книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

ния, т. е. учитывать амплитуду пульсаций выпрямленно­ го напряжения.

Важным параметром стабилизатора напряжения яв­ ляется температурный коэффициент, определяющий из­ менение выходного напряжения с изменением темпера­ туры окружающей среды. У параметрических стабилиза­ торов он равен температурному коэффициенту применяе­ мых стабилитронов. Для уменьшения температурного Дрейфа стабилизаторов применяют специальные стаби­ литроны с малым температурным коэффициентом.

Кроме того, эффективным способом повышения тер­ мостабильности стабилизаторов является включение по­ следовательно с рабочим стабилитроном второго стаби­ литрона в прямой полярности, как показано на рис, 91, г. Поскольку температурные коэффициенты напряжения на стабилитроне имеют разные знаки при прямом и об­ ратном включении, суммарный температурный коэффи­ циент уменьшается.

Основными недостатками стабилизаторов параметри­ ческого типа следует считать малый коэффициент стаби­ лизации (10—30), невысокую выходную мощность, низ­ кий КПД, невозможность регулирования выходного на­ пряжения. Эти недостатки в значительной степени устра­ няются в стабилизаторах компенсационного типа.

§ 3. Компенсационные стабилизаторы напряжения

Принципиальная схема транзисторного стабилизато­ ра компенсационного типа показана на рис. 92. В схему компенсационного стабилизатора входят измерительный элемент, усилитель и исполнительный элемент.

Измерительный элемент стабилизатора представляет собой нелинейную мостовую схему, два плеча которой образует делитель напряжения R3, а два других — ре­ зистор R2 и стабилитрон Д\. В одну диагональ моста по­

тельный элемент стабилизатора представляет собой од­ нокаскадный усилитель постоянного тока и состоит из транзистора Т2 и резистора нагрузки R ь Исполнитель­ ным элементом является транзистор Ть включенный по­ следовательно с нагрузкой.

2 2 1

Рис. 92. Компенсационный стабилизатор н.т’пяжения

Б поминальном режиме работы напряжение, снимае­ мое с делителя в выходной цепи £/д, незначительно пре­ вышает напряжение стабилитрона t/CT. К переходу эмиттер—-база транзистора Т2 прикладывается разность этих напряжений, и в базовой цепи транзистора возника­ ет некоторый ток базы /б2. Под действием этого тока в цепи коллектора также протекает некоторый ток / к2Этот ток, протекая через резистор R создает на нем па­ дение напряжения с полярностью, указанной на рис. 92.

В номинальном режиме работы падение напряжения на резисторе R х несколько меньше, чем напряжение кол­ лектор—эмиттер транзистора Ть В результате этого к пе­

ние тока через коллектор транзистора Т\. Этот ток, про­ текая через сопротивление нагрузки, создает на нем вы­ ходное напряжение Нвых.

Если по какой-либо причине (например, вследствие увеличения сопротивления нагрузки) выходное напря­ жение стабилизатора увеличится, одновременно с этим увеличится напряжение, снимаемое с делителя (Уд. Это вызовет увеличение базового и коллекторного токов транзистора Т2, а следовательно, и падения напряжения на резисторе R\. В результате уменьшится напряжение база—эмиттер транзистора Т\, что приведет к уменьше­

2 2 2

нию базового и коллекторного токов этого транзистора. Уменьшение тока коллектора транзистора Т2 приводит к уменьшению падения напряжения на нагрузке, т. е. к восстановлению уровня выходного напряжения. Таким же образом можно проследить реакцию схемы и на уменьшение выходного напряжения.

Для расчета стабилизатора задаются пределами из­ менения напряжения питания U„. мш и £/„. макс, предела­ ми изменения тока нагрузки /„. и /„. маКс, а также ве­ личиной выходного напряжения стабилизатора. При ра­ счете компенсационного стабилизатора наиболее ответ­ ственной задачей является выбор регулирующего тран­ зистора Т\. Во время работы стабилизатора в этом тран­ зисторе выделяется значительная тепловая энергия, ко­ торая может привести к перегреву и разрушению тран­ зистора при неправильном расчете схемы. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, определяется как произве­ дение напряжения коллектор—эмиттер транзистора па коллекторный ток. Рассчитывают транзистор на наиболее

Максимальное напряжение коллектор—эмиттер опре­ деляют как разность между максимальным напряжением питания и номинальным выходным напряжением:

Максимальный ток коллектора принимают равным максимальному току нагрузки:

По величине рассеиваемой мощности, а также в со­ ответствии с найденными значениями 7/к. э. макс и / к. маКс выбирают тип регулирующего транзистора и способ его охлаждения. Как правило, регулирующий транзистор устанавливают на радиаторе с большой охлаждающей поверхностью. Если рассеиваемая мощность оказывается

2 2 3

настолько большой, что подобрать соответствующий транзистор невозможно ( Р К 1 м а к с > 3 0 Вт), в качестве ис­ полнительного элемента применяют несколько транзи­ сторов, соединенных параллельно.

После выбора регулирующего транзистора определя­ ют значения его базового тока в предельных режимах:

?1

Сопротивление резистора R i выбирают таким, чтобы обеспечивалось протекание максимального тока базы транзистора Т2 при минимальном напряжении коллек­ тор—эмиттер этого транзистора. В этом режиме через резистор R 1 должен протекать также минимальный кол­ лекторный ток транзистора Т\\

лах 1—10 мА.

При выборе транзистора Т2 определяют максималь­ ные значения его коллекторного тока, напряжения кол­ лектор—эмиттер и рассеиваемой мощности.

Максимальный коллекторный ток транзистора Т2 дол­

2 2 4

где U„ напряжение стабилитрона Д\ выбирается в пределах

U„ = (0,5-0,7) 6U*.

Максимальную мощность, выделяемую в транзисторе ТУ определяют из выражения:

По найденным величинам выбирают тип транзистора

7 2-

Для расчета измерительного звена определяют мак­ симальное значение базового тока транзистора 7У

Стабилитрон Д х выбирают в соответствии с напряже­ нием U„. Максимально допустимый ток стабилитрона не должен быть меньше максимального тока транзисто­ ра 7У

Резистор R2 служит для создания тока в стабилитро­ не при минимальном значении коллекторного тока тран­ зистора ТУ Если минимальный коллекторный ток тран­ зистора Т2 выбран больше, чем минимальный ток стаби­ лизации стабилитрона, надобность в установке резистора

R2 отпадает.

Сопротивление делителя выбирают таким образом, чтобы ток делителя на порядок превышал максимальный ток базы транзистора Т2:

ю/«,,

Изменяя положение рукоятки переменного резистора R3, можно плавно регулировать величину выходного на­ пряжения стабилизатора.

Стабилизатор напряжения, собранный по схеме рис. 92, обладает сравнительно низким коэффициентом ста­ билизации (около 30). Для повышения коэффициента стабилизации следует увеличивать число каскадов уси­ лителя или применять питание усилительного каскада от отдельного маломощного источника стабилизирующе­ го напряжения.

Г Л А В А IX

Тр а н з и с т о р н ы е п р е о б р а з о в а т е л и

на п р я ж е н и я

Преобразователями напряжения называются устройства, служащие для преобразования постоянного напряжения в переменное или в постоянное напряжение другой величины.

В настоящее время на морских судах для этой цели широко применяются электромашинные преобразовате­ ли, представляющие собой две спаренные на одном валу электрические машины ■— двигатель и генератор. Такие преобразователи имеют сравнительно низкий КПД и требуют постоянного ухода за коллекторными узлами и подшипниками электрических машин. Так как в мор­ ских условиях суда подвержены постоянной качке, в мас­ сивных роторах электрических машин развиваются зна­ чительные гироскопические моменты, что приводит к по­ вышенным нагрузкам на подшипники и сокращает срок их службы.

Этих недостатков лишены полупроводниковые стати­ ческие преобразователи. Обладая значительно более вы­ сокими КПД, они практически не требуют ухода и по­ этому являются перспективными устройствами для при­ менения на морских судах.

§ 1. Принцип действия статических преобразователей напряжения

Принцип действия статических преобразователей за­ ключается в использовании полупроводниковых пере­ ключателей для коммутации первичного постоянного напряжения. Работа такого преобразователя поясняется на рис. 93. Силовой трансформатор преобразователя име­ ет первичную обмотку со средним выводом. Средняя точка первичной обмотки соединяется с одним из выво­ дов источника питания.

2 2 7

Рис, 93. Принцип действия преобразователя напряжения

Крайние точки первичной обмотки соединяются с дру­ гим выводом источника питания через ключи К\ и Кг-

Ключи К\ и Кг синхронно переключаются, причем, когда ключ К\ замкнут, Кг разомкнут, и наоборот. Не­ трудно видеть, что напряжение на первичной обмотке меняет периодически свою полярность, т. е. является пе­ ременным. Со вторичной обмотки трансформатора сни­ мается также переменное напряжение, которое подается в нагрузку преобразователя.

Описанное устройство, использующее механические контакты, называется вибропреобразователем и широко используется в системах автоматики. Если вместо меха­ нических контактов применить полупроводниковые клю­ чи, получится преобразователь, не имеющий подвижных частей. Такие преобразователи называют статическими. В качестве полупроводниковых ключей могут быть

схема преобразователя с транзисторными ключами. По своему принципу действия она ничем не отличается от схемы, изображенной на рис. 93. Единственное ее отли­ чие состоит в том, что механические синхронные ключи К\ и Кг заменены транзисторами Т\ и 7V Для синхронно­ го переключения транзисторов используется перемен­ ное коммутирующее напряжение, которое через управ­ ляющий трансформатор Тр% подается в базовые цепи транзисторов. Такая схема преобразователя называется схемой с внешним коммутирующим напряжением. Ча-

2 2 8

Рис. 94. Преобразователь напряжения с внешним возбуждением

стота выходного напряжения в этой схеме равна частоте управляющего напряжения.

На рис. 95 показаны графики электрических процес­ сов в схеме транзисторного статического преобразовате­ ля с внешним возбуждением. В зависимости от мгновен­ ного значения коммутирующего напряжения один из транзисторов открыт, а другой закрыт. Через открытый транзистор положительный полюс источника питания подключается к одной из первичных обмоток трансфор­ матора.

Вследствие этого напряжение первичных обмоток имеет вид прямоугольных разнополярных импульсов. Это напряжение трансформируется во вторичную обмот­ ку и подается на нагрузку.

Другим вариантом схемы преобразователя является так называемая мостовая схема. В этой схеме первичная обмотка трансформатора коммутируется не двумя, а че­ тырьмя транзисторными ключами.

Как и в двухтактной схеме, транзисторные ключи в ней переключаются с помощью источника Коммутирую­ щего напряжения. Мостовая схема обладает рядом пре­ имуществ перед двухтактной. Вот важнейшие из них: максимальное напряжение на закрытом транзисторе в мостовой схеме равно напряжению питания, т. е. вдвое меньше, чем в двухтактной схеме; габариты трансформа­ тора меньше, чем в двухтактной схеме, поскольку транс­ форматор имеет одну первичную обмотку, а не две; при­ меняя два синхронных коммутирующих источника

2 2 9

Рис. 95. Электрические процессы в преобразовате­ ле напряжения