книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdfрис. 8-16. Схемы стабилизаторов напряжения с последовательным включением регулирующего транзистора.
-при и пмх> и - . и пых->
Для двойного составного транзистора эквивалентные параметры определяются следующими выражениями:
|
гкг = |
|
ГкиХГщй |
» |
|
|
|
|
|
|
, |
; г |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
'К11 |
|
|
|
|
|
|
|
ГК12 + |
^ |
|
|
|
|
|
|
гбг — гбп Н“ |
(гб12 Ч~ ГЭц) X ГК11 |
|
|
||||
|
|
|
г |
4 - Гк11 |
|
|
|
|
|
|
|
' К12 "Т" |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
( Гб12 4~ ГОН \ |
|
|
|||
|
^Э.С--- ^Э12 "h |
Л___ Pi. |
) |
|
(8-17) |
|||
|
ГК12 + |
' |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
Рс= Р11Р12; |
|
|
|
|
|||
|
7 к . О .С = = Ас.О ( и ) “f - / к . о ( 1 |
2) / Р п » |
ГвХ.С = ^вХ 1 2” Ь Г В Х ц / р 1 |
2» |
||||
где |
Гк.о.с — сопротивление |
коллектора |
составного |
тран |
||||
зистора; го — сопротивление базы |
составного |
транзисто |
||||||
ра; |
гэ.с — сопротивление |
эмиттера |
составного |
транзисто |
||||
ра; |
рс — коэффициент |
усиления |
по |
току |
составного |
|||
транзистора в схеме с общим |
эмиттером; / к.0.с — обрат |
ный ток коллектора составного транзистора; гвх.с — вход
ное сопротивление |
составного |
транзистора в схеме |
с общей базой. |
|
|
Индексами 11 и |
12 в этих |
выражениях обозначены |
параметры транзисторов, входящих в составной тран зистор.
Применение составного транзистора позволяет согла совать мощный регулирующий транзистор Т\2 с мало мощным усилительным транзистором Т2.
Кроме того, составной транзистор позволяет значи тельно увеличить сопротивление цепи коллектора и уменьшить ток / к.0.
Основные параметры схем на рис. 8-16 — стабиль
ность по сети |
и внутреннее сопротивление |
выражаются |
|
следующими формулами: |
|
|
|
Для схемы на рис. 8-16,а |
|
||
вы х__ ' вх2 |
г д + ( # i + ^ 2 ) (1 — а ) ^ |
||
|
; (8-18) |
||
Т= |
к.О 1+ |
|
|
ЬЦш |
|
|
|
|
1+ |
|
|
|
|
|
X |
|
||
|
Гг = • АЛ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ч / Г Г»х О |
I |
1 |
I |
R Q |
I _г°х.огб2 Г 1 |
I (^1 + |
fla) (I — а) tt 1 . |
||||||||
Х |
[ ~ R T |
"Г |
рс “Г r,.e J |
аг„ |
L |
' |
Г6г |
|
|
J * |
|||||
для схемы на рис. 8-16 |
|
|
|
|
|
|
(8-19) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ац тх |
|
гп , |
Г] |
|
| |
<•«(!- g ) |
+ (K, + fl,)(i - |
g) ttl . / 8 20) |
||||||
•= |
At/BX |
|
“ Гк,о |
L |
|
|
|
|
|
'’вхгРг |
|
|
J |
‘ V |
7 |
|
Ш„х __ |
г„г f , |г , ( 1 — «) + |
(*>+ |
fi«) ( ! — ")« |
1 |
чу |
|||||||||
Гг' — А / „ |
|
|
“ |
L ^ |
|
|
г«хгР |
|
|
|
J Л |
||||
|
|
+ 1^ + т + ^ ] - ^ [ 1+ |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
| |
|
|
— а) + (^ i + ^ 2) (1 — а) а j . |
|
|
(8 -21 ) |
||||||
для схемы на рис. 8-16,я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
v |
Д ^ п ы х |
г пх2 |
Г |
1 |
I |
ГД ( 1 |
а ) 4 " |
( ^ 1 + ^ 2) П |
а ) а |
1 . |
/ о о г> \ |
||||
т= ==~&7х |
|
|
|
|
^ |
гл(1 |
|
|
Rt) (1 — |
J* (в' ^ |
|||||
^ ____А(/,,ых |
|
гвх2 |
Г j |
а ) ~Ь (^ i + |
а ) а ~1 ^ |
||||||||||
|
А / н |
|
|
1 |
|
[_ |
|
|
|
ГдхгРг |
|
|
|
J |
|
|
|
Х Г Гдх.с |
|
I |
1__ I |
^В |
1 |
Гвх.сГд2 Г | I |
|
|
|
|
|||
|
|
|
[~% ~ + |
Рс+ Я„.с J |
“ ^ г [ 1 + |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
I гд(1 — а) -Ь (^1 + Кг) (1 — 0)0 |
|
|
(8-23) |
'r62
Ввыражениях (8-18) — (8-23) гд— динамическое сопро
тивление стабилитрона, а коэффициент фильтрации при
ближенно равен Y=-
На рис. 8-17 изображена схема стабилизатора напря жения с параллельным включением регулирующего
транзистора. При возрастании |
выходного напряже |
ния £/Вых увеличивается падением |
напряжения на рези |
сторе iRr . |
|
Ток базы и ток коллектора транзистора Г2 возраста ют. Увеличение тока коллектора транзистора Г2 приво дит к увеличению тока базы, а следовательно, и тока коллектора регулирующего составного транзистора 7V Это приводит к повышению напряжения на резисто ре R r, так что выходное напряжение UBых с определен ной степенью точности остается неизменным.
Основные параметры схемы на рис. 8-17 выражаются следующими формулами:
|
|
|
Y= = |
At/., |
.Ы |
|
|
|
(8-24) |
||
|
|
|
Ш. |
Rr |
|
|
|
||||
f . _ |
At/,MX . |
|
|
ГЯ + ( ^ 1 + ^ 2) (1 — а ) о |
|
||||||
|
|
1 + |
|
|
|
|
X |
||||
п — |
ж г - |
а |
|
|
|
|
|
||||
Ч / Г ГВХ с |
\__________гб2 ^ВХ.С Г 1 I |
((^^1 + ^ 2)(1■-«) « |
(8-25) |
||||||||
Х |. Ry |
“Г Pc J |
ГК2 |
а |
[* + |
|
Гб2 |
|
|
|||
где гЛ— динамическое |
сопротивление |
стабилитрона. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
С точки зрения к. п.д. |
|||||
|
|
|
|
|
|
размеров, |
количества |
вы |
|||
|
|
|
|
|
|
деляемого тепла, |
а также |
||||
|
|
|
|
|
|
параметров стабилизации |
|||||
|
|
|
|
|
|
целесообразнее применять |
|||||
|
|
|
|
|
|
схему |
с |
последователь |
|||
|
|
|
|
|
ная ным включением |
регули |
|||||
|
|
|
|
|
|
рующего транзистора. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Д остоииствам и |
стаби |
||||
|
|
|
|
|
|
лизатора |
с параллельным |
||||
|
|
|
|
|
|
включением являются его |
|||||
|
|
|
|
|
|
лучшая |
работа |
на |
.им |
||
|
|
|
|
|
|
пульсную |
нагрузку и |
не |
|||
Рис. 8-17. Схема стабилизатора на |
чувствительность его к ко |
||||||||||
ротким |
|
замыканиям |
на |
||||||||
пряжения |
с параллельным |
|
вклю |
|
|||||||
чением |
регулирующего |
транзи |
выходе. При |
импульсной |
|||||||
стора. |
|
|
|
|
|
нагрузке |
в |
стабилизато |
|||
|
|
|
|
|
|
рах |
с |
параллельным |
|||
включением регулирующего |
транзистора индуктивность |
фильтра выпрямителя не будет сказываться на работе стабилизатора. Поэтому в стабилизаторах с параллель ным включением регулирующего транзистора при им пульсной нагрузке возможно применение индуктивного фильтра.
В стабилизаторах с последовательным включением регулирующего транзистора при скачкообразном воз растании тока нагрузки в индуктивности фильтра будет иметь место переходный процесс, характеризуемый рез ким падением напряжения па входе стабилизатора.
Недостатком линейных стабилизаторов напряжения является сравнительно низкий к. п. д., так как в регули рующем элементе выделяются значительные потери
энергии. Использование работы регулирующего тран зистора в ключевом (импульсном) режиме дает возмож ность значительно уменьшить потери и повысить к. п. д. стабилизатора.
8-5. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Так как схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, рассмотрим режим переключения на ее примере.
Работа транзистора в режиме переключения характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область
насыщения, |
т. е. из |
точки А |
|
|
|
|
||||||||
в точку |
В (рис. 8-18). |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Таким |
|
образом, |
|
режим |
|
|
|
|
|||||
(переключения |
характеризу |
|
|
|
|
|||||||||
ется работой транзистора во |
|
|
|
|
||||||||||
всех трех областях, и его |
|
|
|
|
||||||||||
мощность |
рассеяния |
состоит |
|
|
|
|
||||||||
из |
трех |
составляющих. Для |
|
|
|
|
||||||||
определения |
этих |
состав |
|
|
|
|
||||||||
ляющих рассмотрим |
|
работу |
|
|
|
|
||||||||
в каждой |
области |
отдельно. |
|
|
|
|
||||||||
|
■В |
|
области |
отсечки |
оба |
|
|
|
|
|||||
перехода |
транзистора |
за |
|
|
|
|
||||||||
крыты, так как на базу по |
|
|
|
|
||||||||||
дается |
запирающее |
|
напря |
Рис. 8-18. Коллекторные характери |
||||||||||
жение. |
В |
этом |
случае |
ток |
стики транзистора в схеме с общим |
|||||||||
коллектора |
|
транзистора |
эмиттером. |
|
|
|||||||||
близок |
к |
|
обратному |
току |
|
|
|
|
||||||
коллекторного |
|
перехода |
|
|
|
|
||||||||
/ к.о. |
Мощность, |
рассеивае |
|
|
|
|
||||||||
мая |
транзистором |
в |
режи |
|
|
|
|
|||||||
ме |
отсечки, |
равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Ротс==Л(.о^п, |
|
|
|
|
|
|
||||||
где |
Un — напряжение |
пи |
|
|
|
|
||||||||
тания |
транзистора. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
В |
области |
|
насыщения |
|
|
|
|
||||||
транзистор |
характеризуется |
|
|
|
|
|||||||||
прямыми |
напряжениями на |
|
|
|
|
|||||||||
обоих |
переходах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
^б.э^О; £Уэ.б^0; UK.o^O. |
|
|
|
|
||||||||||
зы |
При увеличении тока ба |
|
|
|
|
|||||||||
ток |
коллектора |
увеличи |
Рис. |
8-19. Характеристики |
Uб.в; |
|||||||||
вается, |
а |
|
напряжение |
на |
||||||||||
|
Ук.в\ |
/ к= /(/с) |
транзистора. |
|
||||||||||
коллекторном |
|
переходе |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
уменьшается. При токе базы |
напряжение коллектор — база |
стано |
||||||||||||
/б = /б.н |
(рис. 8-19, |
точка В) |
||||||||||||
вится |
равным |
нулю |
Uк.с = 0, |
а ток |
коллектора |
достигает |
макси |
мального значения, равного
/ _____ •
'к.маво — ^
As.и —
где Р — коэффициент усиления по току транзистора в схеме с об щим эмиттером на границе активной области и области насыщения.
Режим, |
когда UK.6=0, |
а ток базы / G= 7 G.H, называется гранич |
||
ным (рис. |
8-19, точка В). |
При |
дальнейшем увеличении тока базы |
|
/о напряжение Ul(.о становится положительным, а ток |
/ к почти не |
|||
изменяет своей величины и остается равным / к.макс. |
называется |
|||
Режим, |
при котором .ток базы IQ> I G.u, а Оц.о>0, |
|||
режимом насыщения. |
для |
основных параметров |
транзистора |
|
Запишем выражения |
в режиме насыщения. Полагаем, что UK.3='Ul{.0.u, UQ.O—UQ.O.U и
^к.э.н='£/б.э.ц- Входное и выходное сопротивления триода опреде ляются следующими выражениями:
* |
_^б.э.н . |
|
|
|
|
^ ВХ --- |
7б.н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и. |
|
иб,. э.н . |
_ |
|
1 |
1 В Ы Х = /7 |
= K*T |
R |
° |
* |
|
и*.макс |
|
Р 7б*Э .н |
Р |
|
где 5* = / к.макс/^б.э.и — крутизна характеристики транзистора на границе активной области и области насыщения.
Для экспериментального определения основных параметров транзистора на границе активной области и области насыщения можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 8-20.
Значение мощности, рассеиваемой транзистором в режиме на
сыщения, находится из следующего выражения: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Эиас — Лс.мак^Ас. э.н “Ь AJ.H^AS. »-н — " |
|
+ / б . Л |
э.н* |
|
|
|||||||||||
Мощность |
рассеяния |
транзистора |
при |
увеличении |
тока |
базы |
||||||||||
от / б=/б.н |
до |
/б = 2/к.манс/Р* |
уменьшается |
за |
счет |
понижения |
на |
|||||||||
пряжения |
Uк.э.н* |
При |
дальнейшем увеличении |
тока |
базы /б |
мощ- |
||||||||||
^ |
|
|
|
|
^ |
—I |
ность |
|
Раас |
будет |
возрастать |
за |
||||
|
|
1' |
' |
|
счет |
потерь |
в цепи |
база—эмиттер. |
||||||||
\шУ |
|
|
RU |
I |
Переход |
рабочей |
точки |
из |
А |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
в Б (рис. 8-18) и |
обратно |
проис |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
ходит |
по |
линии |
нагрузки |
через |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
активную область. При этом мгно |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
венная мощность рассеяния может |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
быть очень велика. Для определе |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ния величины этой мощности не |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
обходимо рассмотреть переходный |
|||||||||
Рис. 8-20. Схема |
для определе |
процесс при |
переключениях. |
|
|
|||||||||||
В |
момент io (рис. 8-21) |
в це |
||||||||||||||
ния параметров транзистора |
на |
|||||||||||||||
пи базы запертого транзистора соз |
||||||||||||||||
границе области |
насыщения. |
|
||||||||||||||
|
дается |
импульс тока, достаточный |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
для |
насыщения цепи |
коллектора |
Рабочая точка будет перемещаться из области отсечки в область насыщения. При этом на коллекторе формируется положительный фронт /п. В промежутке времени 1{—12 транзистор находится в на сыщении. Концентрация дырок в режиме насыщения резко возрас тает и ограничивается только рекомбинацией носителей.
В частности, в режиме насыщения имеется значительная кон центрация дырок в базе около коллектора. Поэтому после оконча ния отрицательного импульса тока базы (и даже при задании в базу положительного импульса), ток и напряжение коллектора начинают изменяться с задержкой на время рассасывания /р избыточной кон центрации неосновных носителей в базе (сверх той, которая соот ветствует режиму границы насыщения). При рассасывании в цепь базы можно задать положительный ток, значительно превышающий максимальное значение / к.0. Это объясняется тем, что, пока тран-
Рис. 8-21. Переходные характеристики в тран зисторе при переключении.
зистор не вышел из насыщения, змиттерный переход его представ ляет весьма малое сопротивление. Когда концентрация дырок в базе вблизи коллектора достигает равновесного значения, обратное напря жение на коллекторном переходе быстро возрастает, а ток умень шается. При этом на коллекторе формируется отрицательный фронт напряжения длительностью tc.
Время переключения транзистора зависит как от формы управ ляющего тока, так и от его частотных свойств. Время включения триода возрастает с увеличением коллекторного тока и снижается с увеличением тока базы. Наличие .избыточного тока базы увеличи вает время выключения и уменьшает время включения. Время вы ключения транзистора существенно сокращается, если по окончании импульса к выводам база — эмиттер подводится напряжение с за пирающей полярностью.
.Мощность, рассеиваемую транзистором в активной области, можно определить, зная время включения i n и время выключе
ния tc.
При выводе формулы мощности нарастание и спад коллектор ного -тока и напряжения (рис. 8-21) аппроксимируются линейными зависимостями.
В этом случае выражение для коллекторного ,тоКа и напряже ния в интервале to + U примет следующий вид:
Ломакс j |
|
гг ( 1 |
^ \ |
(8-26) |
= |
и u*= t/n ^ - |
7 7 ; |
||
Мощность, рассеиваемая транзистором в интервале |
(f0 — /,) |
|||
Лс.макс^п |
Г ( 4 |
t2 N |
^к.макс^п^* |
|
рп с .,= — — |
J ( * - т г ; Л - |
|
(8-27) |
|
|
|
Выражения для коллекторного тока и напряжения в интервале вре мени t, — <4
t — /3
‘к = /к
“к — и п [ tc j ’ |
(8-28) |
Мощность, рассеиваемая транзистором в интервале (/3 — /4):
/а+*с
|
Лс.макс^л |
Г Г |
( * — Ы 2 1 |
|
ЯП(2) — |
/с |
J |
/с |
М — |
|
|
^к.макс^п^с |
|
(8-29) |
|
|
|
|
Общая мощность, рассеиваемая транзистором в активной обла сти, равна сумме мощностей, определяемых выражениями (8-27) и (8-29), т. е.
Лс.макс^п (^с 4“ ^л) |
(8-30) |
Р п = -
Из выведенных ранее выражений найдем мощность, рассеивае мую транзистором при воздействии на его базу прямоугольных им пульсов с периодом Т Мощность рассеяния транзистора в этом случае состоит из мощности, рассеиваемой в области отсечки, в об ласти насыщения >ичв активной области, т. е.
|
/ . . W n |
,( '« .млхсРк. э.н + |
Лз.н^б.э.н) ти |
|||
|
як= |
т |
г |
т |
|
+ |
|
|
+ |
^к.макс^П |
(^н “I" ^с) |
|
(8-31) |
|
|
|
6Г |
|
|
|
где Т — период управляющих импульсов |
тока |
базы; Тп — время |
||||
паузы; |
Ти — время |
импульса. |
|
|
|
|
Из |
выражения |
(8-31) видно, |
что значение |
мощности при низ |
ких частотах определяется, в основном, мощностью, рассеиваемой транзистором в области насыщения.
При повышении частоты мощность, рассеиваемая транзистором в активной области растет. При больших частотах мощность рас сеяния в активной области может достигать больших значений, по этому максимальная частота переключения зависит от фронтов трио да /„ и
При малых частотах преимущества режима переключения по сравнению с линейным режимом работы транзистора становятся очевидными, особенно если учесть, что в этом режиме зависимость параметров транзистора от окружающей температуры и нелиней ности характеристик транзистора не играет существенной роли, так как рабочая точка может находиться в области отсечки или в обла сти насыщения.
Незначительная мощность рассеяния в режиме переключения позволяет использовать полупроводниковые триоды в более тяжелых температурных условиях и при больших коллекторных токах.
8-6. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В импульсных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор работает в режиме переклю чения, что позволяет повысить коэффициент использова ния самого транзистора, повысить к. п. д. стабилизатора и уменьшить его габариты.
Наиболее широкое распространение нашли два типа импульсных стабилизаторов: стабилизаторы с широтно-
Рис. 8-22. Блок-схема импульсного стабилизатора напряже ния с широтно-импульсной модуляцией.
импульсной модуляцией и релейные стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным регулированием. Блок-схема стабилизатора с широтно-импульсной моду ляцией изображена на рис. 8-22.
Принцип работы схемы заключается в следующем. Выпрямленное напряжение через фильтр или непосред ственно с выпрямителя подается на транзистор, а затем
через фильтр на выход стабилизатора. Выходное напря жение стабилизатора приводится к опорному напряже нию, сравнивается с ним, а затем сигнал разности пода ется на вход усилителя постоянного тока, усиливается и поступает на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного тока в импульсы с определенной длитель ностью. Длительность импульсов изменяется пропорцио нально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор.
Регулирующий транзистор периодически переключа ется, и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях. При из менении напряжения на выходе стабилизатора изменя ется сигнал постоянного тока, а следовательно, и соотно шение между паузой и импульсом, а среднее значение выходного напряжения остается неизменным.
На рис. 8-23 изображены принципиальные схемы импульсных стабилизаторов напряжения с широтно импульсной модуляцией. Их основное отличие заключа ется в том, что в схеме на рис. 8-23,а в качестве импульс ного элемента применен мультивибратор, а в схеме на рис. 8-23,6 — магнитный модулятор. Мультивибратор (рис. 8-23,а) выполнен на транзисторах Т$ и 7Y
Относительная длительность импульсов мультивибра тора изменяется при помощи транзисторов Г6 и 7У
При равенстве напряжений t/om и U\ токи базы тран зисторов TQ и Т1 равны, причем относительная длитель
ность импульсов мультивибратора равна 0,5.
При изменении выходного напряжения [/пых изменит ся соотношение между токами базы триодов Г6 и Тъ
Скорость разряда |
емкостей |
С3 |
и С4 также изменится, |
а следовательно, |
изменится |
и |
относительная длитель |
ность импульсов мультивибратора. Магнитный преобра зователь (рис. 8-23,6) состоит из магнитного усилителя с внутренней обратной связью, питаемого от источника прямоугольных импульсов, на выход которого подключа ется регулирующий транзистор стабилизатора напряже ния.
В качестве источника прямоугольного напряжения обычно используется автогенератор с насыщающимся трансформатором. Магнитный усилитель обеспечивает
280