книги / Физические основы электроники
..pdfВ чувствительном элементе выходное напряжение срав нивается с эталонным (опорным) напряжением. При номи нальном выходном напряжении напряжение на выходе чувст вительного элемента равно нулю. Если же выходное напря жение отклонилось от своего номинального значения, с выхо да чувствительного элемента на усилительный элемент будет подаваться управляющее напряжение, равное разности двух напряжений: эталонного и выходного. Эта разность будет тем больше, чем сильнее отклонилось выходное напряжение от номинала. После усиления управляющее напряжение воздей ствует на исполнительный элемент так, что при этом компен сируются происшедшие изменения выходного напряжения.
Основным показателем, характеризующим работу стаби лизатора, является коэффициент стабилизации, показываю щий во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора меньше относительного изменения на пряжения на его входе:
Кст = AU* |
АI/, |
(7.77) |
и„ |
U |
|
где иВх и 11ьш — напряжения на входе и выходе; AUB%и Д £ /Вых
— изменения напряжений на входе и выходе.
Выходное сопротивление стабилизатора по постоянному
току определяется по формуле: |
|
V, |
(7.78) |
7?выт.пост — — 5SS- ; /вых — h нагр. |
|
L |
|
Выходное сопротивление по переменному току |
|
А!/.„ |
(7.79) |
R вых.пер |
|
А/. |
|
Коэффициент полезного действия определяется по фор |
|
муле |
|
Л = ^вьгс^н.макс |
(7.80) |
и„1п |
|
Желательно, чтобы /?Вых.пост и ЛВых.пер имели небольшую величину.
Рассмотрим работу стабилизатора на транзисторах (рис. 7.39). Различают схемы с последовательным и параллельным включением регулирующего транзистора.
Напряжение между базой и эмиттером транзистора Тг равно разности напряжений:
1/эбт2 —Ul вых “ Uon- |
(7.81) |
Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке воз растает, то увеличивается напряжение Ui Вых, которое прило жено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзи стора Тг. Вследствие этого увеличивается коллекторный ток Тг, который создает на сопротивлении R A падение напряже ния, которое по полярности является обратным для эмиттерного перехода Т\. Эмиттерный и коллекторный токи этою транзистора уменьшатся, что приведет к восстановлению но минального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменение токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Конденсатор С\ служит для улучшения сглаживания пуль саций напряжения на выходе.
Для обеспечения правильной работы транзистора Тг должно выполняться неравенство: Uoa < 11гвых.
■ ////////////////////////////////////////////////////////л |
|
Т„ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Усилитель |
посто |
|
|
|
||
янного |
тока |
выпол |
|
|
|
|
нен на транзисторе Тг |
|
|
|
|||
и резисторе R A. Тран |
|
|
|
|||
зистор |
|
Тг |
должен |
'Т, |
|
|
иметь |
большое уси |
ьП |
* 0 |
|||
ление по |
току. Регу |
<3 |
||||
|
|
|
||||
лирующим элементом |
к |
|
|
|||
является |
транзистор |
|
|
|||
|
|
|
||||
Т\. Допустимый ток коллектора транзистора Т\ |
должен быть |
больше тока нагрузки стабилизатора. При больших токах нагрузки ток базы транзистора Т\ может значительно превы шать допустимое значение коллекторного тока h i транзисто ра Тг. В таких случаях для согласования величин h \ и /кг регу лирующий транзистор выполнен составным (рис. 7.40).
В составном транзисторе ток базы 7п является током коллектора Тп, ток базы которого, в свою очередь, является коллекторным током транзистора Тп. Включая соответст вующее количество транзисторов, можно получить ток базы последнего транзистора равным допустимому току коллекто ра транзистора Тг. Таким образом, составные транзисторы служат для увеличения входного сопротивления регулирую щего элемента схемы.
В схеме составного транзистора включены резисторы Rs и Re, обеспечивающие увеличение тока в цепях эмиттеров (подпитку) транзисторов Тп и Тп. Это вызвано тем, что при повышенной температуре перехода коллектор—эмиттер об ратный ток коллектора /ко увеличивается на столько, что при малых нагрузках суммарный ток базы транзистора Ти (а сле довательно, и эмиттерный ток Тп) может стать равным нулю, что приведет к срыву стабилизации. В результате этого рабо та схемы стабилизатора будет нарушена.
Для получения высоких выходных напряжений, при кото рых напряжение коллектор—эмиттер транзистора Т\ превы шает предельно допустимое, применяют последовательное включение регулирующих транзисторов (рис. 7.41).
V /////////////////////////////////////////////////////M
Рассмотрим важ ные соотношения для схемы на рис. 7.39:
(Лбт2= Ulвых—1/оп—
—Ctt/вых —Uon,
(7.82)
|
|
U, |
|
где а |
= |
2вых |
|
и а |
|||
|
|
||
— коэффициент деления делителя. |
|
|
|
+ i?2 |
|
|
|
f/вх = i/sKTl + t/вых,’ |
|
(7.83) |
|
t/вых ~ f/on "Ь UJKTI + t/эбтЬ |
|
(7.84) |
Коэффициент усиления по напряжению регулирующего и усилительного транзисторов:
|
К и. = |
|
(7.85) |
|
|
|
А (7,бк1 |
|
|
рг |
— Д^эк2 |
Д/зк2 |
7?к —SIR K, |
(7.86) |
“J |
At/, |
Д ^эб2 |
||
|
' эб2 |
|
|
где Si ■ -крутизна регулирующего транзистора;
О_ |
°.5{/эк1.минР| |
, |
(7.87) |
л« — |
------ ;--------- |
где Pi — коэффициент усиления по току транзистора 7ь Можно записать следующее:
А ТЛб2 — а |
А1/вых; |
(7.88) |
|
A f/вх — AUjKt |
+ |
AUbbtx] |
(7.89) |
A t/вых = А 77эк2 + |
АС/Эб1. |
(7.90) |
Подставив в (7.77) уравнения (7.88)—(7.90) и сделав пре образования, получим:
Кст„ = (1 + а К щК щ) ^ - . |
(7.91) |
|
|
Uвх |
|
Учитывая, что а К щК щ » |
1, получаем: |
|
К , „ |
¥ fS - . |
(7.92) |
|
V вх |
|
Коэффициент стабилизации схемы по току в значитель ной мере зависит от коэффициента усиления по току Pi регу лирующего транзистора Т\.
Транзисторный стабилизатор с однокаскадным УПТ, вы полненный по приведенной схеме может обеспечить величину Кет„ = 50-80. Если требуется получить большие значения Кст, в схему вводят дополнительный источник, предназначенный для питания усилителя постоянного тока Тг, или применяют многокаскадные усилители. В качестве дополнительного ис точника используется параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне Di (рис. 7.42).
При повышенных требованиях к температурной и вре менной стабилизации выходного напряжения стабилизатора первый каскад усилителя, оказывающий наибольшее влияние на изменение выходного напряжения, выполняют по диффере-
нциальной схеме и применяют методы термокомпенсации изменений напряжения опорного элемента (стабилитрона).
Рассмотрим схему стабилизации с параллельным включе нием регулирующего транзистора (рис. 7.43).
Схемы этого типа применяются для получения низких на пряжений. Схема содержит составной транзистор Т\, балла стное сопротивление Re и вспомогательный источник эта лонного напряжения, состоящий из стабилитрона D и рези стора Яз. При увеличении выходного напряжения вследствие уменьшения тока нагрузки или увеличения входного напря жения увеличивается напряжение эмиттер—база U3е\ составно го транзистора, его ток коллектора hi и возрастает падение напряжения на резисторе Re. В результате изменения напря жения на резисторе Re выходное напряжение стабилизатора остается практически неизменным.
Ключевые стабилизаторы напряжения. Особенность рас смотренных выше транзисторных стабилизаторов напряже ния заключается в том, что выходные напряжения их всегда меньше входных на величину падения напряжения на регули рующем элементе, который работает в линейном усилитель ном режиме и под действием схемы обратной связи непре рывно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимо сти от изменения входного напряжения или тока нагрузки.
КПД стабилизаторов мал (0,5-0,7), так как на регулирующем элементе рассеивается значительная мощность. Для уменьше ния температуры коллекторного перехода регулирующих тран зисторов применяются радиаторы, значительно увеличиваю щие массу и габариты устройств электропитания.
Эти недостатки в меньшей мере проявляются в полупро водниковых ключевых (или импульсных) стабилизаторах на пряжения, у которых регулирующий элемент (транзистор или тиристор) работает в режиме переключений, находясь пооче редно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии. Источник питания стабилизатора (выпрямитель) при помощи регулирующего элемента периодически подклю чается к нагрузке. При открытом состоянии регулирующий элемент проводит ток, а при закрытом — не проводит. Вели чина выходного напряжения зависит от соотношения дли тельности открытого и закрытого состояния регулирующего элемента, т.е. от скважности его управляющих импульсов ©. Коэффициент заполнения импульсов у — величина обратная скважности:
т
0 = - ; (7.93) 'н
1
(7.94)
т = 5-
где Т — период повторения или следования импульсов; ги — длительность импульса.
Управление скважностью импульсов осуществляется схе мой отрицательной обратной связи таким образом, что при увеличении входного напряжения питания время открытого состояния регулирующего элемента уменьшается, а при умень шении входного напряжения питания увеличивается настоль ко, что выходное напряжение стабилизатора остается почти неизменным (с заданной степенью точности).
Частота переключения регулирующего элемента выбира ется достаточно высокой (1-5 кГц и выше), и поэтому сгла живание пульсаций выходного напряжения производится ма логабаритным фильтром, включенным после регулирующего элемента. Так как потери мощности в регулирующем элемен
те, работающем в режиме переключений, незначительны, то КПД ключевых стабилизаторов достигает 0,85-0,92.
Рассмотрим простейшую практическую схему ключевого транзисторного стабилизатора постоянного напряжения (рис. 7.44).
Переключение регулирующего транзистора Ti осуществ ляется с помощью транзистора Тг и включенного в его базу конденсатора С\.
Сигнал на базу управляющего транзистора Тг подается от усилительного транзистора 7з, база которого подсоединена к измерительному органу — выходному делителю Rs—Ri, а эмиттер подключен к источнику эталонного напряжения — стабилитрону Di.
При включении входного напряжения питания открыва ются транзисторы Тг и 7з и конденсатор Ci заряжается базо вым током транзистора Тг. Регулирующий транзистор Т\ при этом закрыт. Повышение напряжения на конденсаторе С\ при его заряде приводит к запиранию транзисторов Тг и Тг и от крыванию регулирующего транзистора Т\.
Так как положительный потенциал от конденсатора Ci подается на базу транзистора Тг, то последний остается закры
тие. 7.44
тым до тех пор, пока С\ не разрядится. Далее цикл переклю чений повторяется. При увеличении входного напряжения время заряда конденсатора С\ уменьшается и частота пере ключения возрастает, а при уменьшении входного напряже ния время заряда конденсатора С\ увеличивается, а частота переключения регулирующего транзистора уменьшается.
Хотя ключевые полупроводниковые стабилизаторы на пряжения значительно экономичнее линейных, им присущи некоторые недостатки: повышенное значение пульсации вы ходного напряжения и большое динамическое внутреннее сопротивление. Это определяет их область применения. Они применяются в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются ма лые габариты, но допускаются значительные пульсации вы ходного напряжения.
Контрольные вопросы
1.Особенности работы однофазного однополупериодного выпрямителя.
2.Перечислите преимущества и недостатки однополупериодной схе мы, область применения.
3.Работа двухполупериодной однофазной схемы со средней точкой и мостовой схемы. Преимущества и недостатки этих схем.
4.Напишите основные соотношения, характеризующие работу вы прямителя.
5.Назначение сглаживающих фильтров и их классификация.
6.Физическая сущность работы сглаживающих фильтров.
7.Какие особенности в работе выпрямителя при активно-емкостной нагрузке?
8.Работа выпрямителя на нагрузку с активно-индуктивной реакцией.
9.В каких случаях используются выпрямительные схемы с умножени ем напряжения?
10.Поясните принцип работы двухполупериодной схемы выпрямите ля с удвоением напряжения.
11.Перечислите особенности работы трехфазных выпрямителей.
12.Напишите основные соотношения трехфазной схемы с нулевым выводом.
13.Особенности работы трехфазной мостовой схемы выпрямителя (схемы Ларионова).
14.Напишите основные соотношения, характеризующие ее работу.
15.Перечислите преимущества схемы Ларионова перед простой трех фазной схемой.
16.Перечислите области применения управляемых выпрямителей.
17.Поясните, какой принцип управления выпрямленным напряжени ем заложен в управляемые выпрямители?
18.Поясните работу фазовращающего устройства «вертикального уп
равления».
19.Начертите схему и расскажите о работе трехфазного управляемого выпрямителя.
20.Дайте классификацию стабилизаторов напряжения.
21.Перечислите основные показатели, характеризующие работу ста билизаторов.
22.Начертите схему и поясните работу стабилизатора напряжения
компенсационного типа на транзисторах.
23.Для чего применяют составные транзисторы в схемах стабилиза торов напряжения?
24.Особенности работы импульсных стабилизаторов напряжения, их область применения.