4 курс (заочка) / Лекции / Лекция 6

напряжения стабилизатора. Изменение выходного напряжения в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом

Рис. 6.5 Схема двухкаскадного

параметрического

стабилизатора . В свою очередь зависит от температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитрона αст, применяемого в схеме.

Для уменьшения γ в некоторых случаях применяют температурную омпенсацию, включая последовательно со стабилитроном термозависимые элементы или диоды. Температурный коэффициент напряжения этих элементов должен иметь знак, противоположный знаку температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитрона.

В схеме рис. 6.3 в качестве компенсирующего элемента используется обычный диод VDК или стабилитрон, включенный в прямом направлении.

Такая температурная компенсация применяется для стабилитронов, имеющих положительный температурный коэффициент. Температурный коэффициент напряжения диода или стабилитрона, включенного в прямом направлении,

отрицательный. При изменении окружающей температуры (например,

увеличении) напряжение на стабилитроне увеличивается, а на диоде падает, в

результате суммарное напряжение изменяется незначительно.

Рис. 6.6 Выходные характеристики полевого

транзистора

В случае, если необходимо получить большую точность стабилизации,

применяют многокаскадные схемы параметрических стабилизаторов или схемы мостового типа.

На рис. 6.5 представлена схема двухкаскадного параметрического стабилизатора. Выходной каскад стабилизатора, состоящий из стабилитрона

VD1, гасящего резистора RГ, питается от предварительного стабилизатора,

выполненного на стабилитронах VD2, VD3 и резистора RГ2.

Коэффициент стабилизации такой схемы равен произведению коэффициентов стабилизации первого и второго каскадов, т. е.

Выходное сопротивление схемы рис. 6.5 так же, как и в однокаскадном параметрическом стабилизаторе, приближенно равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона rст. Таким образом, применяя многокаскадные параметрические стабилизаторы, можно значительно повышать коэффициент стабилизации, однако стабильность выходного напряжения при изменении тока

нагрузки остается такой же, что и в однокаскадных схемах.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используются нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения,

приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор, выходные характеристики которого приведены на рис. 6.6. Такие выходные характеристики имеют полевые транзисторы с р-n -переходом и МОП-транзисторы обедненного типа.

Из характеристик видно, что если напряжение затвор-исток неизменно, то и ток стока полевого транзистора изменяется незначительно при изменении напряжения сток-исток.

Рис.6.8 Характеристики, поясняющие принцип действия параметрического стабилизатора тока:

а– при изменении входного напряжения;

б– при изменении сопротивления нагрузки;

Широкое распространение получила схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе, когда затвор и исток закорочены, т. е. Uзи = 0 (рис.

6.7). Полевой транзистор включен последовательно с сопротивлением нагрузки. На рис. 6.8, а изображены выходная характеристика полевого транзистора 1 и нагрузочные прямые 2 при различных значениях входного напряжения. Точки пересечения нагрузочных прямых с выходной характеристикой полевого транзистора определяют ток при минимальном и

максимальном значениях входного напряжения. Как видно из рис. 6.8, а, ток в цепи нагрузки изменяется незначительно в широком диапазоне изменения входного напряжения.

Рис. 6.7 Схема параметрического стабилизатора тока

Точки пересечения нагрузочных прямых с выходной характеристикой полевого транзистора определяют ток при минимальном и максимальном значениях входного напряжения. Как видно из рис. 6.8, а, ток цепи нагрузки изменяется незначительно в широком диапазоне изменения входного напряжения.

Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению для данной схемы

Кст.т = Uвх I Н / I НUвх (rдиф + RН )I Н /Uвх

где rдиф = ΔUСИ/ IC - дифференциальное сопротивление, определяемое из выходной характеристики полевого транзистора..

Изменение сопротивления нагрузки (рис 6.8, б) при постоянном входном напряжении приводит к изменению наклона нагрузочной прямой, при этом ток в цепи нагрузки изменяется незначительно. Изменение тока нагрузки при изменении сопротивления RН равно

I H = I H RH / rдиф

Выходное сопротивление стабилизатора тока приближенно равно дифференциальному сопротивлению полевого транзистора.

Недостаток данной схемы заключается в том, что из-за технологического разброса параметров полевых транзисторов значение стабилизируемого тока нельзя установить точно.

На полевом транзисторе можно построить регулируемый стабилизатор тока, включив в цепь истока резистор автоматического смешения (рис. 6.9).

Значение этого резистора выбирается по выходным характеристикам или по

постоянного напряжения для стабилизации входного тока. Стабилизатор тока включают вместо гасящего сопротивления, что дает возможность повысить коэффициент стабилизации. Схема такого параметрического стабилизатора напряжения представлена на рис. 6.10, а. На рис. 6.10, б приведены вольт-

амперные характеристики стабилитрона (кривая 1) и полевого транзистора

(кривая 2). Точка пересечения этих характеристик определяет выходное напряжение и ток стабилитрона.

При изменении входного напряжения входной ток, ток стабилитрона, а

следовательно, и выходное напряжение, изменяются незначительно.

Рис.6.10. Параметрический стабилизатор напряжения со стабилизатором тока:

а– схема

б- характеристики

Коэффициент стабилизации такой схемы можно определить из (6.1), заменив в этом выражении RГ на дифференциальное сопротивление полевого транзистора rдиф :

Внутреннее сопротивление стабилизатора так же, как и в схеме рис.6.3,

равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона.

Коэффициент полезного действия однокаскадных параметрических стабилизаторов напряжения (рис. 6.3 и 6.10) из-за потерь мощности в стабилитроне и гасящем резисторе или стабилизаторе тока невысок:

= U вых I Н

U вх (I H + Iст )

Следует отметить, что схема параметрического стабилизатора напряжения со стабилизатором тока вместо гасящего резистора имеет несколько больший КПД, так как она работает при меньших значениях входного напряжения.

6.3. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с

непрерывным регулированием

Наиболее широкое применение получили схемы непрерывных стабилизаторов напряжения с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента в цепи постоянного тока. .

В качестве основной элементной базы в стабилизаторах с непрерывным регулированием используют транзисторы и интегральные схемы в виде операционных усилителей. В настоящее время промышленность выпускает также маломощные непрерывные стабилизаторы напряжения в виде полупроводниковых микросхем.

На рис. 6.11 представлена схема транзисторного стабилизатора напряжения с последовательным включением регулирующего элемента. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1. Измерительный элемент состоит из сравнивающего делителя, выполненного на резисторах Rl, Rn, R2, и источника опорного напряжения. Источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD1, и

резисторе RГ1. Он питается от выходного напряжения стабилизатора.

Усилитель в схеме состоит из транзистора VТу и резистора Ry.

Принцип действия схемы заключается в следующем. При изменении входного напряжения Uвх например увеличении, в первый момент увеличивается выходное напряжение Uвых, что приводит к увеличению напряжения UR11 на нижнем плече делителя.

Напряжение UR11, сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD1

— Uonp. Увеличение напряжения UR11 приводит к увеличению положительного потенциала на базе транзистора VTy по отношению к его эмиттеру.

Увеличиваются токи базы и коллектора транзистора VTy и уменьшается положительный потенциал на базе регулирующего транзистора VTI

относительно его эмиттера.

Ток базы транзистора VTI уменьшается, что приводит к увеличению его напряжения коллектор-эмиттер. Напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до первоначального значения с определенной степенью точности.

В случае изменения тока нагрузки, например увеличения, выходное напряжение в первый момент уменьшается за счет увеличения падения напряжения коллектор-эмиттер транзистора VTI. Это вызывает уменьшение напряжения UR11, на нижнем плече делителя. Уменьшается положительный потенциал базы транзистора VTy, уменьшаются его базовый

и коллекторный токи. Ток базы транзистора VT1 увеличивается, а напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора UКЭ1 уменьшается. Выходное напряжение увеличивается до первоначального значения.

Регулировка выходного напряжения в схеме осуществляется потенциометром Rп. При перемещении движка потенциометра в направлении плюсовой шины стабилизатора увеличивается напряжение UR11, что приводит к увеличению токов базы и коллектора транзистора VTу. Ток базы транзистора

VT1 уменьшается, напряжение UКЭ1 увеличивается, а напряжение на выходе стабилизатора уменьшается. При перемещении движка потенциометра в сторону минусовой шины напряжение на выходе стабилизатора увеличивается.

Важнейшими качественными показателями стабилизатора, определяющими точность его работы в установившемся режиме, являются коэффициент стабилизации и внутреннее сопротивление.

Для определения указанных параметров схемы найдем приращение (ошибку)

выходного напряжения стабилизатора.

— сопротивление коллектора транзистора VTI в схеме с общим эмиттером; K1 —коэффициент усиления транзистора VTI по напряжению;

—приращение напряжения база—эмиттер транзистора VTI

Приращение напряжения UБЭ1 равно разности приращений напряжений на

Так как усилитель постоянного тока питается от изменяющегося напряжения, равного входному (Unу = Uвх ), то напряжения на коллекторе транзистора VТу будет изменяться как за счет изменения напряжения питания,

так и за счет приращения напряжения на его базе:

где rКу, Ку — сопротивление коллектора и коэффициент усиления по напряжению транзистора VТу в схеме с общим эмиттером; Uвх у —

приращение напряжения на входе усилителя постоянного тока; Unу -

приращение напряжения питания усилителя постоянного тока (Unу - Uвх).

Приращение напряжения на входе усилителя Uвх у можно определить из схемы рис.6.17. На рис. 6.17 изображена схема сравнения и усилитель постоянного тока стабилизатора. Стабилитрон VDI в схеме заменен эквивалентным источником с напряжением Uоn и внутренним сопротивлением,

равным дифференциальному сопротивлению стабилитрона.

Так как

то Uвх у = Uвых '- Uоn ’, где Rвх у - входное сопротивление усилителя постоянного тока;

= RH /(R1+ RH) - коэффициент передачи делителя; '= Rвх у /(Rвх у+ R1RH(R1+ RH)) –коэффициент, учитывающий влияние входного сопротивления усилителя на коэффициент передачи делителя.

Из (6.8) - (6.12) найдем приращение выходного напряжения в окончательном виде

− I Н rК1

(1 + K1 KУ '+K1 )

так как К1 ·КУ · ’ (1+К1), то