Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

Для нормальной работы транзисторных фильтров необходимо обеспечить работу транзистора в активной области, поэтому надо, чтобы разность потенциалов между входом и выходом фильтра была не менее (1,5÷3) В.

В схеме на рис. 4.12,а можно получить qф = 50–200, а в схеме на рис. 4.12,б еще большей величины: qф = (100– 1000), однако в этой схеме выходное напряжение U0 зависит от тока нагрузки, так как

U0 = U0′ – Uк.э – I0Rэ.

Как видно из этого соотношения, с ростом тока нагрузки I0 растет перепад напряжения на резисторе Rэ, поэтому уменьшается выходное напряжение U0.

4.4. Стабилизаторы напряжения и тока, классификация и основные параметры

Стабилизаторы напряжения и тока предназначены для обеспечения постоянства напряжения или тока в заданных пределах при изменении нагрузки, параметров первичного источника питания и условий эксплуатации и окружающей среды.

По принципу работы стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные.

Параметрическими называют стабилизаторы, у которых напряжение или ток стабилизируются при помощи электронных приборов с нелинейной характеристикой, ограничивающей пределы изменения стабилизируемого параметра – напряжения или тока.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования напряжения или тока, у которых стабилизируемая величина автоматически поддерживается в заданных пределах постоянной и равной или пропорциональной стабильному опорному напряжению или току. В компенсационных стабилизаторах происходит сравнение стабилизируемой величины с заданной опорной величиной, в результате чего вырабатывается такое воздействие на элементы, регулирующие напряжение или ток, чтобы отклонение стабилизируемой величины от номинальной уменьшалось и не превосходило допустимых пределов.

231

Компенсационные стабилизаторы в свою очередь можно разбить на два класса – непрерывного регулирования и ключевые. В первом из них регулирование производится непрерывно. В ключевых стабилизаторах регулирующие элементы включаются по мере необходимости в определенные промежутки времени.

В зависимости от схемы включения регулирующего элемента различают стабилизаторы с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента с нагрузкой.

Стабилизаторы характеризуются номинальным значением стабилизируемого параметра (напряжения или тока) и его предельно допустимыми изменениями при заданных отклонениях входного напряжения или тока от номинальной величины, диапазоном изменения тока или напряжения нагрузки, температурным диапазоном работы стабилизатора.

Степень стабилизации напряжения или тока количественно определяется следующими параметрами:

• коэффициентом стабилизации напряжения при номиналь-

• в стабилизаторах тока – коэффициентом стабилизации тока

Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз относительное изменение входного напряжения или тока больше относительного изменения стабилизируемого параметра;

• внутренним сопротивлением стабилизатора, характеризующим изменение выходного напряжения с изменением тока нагруз-

• динамическим внутренним сопротивлением стабилизатора,

характеризующим пиковое значение изменения напряжения при

232

• дрейфом стабилизируемой величины во времени, определяемым отклонением стабилизируемого параметра от своей номинальной величины за определенный промежуток времени.

Экономичность работы стабилизатора характеризуется коэффи-

циентом полезного действия ηст = Рн , где Рн = IнUн и Р0 = I0U0 –

Р0

мощности на выходе и на входе стабилизатора.

4.4.1.Параметрические стабилизаторы

Впараметрических стабилизаторах напряжение или ток стабилизируют применением электронных приборов, ограничивающих пределы изменения стабилизируемой величины. При этом непременным условием стабилизации напряжения или тока является наличие на ВАХ электронного прибора участка, на котором стабилизируемый параметр (напряжение или ток) изменяется незначительно. Для стабилизации напряжения используют газоразрядные и полупроводниковые стабилитроны, а для стабилизации тока – бареттеры и транзисторы.

Внастоящее время наиболее часто применяют полупроводниковые приборы. Стабилизацию напряжения удобно реализовать на кремниевых стабилитронах, имеющих ВАХ с резким изломом в области пробоя и способных работать при меньших токах, чем германиевые приборы. Для стабилизации тока применяют транзисторы.

Параметрические стабилизаторы напряжения нa полупроводниковых стабилитронах. На рис. 4.13,а показана схема про-

стейшего стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне,

ана рис. 4.13,б – схема его замещения, в которой стабилитрон

представлен в виде источника напряжения Uст с внутренним сопротивлением rст.

233

где U0min = U0 – U0max – минимальное напряжение на входе стабилизатора, которое меньше своего номинального значения на ве-

личину U0mах; Uстmin – напряжение на стабилитроне в точке излома ВАХ, соответствующее току Icтmin; Iстmin – минимальное значение тока стабилизатора, меньше которого прекращается пробой и стабилитрон перестает стабилизировать напряжение; Iнmax – максимальный ток нагрузки.

Как следует из схемы на рис. 4.13,б, выходное напряжение стабилизатора

Uн = U0 – (Iн + Iст)(Rгас + rвн).

Из этого соотношения следует, что изменения выходного напряжения и тока нагрузки гасятся увеличением или уменьшением перепада напряжения на резисторе Rгас, что и позволяет стабилитрону стабилизировать выходное напряжение.

Учитывая, что, как правило, Rгас + rвн >> rст, выходное напряжение стабилизатора можно определить приближенной формулой

Из выражений для выходного напряжения следует, что основные параметры простейшего параметрического стабилизатора определяются следующими соотношениями:

коэффициент стабилизации

внутреннее сопротивление стабилизатора

КПД становится минимальным при максимальном значении входного напряжения U0max и минимальном токе нагрузки; обычно

η = (30÷50) %.

При практических расчетах сначала по заданному значению ста-

билизируемого напряжения выбирают стабилитрон, приняв Uст Uн. Затем, если задано входное напряжение U0, то по формуле (4.21)

235

рассчитывают сопротивление Rгас и проверяют, удовлетворяет ли рассчитанная схема коэффициенту стабилизации. Если же указано требуемое значение коэффициента стабилизации, то на основании выражения (4.22) рассчитывают сопротивление резистора Rгас, а затем определяют необходимое напряжение U0 по формуле (4.21).

При выборе режима работы стабилитрона необходимо исключить его работу при токах, меньших Iстmin, который равен 2–3 мА для маломощных стабилитронов и 3–5 мА для мощных. Максимальное значение тока стабилитрона Icтmax ограничивается допустимой мощностью, лимитируемой температурой обратносмещенного р-п-перехода, при которой наступают необратимые изменения параметров диода, работающего в режиме пробоя.

Нестабильность выходного напряжения, кроме рассмотренных выше причин (изменение U0 и Iн), обусловлена также изменением температуры р-п-перехода. Эта нестабильность характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилитрона du. Для уменьшения температурного дрейфа иногда применяют компенсацию дрейфа при помощи прямосмещенного диода или диодов, которые включаются последовательно со стабилитроном.

Параметрические стабилизаторы тока. Простейший стабили-

затор тока можно построить на униполярном транзисторе с управляющим р-п-переходом, включив его по схеме, которая показана на рис. 4.15,a. На рис. 4.15,б представлена ВАХ транзистора с граничными значениями напряжения перекрытия Uс.пер и соответствующего тока Iс.пер, лимитирующими область работы транзистора в стабилизаторе.

Параметры стабилизатора можно определить, аппроксимируя в пологой области ВАХ тока стока транзистора приближенным выражением, основанным на представлении тока стока Iс в виде суммы составляющих:

236

превышении перепада напряжения между стоком и истоком Uси над величиной Uс.пер; ri – внутреннее сопротивление транзистора.

Рис. 4.15. Схема параметрического стабилизатора тока на униполярном транзисторе (а) и ВАХ его транзистора (б)

Включение резистора Rи с целью задания тока стока Iс требуемой величины одновременно способствует стабилизации тока нагрузки Iн = Iс в результате действия отрицательной обратной связи по току и увеличению внутреннего сопротивления стабилизатора до величины

эффициент стабилизации тока

237

Простейший стабилизатор тока на биполярных транзисторах строят по известной схеме источника стабилизированного тока (рис.

ра Iк = Iн транзистора Т. В целом устройство работает как параметрический стабилизатор тока. Для повышения коэффициента стабилизации и увеличения выходного сопротивления в эмиттеры транзисто-

4.4.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного регулирования

Как отмечалось, компенсационный стабилизатор представляет собой систему автоматического регулирования со стабилизирующей обратной связью, в которой регистрируются отклонения выходного напряжения от номинальной величины, вырабатывается сигнал рассогласования, воздействие которого на регулирующий элемент удерживает стабилизируемый параметр – напряжение вблизи номинального уровня с заданной точностью.

На рис. 4.17,а показана структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения с регулирующим элементом РЭ, включенным последовательно с нагрузкой Rн. При изменении выходного напряжения Uн в результате изменения питающего стабилизатор напряжения U0, тока нагрузки Iн или температуры окружающей среды сравнивающее устройство СУ, на входах которого действуют опорное напряжение Uоп и часть выходного напряжения γиUн

усиливается усилителем У и подается на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала изменяется ток, пропускаемый

238

регулирующим элементом так, чтобы выходное напряжение сохранило свое номинальное значение с заданной точностью.

Рис. 4.17. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжений непрерывного регулирования с регулирующим элементом, включенным последовательно (а) и параллельно (б)

На рис. 4.17,б представлена структурная схема стабилизатора напряжения непрерывного регулирования с регулирующим элементом, включенным параллельно нагрузке. Здесь постоянство выходного напряжения Uн поддерживается за счет увеличения или уменьшения тока, ответвляемого в регулирующий элемент. При этом возрастает или уменьшается перепад напряжения на гасящем резисторе Rгас почти на величину отклонения выходного напряжения Uн от номинальной величины, что и обеспечивает стабилизацию выходного напряжения Uн.

На практике встречаются компенсационные стабилизаторы с регулирующим элементом в цепи переменного тока, а также с двумя регулирующими элементами, один из которых включается в цепь переменного тока, а второй – в цепь постоянного тока по структурным схемам рис. 4.17.

Источником опорного напряжения в большинстве случаев служит параметрический стабилизатор напряжения на стабилитронах, а иногда и компенсационный стабилизатор. В качестве сравнивающего устройства удобно использовать дифференциальный каскад, который вместе с последующими усилительными каскадами образует усилитель постоянных сигналов. В современных разработках в качестве сравнивающего устройства и усилителя наиболее часто используют ИОУ, обеспечивающий как функции сравнения,

239

так и усиления. Регулирующим элементом обычно является мощный транзистор или блок транзисторов, включенных последовательно, параллельно или по схеме составных транзисторов.

Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают бóльшую стабильность, бóльший диапазон стабилизируемых напряжений при бóльших изменениях тока нагрузки, чем параметрические стабилизаторы.

Весьма существенными преимуществами стабилизаторов непрерывного регулирования следует считать то, что они не создают импульсных помех и не искажают формы кривой тока питающего напряжения. Однако их основным недостатком является низкий КПД по сравнению со стабилизаторами с импульсным регулированием.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с последовательно включенным регулирующим элементом. Стабилизаторы напряжения с последовательно включенным регулирующим элементом (см. рис. 4.17,а) находят широкое применение, так как позволяют получить наилучшую из всех известных типов стабилизаторов совокупность выходных параметров – коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, динамическое внутреннее сопротивление и коэффициент сглаживания пульсаций.

Стабилизаторы этого типа имеют сравнительно простые принципиальные электрические схемы, в них легко реализуется принцип функционально-узлового метода проектирования и наращивания мощности.

Стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента применяются для получения выходного напряжения от единиц до сотен вольт при токах нагрузки от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер. При выходных напряжениях от 3 до 30 В и токах нагрузки до 1 А практично применение интегральных стабилизаторов. Дополнительное подключение мощного транзистора к составному регулирующему элементу интегрального стабилизатора (K142EH1, K142EH2) позволяет получить значительно бóльшие значения тока нагрузки.

На рис. 4.18 показана обобщенная схема компенсационного стабилизатора с регулирующим элементом в виде мощного транзисто-

240