая цепь, имеющая два входных и два выходных зажима. В том случае, когда четырехполюсник не содер­ жит источников энергии, его называют пассивным, в противном случае — актив­ ным.

87

•При изучении прохождения гармонических сигналов через электрические цепи по частотной характеристике производится оценка амплитудных изменений, а по фазовой характеристике — оценка изменений фазы входного гармонического сигнала. За­ висимость коэффициента передачи цепи от частоты приводит к изменению и соотношения между амплитудами гармонических составляющих негармонического электрического сигнала при прохождении его через цепь с частотозависимыми сопротивле­ ниями. Это приводит к искажениям формы передаваемого сиг­ нала. Подобные искажения носят название частотных искажений.

Изменение фазовых соотношений в негармоническом сигнале при прохождении его через частотозависимые цепи также при­ водит к искажениям формы передаваемого сигнала (фазовые искажения). Как указано было выше, наибольшее распространение_в усилителях, генераторах, выпрямителях и др. электронных и полупроводниковых устройствах получили электрические цепи, включающие в себя активные и емкостные сопротивления. По­ добные цепи получили название ЯС-цепей.

Исследуем частотно-фазовые, частотные и фазовые характе­ ристики простейших JRC-цепей, при прохождении по ним гармони­ ческих сигналов.

Вначале рассмотрим ЯС-цепь, состоящую из конденсатора, обладающего емкостью С, включенного последовательно с ак­ тивным сопротивлением Я, для случая, когда выходной сигнал снимается с сопротивления Я (рис. 6—2). При подаче на вход такой цепи входного напряжения, комплексное значение которо­

При этом комплекс выходного напряжения может быть выражен через значение комплекса тока:

89