10.3. Транзисторные стабилизаторы напряжения

Так как выходное напряжение выпрямителей имеет не постоянное значение, а пульсирует с частотой или двойной частотой исходного переменного тока, его нежелательно применять для питания электронных приборов. Кроме пульсации напряжения величиной в несколько вольт, выходное напряжение зависит от колебаний исходного напряжения (напряжения сети) и величины тока нагрузки. Ёмкости конденсаторов фильтра не могут быть бесконечно большими, поэтому для уменьшения влияния перечисленных факторов применяют электронные стабилизаторы напряжения. В аналоговой технике обычно последовательно с нагрузкой включают элемент с регулируемым сопротивлением. Такой способ называется последовательной стабилизацией напряжения.

10.3.1. Простой последовательный стабилизатор

Простейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель [7]. База стабилизирующего транзистора подключена к источнику опорного напряжения. Опорное напряжение может быть получено с помощью параметрического стабилизатора, выполненного на стабилитроне. Благодаря отрицательной обратной связи, имеющейся в схеме эмиттерного повторителя выходное напряжение стабилизатора устанавливается, в соответствие с рис. 10.9, равным величине

U_ВЫХ = U_ОП – U_БЭ.

Рис. 10.9. Последовательный транзисторный стабилизатор.

Величина изменения выходного напряжения при изменении тока нагрузки определяется выходным сопротивлением стабилизатора

При температурном изменении выходного напряжения ≈ 26 мВ и токе нагрузки I_ВЫХ = 100мА выходное сопротивление 0,3 Ома.

Колебания выходного напряжения сглаживаются благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона r_Z. Изменение выходного напряжения составляет

.

Величина ∆U_ВХ/∆U_ВЫХ = R₁/r_Z называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на рис. 10.9 коэффициент стабилизации имеет величину 10÷100.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то используют часть опорного напряжения, снимаемую с движка потенциометра R₂, как показано, на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Регулируемый стабилизатор напряжения.

Сопротивление потенциометра должно быть мало по отношении к величине r_БЭ, чтобы его включение не вызывало повышение выходного сопротивления стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Наряду с аналоговыми стабилизаторами напряжения применяют импульсные стабилизаторы. Импульсные стабилизаторы напряжения позволяют получить более высокий коэффициент полезного действия, чем аналоговые стабилизаторы. Они также имеют меньшие геометрические размеры.

Принцип действия таких стабилизаторов заключается в изменении частоты или длительности импульсов, используемых для заряда выходного конденсатора стабилизатора. Входное напряжение переменного тока без трансформатора подаётся на диодный мостик. Полученное напряжение переменного тока с помощью электронного переключателя превращается в последовательность импульсов. Для управления переключателем служит генератор импульсов, длительность или частота которых зависит от величины выходного напряжения стабилизатора.

Вопросы для самопроверки

70. Какое устройство называется стабилизатором напряжения?

71. Нарисуйте схему параметрического стабилизатора напряжения и ВАХ стабилитрона.

72. Что вызывает изменения выходного напряжения выпрямителя.

73. Нарисуйте схему простого последовательного стабилизатора напряжения.

74. Что называется коэффициентом стабилизации?

75. Нарисуйте регулируемый стабилизатор напряжения.

76. Опишите принцип действия импульсных стабилизаторов напряжения

11. Усилительные устройства с транзисторами

Электронными усилителями называют устройства, осуществляющие увеличение значения одного или нескольких параметров входного электрического сигнала. Усиливаться могут ток, напряжение или мощность. Усиление происходит за счёт энергии источника питания. Энергия источника питания преобразуется в энергию выходного сигнала.

Преобразование энергии происходит под управлением входного сигнала, который и определяет закон этого преобразования. Процесс преобразования осуществляется с помощью управляемого нелинейного элемента.

Действие усилителя заключается в обеспечении условий (технических средств и их режимов), благодаря которым сигнал небольшой мощности управляет изменением значительно большего сигнала в выходной цепи усилителя.

Транзисторные усилители выполняются на основе биполярных и полевых транзисторов.

Классификация усилителей осуществляется по нескольким признакам.

По усиливаемому параметру различают усилители напряжения тока и мощности. Эта классификация отражает назначение усилителя. Усиление по току или напряжению всегда сопровождается усилением мощности.

По виду усиливаемого сигнала различают усилители гармонических³³ и импульсных сигналов. Для усиления гармонических сигналов применяют усилители, длительности переходных процессов в которых много меньше, чем время изменения входных сигналов.

Усилители импульсных сигналов не должны вносит искажения в исходную форму усиливаемых сигналов.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного и переменного тока. Усилитель переменного тока усиливает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, от нижней частоты f_н до верхней f_В. Усилители постоянного тока усиливают входной сигнал, начиная от нулевой частоты до некоторой высокой.

К группе усилителей переменного тока относятся несколько подгрупп.

УНЧ – усилители низкой частоты. Диапазон частот усиливаемых этими усилителями простирается от единиц герц до сотен килогерц.

УВЧ – усилители высокой частоты с диапазоном от сотен килогерц до сотен мегагерц.

ШПУ – широкополосные усилители с диапазоном от десятков герц до сотен мегагерц.

РЕЗОНАНСНЫЕ усилители, часто называемые избирательными, усиливают сигналы в узком диапазоне частот.

Параметры и характеристики усилителей

Основным показателем усилителя является коэффициент усиления, определяемый как отношение величины выходного сигнала к входному. Различают коэффициенты усиления по току: K_I = ∆I₂/∆I₁;

по мощности: K_p = ∆P₂/∆P₁;

по напряжению: K_U = ∆U₂/∆U₁.

Для получения большого коэффициента усиления надо последовательно (каскад за каскадом) соединить несколько усилителей. При этом общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления этих усилителей.

Коэффициенты усиления являются комплексными величинами, то есть, не только численно отражают изменение сигнала, но и фазовые искажения.

Для упрощения расчётов и построения графиков применяют логарифмические единицы для выражения коэффициента усиления.

Полоса пропускания усилителя определяет диапазон рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления по напряжению не снижается ниже значения 1/√2 от своего максимального значения. При измерении коэффициента усиления в децибелах, это граничные значения полосы пропускания соответствуют снижению коэффициента усиления на 3 дб.

Комплексные входное и выходное сопротивления определяются следующим образом:

Z_ВХ(ω) = U_ВХ(ω)/I_ВХ(ω), при R_H=Const,

Z_ВЫХ=[U_{ВЫХ X.X}(ω) - U_ВЫХ(ω)]/I_ВЫХ(ω).

Если достаточно знать только активные составляющие входного и выходного сопротивлений, то они записываются следующим образом:

R_ВХ = U_ВХ/I_ВХ , при R_Н = Const_;

R_ВЫХ = (U_{ВЫХ X.X} -U_ВЫХ )/I_ВЫХ .

Выходная мощность усилителя выделяется на нагрузке. Если нагрузка активная, то .

В вышеприведённых выражениях U_{ВЫХ X.X} - выходное напряжение холостого хода, а R_H – активная составляющая сопротивления нагрузки.