Стабилизатор напряжения.

В ряде случаев обеспечения потребителей постоянным напряженнем ставится задача стабилизации этого напряжения. Без стабилизации напряжение на нагрузке полностью содержит относительные изменения направления питающей сети, считается при увеличении потребляемого нагрузкой тока и может содержать пульсации. Стабилизация уменьшает как изменения Uнср пульсации до весьма малых значений.

С хемы полупроводниковых стабилизаторов выполняются на основе использования стабилитрона. Стабилитрон – это кремниевый диод c определенной технологией изготовления р-n –перехода. Его ВАХ имеет участок стабильного напряжения (рис.14). Параметрами стабилитрона являются: стабилизация напряжения (от единиц вольт до 180 В), минимальный и максимальный ток стабилизации; допустимая мощность, выделяемая на стабилитроне в режиме на ветви стабилизации. Непараллельность ветви стабилизации ВАХ по отношению к оси тока определяется дифференциальным сопротивлением весьма малого значения. Для прямого тока и напряжения стабилитрон обладает ВАХ обычного маломощного кремниевого диода.

О бозначение стабилитрона на схемах.

Рис.14                                              Рис.15

Одним из типов стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рис.15). В схеме стабилитрон, рабочий режим которого выбран на ветви стабилизации его MX. Сопротивление нагрузки Rн подключается к входным клеммам стабилизатора, т.е. параллельно стабилизатору. Напряжение Rн  является напряжением на стабилитроне. Из-за малого значения дифференциального сопротивления оно мало меняется при изменении режима. Разность входного напряжения и стабилизированного напряжения на нагрузке падает на резисторе R1 .

Количественно стабилизирующие свойства выясняются применением графоаналитического метода расчета цепей с нелинейными элементами. Анализируемая cxeмa на рис.16 разделяется на линейную часть и нелинейный элемент.

Рис.16

Изменения R_н не повлияют на положение точки 2. Координаты же точки 1 будут различными. В режиме холостого хода стабилизатора. В режиме номинальной нагрузки стабилизатора, например, при R_н=R₁ координата Uab=0,5 Uвх (точка 1'). Кок видно из графического построения, принятый диапазон изменения тока вызовет незначительное изменение напряжения на стабилитроне.

Стабилизация напряжения на нагрузке при нестабильности входного напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации:

При этом ΔU_вх может быть как случайным изменением входного напряжения, так и пульсациями.

Используя параметрический стабилизатор, трудно получить коэффициент стабилизации более 5-6. Лучшими стабилизирующими свойствами обладают стабилизаторы с более сложными схемами.

Полупроводниковые стабилизаторы, как правило, применяются для получения стабильного напряжения питания электронных и измерительных устройств сравнительно небольшой мощности до десятков ватт.

Внешняя характеристика выпрямителя. Каждый источник электроэнергии характеризуется внешней характеристикой – зависимостью напряжения на его выходных клеммах от тока нагрузки. Для выпрямителя она формируется для постоянных составляющих,

Эта характеристика показывает напряжение в режиме холостого хода выпрямителя и степень его снижения под нагрузкой (рис.17).

Рис.17

При анализе работы каждой из схем выпрямления коэффициенты связи U_нср и U_2T, равные 0,45; 0,9 и 1,35, были получены без учета сопротивлений элементов схемы, образующих внутреннее сопротивление выпрямителя. Поэтому они справедливы для режима холостого хода. Под нагрузкой при номинальном токе в устройствах средней и небольшой мощности это напряжение снижается на 10…15%.

Подключение емкостного фильтра увеличивает значение U_нср в режиме холостого хода до I,4. С ростом тока нагрузки появляются и увеличиваются пульсации, связанные с увеличением степени разряда конденсатора при сохранении амплитуды. Поэтому среднее значение  U_нср достаточно быстро снижается. Внешняя характеристика мягкая. Наклон ее зависит от величины пульсаций при номинальном токе, т.е. от выбранной емкости конденсатора.

Подключение индуктивного фильтра увеличивает наклон внешней характеристики за счет увеличения внедренного сопротивления выпрямителя.

Подключение к выпрямителю стабилизатора делает напряжение на нагрузке стабильным. Внешняя характеристика становится жесткой с малым наклоном. Соответствующий анализ выполнен ранее и показан на рис.16. Как видно из построений на этом рисунке, применение стабилизатора позволяет получить стабильное напряжение на нагрузке только при значительно большем входном напряжении. Поэтому при исследовании внешних характеристик на лабораторном стенде подключение стабилизатора существенно снижает величину напряжения на нагрузке.

.

Рассмотрим подробнее условия применения биполярных транзисторов в схемах усилителей. 

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы - дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим (см. следующий рисунок) напряжение между базой и эмиттером V_BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE - 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет "дотянуться" своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький - от базы к эмиттеру I_BE, и большой - от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P собереться еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняеться ток коллектора I_С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.