2.1.Общие сведения
Параметрическими стабилизаторами напряжения называются устройства, в которых осуществляется стабилизация за счет нелинейности характеристик полупроводниковых приборов (кремниевых стабилизаторов, диодов и т.д.) /3...5/.
На рис. 2.1 представлена вольт-амперная характеристика кремниевого, стабилитрона.
Кремниевый стабилитрон на рабочем участке АВ можно охарактеризовать тремя основными параметрами /1/
1)номинальное напряжение стабилизации Uст при определенном номинальном токе Iст и окружающей температуре –Тс;
2) дифференциальное (динамическое) сопротивление
Рис. 2.1. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилизатора
(2.1)
при постоянной температуре;
3) абсолютный и относительный температурный коэффициент напряжения.
(мВ/ОС), (2.2)
100 dUстт 100 ∆Uстт λст
ст = = = ∙100; (2.3)
Uст dТ Uст ∆Т Uст
при постоянном токе стабилизации Iст.
При линейной аппроксимации характеристик, зная рассмотренные параметры, легко определить напряжение Uст при любых рабочих токах и температурах
(2.4)
2.2 0днокаскадная схема параметрического стабилизатора
На рис. 2.2 приведена схема параметрического стабилизатора /3/
П
Рис. 2.2 Схема однокаскадного параметрического стабилизатора
ри изменении входного напряжения lвх меняются токи, текущие через стабилитрон Iст и гасящий резистор, r а напряжение на выходе Uвых и ток нагрузки Iн остаются практически постоянными из-за нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона. Таким образом изменение входного напряжения сопровождается изменением падения напряжения на гасящем резисторе вызванным приростом или уменьшением тока стабилитрона.Изменение тока нагрузки (сопротивления нагрузки) вызывают почти такие же по величине но противоположные по знаку изменения тока стабилитрона. Поэтому падение напряжения на гасящем резисторе и, следовательно, выходное напряжение зависит от тока нагрузки очень мало.
В процессе расчета схемы однокаскадного параметрического стабилизатора /I/ необходимо выбрать стабилитрон, рассчитать величину номинального значения входного напряжения Евх , величину сопротивления Rr, обеспечивающих заданные параметры, определить данные, необходимые для расчета выпрямителя: макси- мальный ток выпрямителя Iвхмакс, максимальную мощность Рвхмакс, к.п.д в номинальном и максимальном режимах. Одновременно нужно обеспечить такой ток выбранных стабилитронов, • а соответственно и мощность рассеяния, чтобы их величины не превосходили допустимых.
При расчете задаются следующие параметры/3/:
1. Номинальная величина выходного напряжения Uвых. В качестве примера приведем силовые параметры Uвых=8 В и допуски на разброс входного напряжения ∆ Uвыхмин=I В в сторону уменьшения Uвыхмакс=I В в сторону увеличения.
2. Максимальный Iнмакс=5 мА и минимальный Iнмин=3 мА токи нагрузки стабилизатора.
3. Допустимое относительное изменение среднего значения входного напряжения ненагруженного выпрямителя в сторону уменьшения и в сторону увеличения
1,1
(2.5)
4. Относительная амплитуда напряжения пульсации входного напряжения
(2.6)
где Uп- амплитуда а напряжения пульсации входного напряжения.
5. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆Uвыхсд = ±0.6 % при изменении входного напряжения (напряжения сети), в заданных пределах.
6. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆Uвыхнв=0.7% при изменении тока нагрузки от Iнмакс до Iнмин.
7. Максимально допустимая относительная амплитуда пульса- выходного напряжения апвыхд=0.5% 8. Номинальная температура окружающей среды Тс = ± 20 С, минимальная Tсмин=-10оС и максимальная Тсмакс=±50оС
9. Максимально допустимая относительная температурная нестабильность выходного напряжения ∆Uвыхтд =±2,5 % при изменении температуры на ∆Тсмин=Тс - Тсмин и ∆Тсмакс=Тсмакс-Тс .
Проектирование однокаскадной схемы параметрического стабилизатора включает следующие этапы /1/:
I. В соответствии с требуемым выходным напряжением выбираем тип и количество стабилитронов /6...8/- один или несколько последовательно - и находим из справочника номинальное значение напряжения стабилитрона ∆Uстном , допустимый разброс ∆Uст ном . Для рассматриваемого примера выбираем стабилитрон- KCI80A /6...8/с Ucт ном=8 В, Uст ном=±0.8 В, для которого
Ucт мин=Uвых мин=Uст ном- Uст ном=8-0.9=7,2 В, (2.7)
Uст макс=Uвых макс=Uст ном+ Uст ном=8+0.8=8,8 В, (2.8)
При заданном Uвых = 8 В получаем Uвых мин = 0.8 В Uвых макс=0.8 В, что удовлетворяет заданным требованиям.
2. Из справочных данных находим максимальный температурный коэффициент выбранного стабилитрона (для KСI8OA = 0,05 %/°С) и определяем
∆Uвыхт = ст ∙вТ = 0,05∙30 = 1,5% (2.9)
что удовлетворяет заданным требованиям (± 2,5 %).
3.Находим среднее значение требуемого выходного сопротивления стабилизатора
∆ Uвыхнд ∙ Uвых 0,7 ∙8
R выхд = = = 28 Ом. (2.10) (2.9)
100 (Iнмакс - Iнмин) 100 (5-3)∙10-3
4. Выбираем Iст мин, при котором суммарное дифференциальное сопротивление на постоянном токе было бы меньше Rвыхд из справочных данных находим для этого, тока Rд следующим образом:
а) выбираем Icт мин= 5 мА. Для этого тока Rд (из справочника /8/) не превосходит 15 0м;
б) находим для максимального напряжения стабилитрона наиболее вероятное значение абсолютного температурного коэффициента напряжения
(2.11)
в) задаваясь тепловым сопротивлением стабилитрона Rt=0.15оС/мВт, находим тепловую составляющую дифференциального сопротивления
(2.12)
г) определяем полное сопротивление
Rд=Rд+Rдt=15+7,26 =22.26 Ом (2.13)
и убеждаемся, что оно меньше Rвыхд .
5. Находим среднее значение допустимого коэффициента стабилизации
(2.14)
(2.15)
где х- наибольшая из разностей амакс-I или I-aмин.
Для рассматриваемого примера
6.Определяем максимальный коэффициент стабилизации
(2.16)
(2.17)
и убеждаемся, что
обычно желательно, чтобы
(2.18)
Если Ксстщд>> Kстмакс , то однокаскадная схема стабилизатора не может обеспечить заданную нестабильность при изменении входного напряжения и необходимо перейти к двухкаскадной схеме.
7.Вычисляем необходимое входное напряжение ненагруженного выпрямителя Eвх , обеспечивающего заданный коэффициент стабилизации
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
Выбираем Eвх =30 В.
8.Определяем внутреннее сопротивление выпрямителя
9.Находим номинальную величину реального гасящего резистора R1 ( не включая внутреннего сопротивления выпрямителя)
-
Выбираем Rг = 1,2 кОм ± 5 %
10.Уточняем значение коэффициента стабилизации с учетом того, что R´г=Rr+Rв
что больше допустимого
11.Определяем коэффициент сглаживания пульсаций стабили- затора и относительную амплитуду пульсаций на выходе стабили- затора
(2.24)
%
мА
убеждаемся, что
12. Уточняем мгновенное значение минимального тока стабилитрона
(2.25)
и убеждаемся, что оно больше минимально допустимого ( 3 мА для KCI80A).
13. Находим среднее значение максимального тока стабилитрона
(2.26)
и убеждаемся, - что оно меньше максимально допустимого (15 мА для KCI80A).
14. Определяем максимальное и номинальное значения входного тока и максимальное и номинальное значения входной мощности стабилизатора
Iвхмакс = Iстмакс + Iстмин = 14,9+3=17,9 (мА) (2.27)
Евх - Евых 30-8
I вх = = = 14,7 (мА) (2.28)
Rγ+Rв 1200+300
Рвхмакс = Iвхмакс* Евх*амакс – I2вхмаксRв = 0,49 (Вт) (2.29)
Рвх = Iвх * Евх – I2вх Rв =0,38 (Вт) (2.30)
15.Вычисляем минимальный и номинальный к.п.д. стабилиза- тора (без выпрямителя)
(2.31)
(2.32)
Итак, в результате расчета можно сделать вывод, что стабилитрон KС180A выбран правильно; поскольку он обеспечивает заданную нестабильность напряжения по трем основным дестабилизирующим факторам: по току нагрузки, по колебаниям напряжения в сети и по влиянию температуры окружающей среды. Кроме того, он обеспечивает подавление пульсаций напряжения с заданной точностью. Проведенная проверка по минимальному и максимальному току показала пригодность выбранного стабилитрона. Полученные значения к.п.д - являются приемлемыми для устройств такого типа.
2.3. Расчет параметрических стабилизаторов с оптимальным к.п.д.
В определенных случаях, например при литании стабилизаторов от батарей, требуется сравнительно небольшой коэффициент стабилизации при оптимальном к.п.д, схемы/3/. В этом случае расчет схемы однокаскадного параметрического стабилизатора начинается так же, как приведено в 2.2. Только вместо пунктов 5...7 надо выполнить следующие расчеты:
1.Найти вспомогательный коэффициент
М=1- Aмин (2.33)
2.Вычислить оптимальный ток стабилитрона
(2.34)
3.Задаться номинальным током стабилитрона
(2.35)
4.Определить входное напряжение
(2.36)
Далее расчет ведется по тем же формулам, что приведены в 2.2., начиная с пункта 8.
2.4. Расчет однокаскадного параметрического стабилизатора с цепочкой термокомпенсирующих стабилитронов
На рис. 2.3 приведена схема .однокаскадного параметрического стабилизатора с цепочкой или диодов, обладающих отрицательным температурным коэффициентом напряжения γд<0 в отличие от основного стабилитрона VD1 с Yст>0/1,3/.
В
Рис. 2.3. Однокаскадный параметрический стабилизатор с цепочкой термокомпенсирующих стабилитронов
схеме необходимо подобрать такое количество n диодов (стабилитронов), чтобы суммарный температурный коэффициент напряжения был минимальным. В этом случае влияние температуры будет наименьшее. Например, для стабилитрона KC180A /8/зная αст=0,05%оС и =8 В можно определитьγст=0,01Ucт* αст=0,01*8*0,05=4мВ/оС.
Для диодов можно считать γд=-2,2мВ/оС.
Тогда наилучшая термокомпенсация будет при n=2 и γ∑=-0,4 мВ/оС. Таким образом удалось уменьшить суммарный температурный коэффициент напряжения на порядок по сравнению с γст = 4 мВ/°С.
При расчете заданными являются те же данные, что и при расчете схемы, рассмотренной ранее (рис. 2.2). Расчет ведется на максимальный коэффициент стабилизации в следующем порядке:
1. Выбираем стабилитрон и термокомпенсирующие диоды (или стабилитроны) /6...8/ таким образом, чтобы суммарный температурный коэффициент напряжения был минимальным. Для диодов можно взять γд = -2,2 мВ/°С. Задаемся величиной минимального дополнительного тока Iпрмин= 10...15 мА. Проверяем выполнение требований по ∆Uвых тд (см.пункт 2 подраздела 2.2).
2. Вычисляем полное дифференциальное сопротивление стаби- литрона Rд (см.пункт 4 позраздела 2.2), термокомпенсированных р-п переходов Rдпр(при токе Iпрмин+Iстмин), суммарное сопротивление.
Rд∑ = Rд Rдпр , (2.37)
которое является выходным сопротивлением Rвых стабилизатора должно удовлетворять условию
Rвых<Rвыхд (2.38)
где Rвых д определяется из формулы (2.10).
Если условие (2.38) не выполняется, то надо выбрать другой стабилитрон VDI с меньшим Rд.
3.Определяем величину напряжения питания дополнительного источника
пр∑ (2.39)
где Uпр∑ - суммарное прямое напряжение р-п переходов VD2 и VD 3.
4.Находим величину гасящего сопротивления
(2.40)
где Rr1 включает внутреннее сопротивление дополнительного источника Rв1.
5.Вычисляем величину основного источника напряжения
(2.41)
6.Определяем гасящее сопротивление
(2.42)
7.Находим коэффициенты стабилизации
(2.43)
Kст1 = (Rr1/R дпр)(Uвых/Евх1), (2.44)
где Uвых = Uст + Uпр∑
8.Определяем результирующий коэффициент стабилизации
Kст∑ = (Kст*K ст1)/( Kст+K ст1) (2.45)
и сравниваем его с допустимым
Kст∑ > Kстд , (2.46)
определяемым из формулы (2.14).
Если условие (2.46) не выполняется, то следует выбрать другие диоды и стабилитрон, обеспечивающие лучшую стабилизации напряжения.
Расчет остальных параметров стабилизатора следует выполнить по формулам (2.20)., (2.23)... (2.32), приведенным в подразделе 2.2.
Варианты заданий для индивидуальной работы студентов приведены в табл. 2.1, где вид расчета обозначен цифрой: I -на максимум коэффициента стабилизации; 2-е оптимальным к.п.д.; З-с цепочкой термокомпенсированных стабилитронов.
2.5. Компенсационные стабилизаторы напряжения
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования напряжения /3/.
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Uвых,В |
8 |
9.1 |
10 |
11 |
12.5 |
10 |
8 |
9 |
9.1 |
9.1 |
7.8 |
8.8 |
|
1.5 |
1.5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1.5 |
2 |
2.5 |
0.5 |
1.2 |
1.2 |
В |
1 |
1.5 |
1.5 |
1 |
1.5 |
5 |
1 |
2 |
1.5 |
1 |
1.2 |
1.8 |
Iн макс, мА |
6 |
7 |
7 |
6 |
6 |
5 |
6 |
4 |
3 |
5 |
10 |
8 |
Iн мин, мА |
4 |
4 |
3 |
5 |
3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2.5 |
5 |
4 |
a мин |
0.8 |
0.9 |
0.9 |
0.8 |
0.85 |
0.85 |
0.9 |
0.95 |
0.9 |
0.82 |
0.9 |
0.75 |
а макс |
1.2 |
1.1 |
1.2 |
1.1 |
1.1 |
1.2 |
1.1 |
1.05 |
1.05 |
1.2 |
1.15 |
1.2 |
A n |
0.15 |
0.2 |
0.1 |
0.13 |
0.14 |
0.11 |
0.12 |
0.15 |
0.08 |
0.1 |
0.3 |
0.25 |
% |
±0.5 |
±1 |
±1.5 |
±2 |
±2.5 |
±2 |
±2.5 |
±0.4 |
±1.5 |
±1.7 |
±0.6 |
±1.2 |
Вид расчета |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
∆Uвыхнд , % |
0.6 |
1 |
1.5 |
1 |
2 |
1.5 |
2 |
1 |
0.5 |
1.2 |
1.5 |
1.8 |
а nвых , % |
0.9 |
1 |
1.5 |
2 |
2 |
3 |
2,5 |
3.5 |
1.5 |
1.7 |
2.8 |
4 |
Tc , оС |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
Tc макс, оС |
50 |
60 |
40 |
60 |
40 |
60 |
45 |
50 |
40 |
60 |
65 |
70 |
Tc мин, оС |
-15 |
-25 |
0 |
-20 |
5 |
-30 |
-5 |
-10 |
3 |
-15 |
-30 |
-35 |
, % |
±2.5 |
±3.5 |
±2 |
±4 |
±2 |
±1 |
±0.5 |
±0.4 |
±0.1 |
±0.2 |
±0.8 |
±5 |
Таблица 2.1
№ варианта |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
Uвых,В |
10,5 |
10,5 |
13 |
10,5 |
7,8 |
9 |
8,8 |
8,9 |
7,9 |
8,9 |
10,2 |
10,8 |
12,8 |
|
1,6 |
0,6 |
1,5 |
1,7 |
1,3 |
1,8 |
1,3 |
0,6 |
1,35 |
1,3 |
1,2 |
0,8 |
1,4 |
В |
1 |
1,6 |
1 |
1,1 |
1,2 |
1,8 |
1,8 |
1,3 |
1,1 |
1,7 |
1,3 |
1,2 |
1,25 |
Iн макс, мА |
8 |
7 |
6 |
6 |
10 |
5 |
10 |
9 |
8 |
7,5 |
4 |
5 |
7 |
Iн мин, мА |
6 |
3 |
5 |
3 |
3 |
3 |
2 |
4 |
3,5 |
3,8 |
2,5 |
3 |
4 |
a мин |
0,8 |
0,9 |
0,75 |
0,8 |
0,85 |
0,8 |
0,7 |
0,9 |
0,83 |
0,86 |
0,92 |
0,87 |
0,78 |
а макс |
1,25 |
1,2 |
1,15 |
1,1 |
1,1 |
1,15 |
1,3 |
1,1 |
1,17 |
1,15 |
1,12 |
1,14 |
1,18 |
A n |
0,15 |
0,2 |
0,22 |
0,15 |
0,1 |
0,12 |
0,1 |
0,15 |
0,24 |
0,22 |
0,18 |
0,16 |
0,2 |
% |
±1,6 |
±2,2 |
±3 |
±2,5 |
±2 |
±2,3 |
±2,8 |
±1,5 |
±1,8 |
±1,4 |
±1,7 |
±1,8 |
±2,8 |
Вид расчета |
1 |
3 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
∆Uвыхнд , % |
0,8 |
1,5 |
0,8 |
1,2 |
4 |
1,2 |
3,5 |
3 |
2,8 |
1,6 |
1,2 |
1,4 |
1,7 |
а nвых , % |
1,6 |
1,75 |
1,9 |
1,8 |
2,4 |
3 |
1,2 |
2 |
1,7 |
2,5 |
1,8 |
1,9 |
2,2 |
Tc , оС |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
Tc макс, оС |
55 |
45 |
40 |
55 |
50 |
57 |
52 |
60 |
43 |
48 |
50 |
38 |
45 |
Tc мин, оС |
-20 |
-10 |
-8 |
-15 |
-20 |
-18 |
-12 |
-18 |
-3 |
-7 |
-5 |
2 |
0 |
, % |
±4 |
±3 |
±2,5 |
±0,8 |
±0,8 |
±0,47 |
±0,17 |
±0,24 |
±2,2 |
±3 |
±3,2 |
±2,8 |
±2,3 |
Продолжение табл. 2.1
В связи с этим параметры компенсационных стабилизаторов могут быть рассчитаны общими методами теории автоматического регулирования, и в частности методом разделения стабилизатора на ряд функциональных элементов, характеризуемых определенными параметрами (рис. 2.4).
Р ис. 2.4. Структурная схема компенсационного стабилизатора
напряжения
Управляющий элемент (УЭ) стабилизатора может быть разделен на два элемента: схему сравнения (СС) и усилитель постоянного тока (УПТ). С IT сигнал подается на регулирующий элемент (РЭ). В схеме сравнения, называемой иногда измерительным приборе, сравниваются выходное и спорков напряжения и выделяется разностный сигнал. В УПТ разностный сигнал усиливается и фазируется. Кроме напряжения Uвх1 для литания УПТ и элементов схемы сравнения могут использоваться напряжения Uвх2, Uвх3 и т.д. При указанном разделении параметры стабилизатора можно найти по параметрам элементов схемы на рис. 2.4, которую в ряде случаев можно упростить за счет объединения СС и УПТ с общим коэффициентом передачи Kус=Kу*Кс, где Ку - коэффициент усиления УПТ, Кс - коэффициент передачи СС (рис. 2.5)
Рис. 2.5. Упрощенная структурная схема компенсационного стабилизатора
При изменении входного сигнала на ∆Uвх1 на выходе стабилизатора возникает определенное возмущение, подаваемое, на вход УПТ через СС. При этом с выход УПТ на управляющий вход РЭ подается сигнал, создающий на выходе 'стабилизатора противофазное изменение выходного напряжения, из-за чего выходное напряжение восстанавливается с заданной статической ошибкой регулирования
(2.47) (2.47)
где Kp1 , Кр2 - соответственно коэффициенты передачи регулирующего элемента со входов возмущающего (Uвх1) и управляющего (Uу) воздействия на выход стабилизатора с учетом выходного сопротивления УПТ Rвх (рис. 2.5).
Коэффициент нестабильности РЭ по Uвх1 можно определить из (2.47) следующим образом
G1 = ∆Uвых/∆Uвх1 = Кр1/(1+Кус∙Кр2). (2.48) (2.48)
Рассуждая аналогично, можно показать, что при изменении тока нагрузки на ∆ iн
(2.49) (2.49)
где Rврэ - выходное сопротивление РЭ с учетом выходного сопротивления УПТ Rвх
Из (2.49)
(2.50) (2.50)
Как видно, при помощи схемы рис. 2.5, зная параметры СС, УПТ РЭ, можно определить G1- коэффициент нестабильности РЭ до Uвх1 и выходное сопротивление Rвых любых компенсационных стабилизаторов. Влияние же Uвх2 и Uвх3 действующих внутри УПТ и СС, можно оценить при анализе этих схем.
Рассмотрим схему /3/ транзисторного компенсационного стабилизатора (рис. 2.6).
Р ис. 2.6.Принципиальная схема транзисторного стабилизатора напряжения с УПТ
Rr и стабилитрон VD образующие параметрический стабилизатор опорного напряжения, резисторы целителя выходного напряжения Rд1 и Rд2 базовые цепи транзисторов VT 2 и VT 3, формирующие совместно с резистором Rэ дифференциальную схему сравнения; транзисторы VT 2 и VT 3 совместно с нагрузкой Rу работают одновременно в качестве элементов УПТ, нагрузка которого может питаться от дополнительного источники Uвхz или от источника питания РЭ Uвх1 (штриховые линии на рис. 2.6). Конденсатор Ск обеспечивает устойчивость стабилизатора, конденсатор Cн повышает устойчивость и улучшает частотные характеристики стабилизатора. На практике VT1 обычно выполнен в виде составного транзистора.
Рассматриваемый стабилизатор работает следующим образом. Опорное напряжение Uоп на базе VT3 сравнивается c частью входного напряжения Uвых*n , где n=Rд2/(Rд1+Rд2). При увеличении любого из напряжений питания Uвх1 , Uвх2 или сопротивления нагрузки Rн напряжение не выходе стабилизатора увеличивается, что приводит к увеличению тока коллектора транзистора VT2, Из-за падения напряжения на Ry уменьшаются ток базы и напряжение база - эмиттер регулирующего транзистора VTI, что приводит к уменьшению тока эмиттера регулирующего транзистора, примерно равного току нагрузки стабилизатора. При этом выходное напряжение уменьшается его значение восстанавливается с определенной статической ошибкой регулирования.
Методика расчета отдельных элементов схемы рис. 2.6 подробно рассмотрена в /3/, задания на компенсационных стабилизаторов выдаются студентам индивидуально.
2.6. Интегральные стабилизаторы напряжения
В стабилизаторах широко используются микросхемы -операционные интегральные усилители /3/, являющиеся УПТ (рис 2,4) и подробно рассмотренные в курсе аналоговые устройства (АЭУ). Поэтому при расчете этих схем надо использовать методику расчета УПТ из курса АЭУ.
Кроме стабилизаторов на стандартных интегральных УПТ разработаны специальные схемы интегральных стабилизаторов напряжения в гибридном и полупроводниковом исполнении. Гибридные стабилизаторы выполняю в виде законченных изделий на определенные напряжения и токи. Благодаря особенностям тонкопленочной технологии можно получить минимальную , выходное напряжение можно подгонять с точностью ± 0,05... 0,5 %. Поэтому гибридные микросхемы стабилизаторов, которые обычно дороже полупроводниковых, используют как стабилизаторы повышенной точности в устройствах специального назначения (измерительных, преобразовательных и т.д.). Подобные стабилизаторы /3/ имеют выходные напряжения 5; 6; 9; 12 и 15 Во точностью ± 0,5 % при токе нагрузки до 0,5 А; температурный коэффициент (ТКН) меньше ± 0,001 %/°С, гарантированный дрейф за 1000 ч меньше ± 0,5 %.
Из-за слишком высокой стоимости и невысокой надежности гибридные стабилизаторы находят ограниченное применение в качестве стабилизаторов небольшой мощности повышенной точности на фиксированные напряжения. Гибридные стабилизаторы отроят на элементах по схемотехнике, рассмотренной ранее для транзисторных стабилизаторов на дискретных элементах /3/.
Качественно новой ступенью в развитии техники транзисторных стабилизаторов явилась разработка полупроводниковых стабилизаторов на основе опыта изготовления линейных интегральных полупроводниковых схем. К ним относятся, например, трехвыводные стабилизаторы 142EH5, 142EH6. Кроме сравнительно мощных трехвыводных интегральных стабилизаторов разработаны специальные интегральные стабилизаторы /3/; двухполярные, прецизионные, низковольтные опорные, мощные четырехвыводные с дополнительным выводом для точной установки напряжения.
В качестве примера на рис. 2.7 приведена схема полупроводникового стабилизатора 142EHI.
Рис.2.7 Схема стабилиза-тора 142ЕН1
В ней использован двойной составной регулирующий транзистор, дифференциальная схема сравнения, работающая в одно-каскадном УПТ, термокомпенсированный источник опорного напряжения. Для стабилизации тока опорного стабилитрона и коллектора транзистора УПТ использованы два стабилизатора тока на полевых транзисторах VT1 и VT2 с изолированным затвором. В схеме имеется транзистор защиты VT9 и выведет средняя точка составного транзистора (вывод 14), что позволяет строить защиту по оптимальной схеме. У транзистора управления VT8 коллектор соединен с базой регулирующего транзистора.
Стабилизатор расположен в 16-выводном плоском корпусе. Максимальный ток нагрузки - до 150 мА, максимальная мощность при 25°С до 0,8 Вт без и до 2 Вт с теплоотводом. Входное и выходное напряжение соответственно 9...20 и 3..12 в, нестабильность при изменении напряжения питания 0, 1...0,3 %/В, при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения 0,2…0,5 %
Подключение внешних элементов при малых токах нагрузки показано на рис. 2.7. Обычно выходного напряжения (Rд1, Rдпер, Rд2), выходной конденсатор Cн(0.1..10 мкФ), фазокорректирующий конденсатор Ск (0,0001... 0,1 мкФ) резистор - датчик тока перегрузки Rз , делитель цепи защита R1 и R2 . Иногда параллельно опорному напряжению включают конденсатор Cоп уменьшающий выходные пульсации.
Выделим из микросхемы /1/ мощный выходной транзистор VT7, а всю остальную часть будем рассматривать как усилитель соответствующими параметрами д2у (выходная проводимость) и Ку (коэффициент усиления). Через параметры эквивалентной схемы замещения транзистора VT 7 микросхемы ее показатели как напряжения можно выразить следующий образом /1/:
Rвых = (rrт+ 1/дэ7+1/д2у)/[(1+β7)(1+NyKyNc)], (2.51)
где β7 – коэффициент усилия по току в схеме с общим эмиттером VT7, Ny=д2у/( д2у+Gy), Gy=1/(R1+R2), Nc=Gд1/(Gд1+Gд2+д1у), д1у-
входная проводимость схемы сравнения.
G1 = дкэ7∙Rвых+дкб7(rr7+1/дzy). (2.52)
2.7. Импульсные стабилизаторы
В стабилизаторах с импульсным регулированием регулируемое сопротивление заменяется ключом, что сводит до минимума рассеиваемую в нем мощность. Замыкаясь и размыкаясь, ключ то, подсоединяет, то отсоединяет нагрузку, и тем самым регулирует среднюю мощность, забираемую ею от источника. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения, вызываемых коммутацией ключа, в силовую цепь импульсного стабилизатора (рис. 2.8) включают специальный фильтр, состоящий из дросселя L , конденсатора С ,и разрядного диода VD.
Рис. 2.8. Структурная схема импульсного стабилизатора
Цепь обратной связи стабилизатора управляет интервалами времени, в течение которых ключ замкнут и разомкнут. Работой ключа можно управлять разными способами. если импульсное г на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса, то такую схему называют стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией (НИМ). Если же импульсное устройство заекает ключ при напряжении на выходе, меньшем некоторого порога, и размыкает его при превышении порога, то такую схему называют релейным или двухпозиционным стабилизатором.
Рассмотрим одну из схем преобразователей о ШИМ, принцип работы которой основан на сравнении сигнала ошибки и -меняющегося напряжения. В момент, соответствующий их равенству, вырабатывается сигнал, переводящий транзистор силовой цели в состояние отсечки. В насыщение силовой транзистор переводится в начале каждого такта работы задающего генератора. Такой принцип используется в микросхеме, предназначенной для применения в цепях управления импульсных стабилизаторов.
Микросхема включает в себя пять функциональных узлов: усилитель сигнала ошибки, преобразователь сигнала ошибки в последовательность управляющих импульсов, усилитель управляю- импульсов, маломощную силовую цепь и источник опорного на- напряжения. На рис. 2.9 элементы, входящие в микросхему, объединенных штриховой линией.
Рис.2.9. Импульсный стабилизатор на микросхеме
Усилитель сигнала ошибки - дифференциальный (транзисторы VT1 и VT2). На базу VT1 подается с делителя цепи сравнения часть выходного напряжения стабилизатора, на базу VT2опорное напряжение. Усиленный сигнал ошибки снимается о коллектора VT2, нагрузкой которого является простейший стабилизатор тока транзистор VT4- Транзистор VT3, включенный как диод, используется для формирования напряжения Uбэ транзистора VT4.
Транзисторы VT5 и VT6 входят в состав преобразователя ошибки в импульсную последовательность о переменной скважностью. Напряжение задающего генератора Vв через конденсатор С2, имеющий небольшую емкость, подается на мостовой выпрямитель (диоды VD1... VD 4), на нагрузке выпрямителя, т.е. между точками а и б, создается напряжение пилообразной формы.
Это напряжение должно иметь размах, достаточный для пере- вода VT6 в состояние насыщения. При возрастании потенциала на коллекторе Т2 напряжение растет и становится равным Uбэ2 . Такому напряжению соответствует, большая пауза между импульса ми напряжения, снимаемыми с общей эмиттерной нагрузки транзисторов VT5 и VT6 - резистора Rэ .
Транзисторы VT7, VT8 и VT9 являются усилителями импульсов, снимаемых с резистора Rэ. Усиленные импульсы с коллектора VT 9 через внешний делитель напряжения подаются на базу VT10, являющегося одним из транзисторов ключа, входящего в состав микросхемы. Этот ключ (VT10 и VT11) управляет в данной схеме стабилизатора внешним силовым ключом, выполненным также в виде транзистора VT14 и VT15
Транзистор VT12 и стабилитрон - VD 6 образуют схему формирования опорного напряжения. Диод VD 5 используется для термокомпенсации. Стабильное напряжение, получающееся на эмиттере VT12, задает величину напряжения "питания усилительно-преобразовательной части микросхемы. Оно туда через эмиттерный повторитель ( транзистор VT1З).
Показатели стабилизатора рассчитываются по формулам/1/
(2.53)
(2..54)
где r - зарядное сопротивление, Uэ - нормирующее напряжение, I0 - ток в нагрузке
Методика расчета схем импульсных стабилизаторов подробно приведена в /3/, задания студентам выдаются индивидуально.