Teoria_SURRT

Обычно минимальный ток стабилитрона VD превышает ток IБ2 транзистора VT2. Поэтому вводят дополнительное смещение с помощью сопротивления Rд от ИП напряжением –Ед (показано пунктиром): Iд IБ 2 IRд Eд Rд (Iд

(IRд) – ток стабилитрона (через сопротивление Rд)). Для исключения токопроводящей цепи стабилитрон VD включают в цепь эмиттера транзистора VT2, а базу последнего соединяют с выходом СТ (см. рис.2.6, в). В такой схеме транзистор VT2 работает при низком напряжении коллектор – база UКБ2 = UБЭ1 << U2, что является дополнительным преимуществом. Недостаток – повышенное входное сопротивление RУ Rв х2 rБ 2 ( 1 2 )( rЭ 2 rд ). Из-за этого возрастает выходное сопротивление Rв ых R RУ (1 1 2 ), что снижает коэффициент стабилизации, по сравнению с базовым включением, в три с лишним раза.

Типовые значения параметров двухкаскадных последовательных СТ со-

ставляют Rвых = 0,1…0,5 Ом, K = 200…800 и IН = 0,2…0,5 А. В случае бóльших токов (мощностей) и повышенных требований к коэффициенту стабилизации необходимо дальнейшее уменьшение характеристического сопротивления посредством увеличения коэффициента Ki . Это достигается либо использованием многокаскадных усилителей в сравнивающем и усилительном элементе СТ, либо применением в качестве VT1 составного Т, что наиболее часто используют на практике. Выпускаются составные (из двух элементов) Т, специально предназначенные для СТ. В такой схеме сопротивление Rвых может составлять сотые (тысячные) доли ома.

Рассмотренные СТ обеспечивают выходное напряжение U2 Uст (Uст – напряжение стабилизации диода VD). На практике часто необходимо иметь отличную от Uд = Uст величину, регулируемую ступенями. Наиболее распространенный способ повышения U2 представлен на рис. 2.6, г. Он пригоден также в

параллельных	СТ. Полагая	UБЭ 0, имеем	U 2 Uд ( Iд	Uд R2 )R1 .	Для
уменьшения	параметра RУ	сопротивление R2	выбирают	малым, так	что
Uд R2 Iд и	U 2 Uд ( 1 R1	R2 ) . При таком низкоомном делителе, сделав со-

противления переменными, можно плавно регулировать выходное напряжение. По теореме об эквивалентном генераторе рассматриваемая схема переходит в схему рис. 2.6, д, в которой Rдел R1 || R2 и R2 ( R1 R2 ) . В отсутствие

делителя приращение входного тока составляет IУ U2 ( rд RУ ) , с ним –

41

IУ U2 ( rд RУ Rдел ) , т.е. делитель уменьшает приращение IУ при одинаковом изменении U2. Это равносильно повышению RУ и соответственно R . Поэтому коэффициент стабилизации ухудшается:

K K0 ( 1 Rдел ( rд RУ )),

где K0 – коэффициент стабилизации без делителя.

Очевидно, даже в предельном случае Rдел = 0 СТ с делителем в 1 раз хуже

(U 2 U д 1 ). Поэтому при регулировании выходного напряжения параметры

СТ изменяются и оптимальны при U2 = U2 min .

Для получения малых регулируемых напряжений применяют схему рис. 2.6, е, в которой при R2 Uд Iд через сопротивление R1 протекает заданный ток IR 2 Uд R2 . Поэтому, изменяя R1, можно получить как большие, так и ма-

лые напряжения U2 (близкие к 0 В). Практически U2 min UБЭ = 0,7 В.

В СТ выходное напряжение равно U2 = Uд + UБЭ (Uд (UБЭ) – напряжение опорного элемента (база – эмиттер Т)) либо пропорционально этой сумме. Поэтому временной и температурный дрейф напряжения U2 определяется изменениями Uд и UБЭ при неизменных значениях U1 и RН . Временной дрейф параметра Uд практически отсутствует, аналогичный параметра UБЭ является хаотическим и во многом зависит от качества Т. Температурные зависимости Uд = = f1 (Т ) и UБЭ = f2 (Т ) определяются температурным коэффициентом напряжения. Применительно к стабилитронам > 0 и возрастает с повышением номинала Uд и ростом тока Iд. Коэффициент транзисторов является отрицательным при малых токах и уменьшается по модулю при увеличении тока IЭ . Практически положительная составляющая температурного коэффициента превалирует и напряжение U2 возрастает при увеличении температуры, так что его суммарный коэффициент составляет ст = 2…5 мВ/град. Если это неприемлемо, то применяют составной опорный элемент, сочетающий прямое и обратное включение стабилитронов. Он позволяет снизить значение ст до 0,1 мВ/град, но взаимная компенсация присутствует лишь в узком диапазоне тока Iд , что необходимо учитывать.

Выходное сопротивление транзисторных СТ, особенно многокаскадных, очень мало, но это справедливо для статической величины Rвых . При скачкооб-

42

Uоп( 1 Rос

разных изменениях тока IН коэффициент транзисторов в первый момент равен нулю, соответственно Ki (0) = 0, и начальное выходное сопротивление Rвых (0) R (0) rд + rБ + rЭ может на порядок превышать значение Rвых . Восстановление происходит через время, определяемое постоянной времени Т. Для исключения этого выход СТ шунтируют достаточно большой емкостью С, выбираемой по условию СRвых ср >> о, где о – эквивалентная постоянная времени, равная в первом приближении сумме постоянных всех транзисторов СТ; Rв ыхср Rв ых( 0 ) Rв ых – усредненное по интервалу переходного процесса выходное сопротивление [4]. При Rвых ср = 0,1 Ом и о = 10 мкс необходимое значение С составляет сотни микрофарад.

Коэффициент стабилизации K как функция характеристического сопротивления R – тоже комплексная величина. Ее модуль уменьшается с по-

вышением частоты пульсаций и скорости изменения напряжения U1. Но скачкообразные изменения U1 маловероятны, так как СТ питается от выпрямителя с фильтром.

СТ с активным регулирующим элементом часто называют компенсационным. Большое распространение получили СТ на операционных усилителях. Простейшая схема такого СТ, используемая при малых токах нагрузки, приведена на рис. 2.7, а. Напряжение U2 KоуUоп R1 ) (Kоу –

коэффициент усиления с ОС) остается постоянным при изменении нагрузки. Изменяя сопротивление Rос , можно регулировать величину U2. При большом токе IН применяют компенсационный СТ последовательного типа на операционном усилителе (рис.2.7, б). В нем требуемый диапазон регулирования выходного напряжения выбирается с помощью сопротивлений

R , R Ви Rпоследнее. время выпускаются СТ полностью в интегральном исполне-

1 2 3

нии. Они представляют собой трехполюсники (рис.2.7, в, г), конструируются на положитель-ные и отрицательные выходные напряжения величиной 5, 6, 8, 12, 15, 18 и 24 В при токах нагрузки до 3 А [7]. Для увеличения значения IН вместе с ним можно применять проходные Т. Такие СТ называются еще преобразователями постоянного тока в постоянный с высокой фильтрующей способностью (стабилизируют напряжение U2 в пределах 5 мВ).

43

+

VT

Rос

R1

R1

Rб

ОУ

R2

U

U1

Rн

оп

Uоп

R

ОУ

Rн

R

U2

2

U2

U

VD

3

1

VD

_

а

б

В них в качестве источника опорного

Вход

1

Выход

напряжения

помимо

стабилитрона

применяют Т по схеме с ОБ. Регули-

рующий элемент представляет состав-

ной Т из двух (нескольких) Т. Усили-

тельным элементом является операци-

в

онный усилитель или (в некоторых

случаях)

просто

дифференциальный

Вход

Выход

каскад.

Используется та

либо

другая

R1

форма внутреннего ограничения тока и

защита от температурных перегрузок.

R2

Отечественной промышленностью вы-

пускаются СТ последовательного типа

г

на гибридных

и

монолитных

инте-

гральных схемах (серии 275, 142).

Параллельные СТ нечувствитель-

Рис. 2.7. Построение СТ на

ны к токовым перегрузкам, так как с

интегральных схемах

увеличением тока IН уменьшается ток IР. При значениях IН >> IН max регулируемый Т запирается. В случае короткого замыкания на выходе напряжение U1 полностью падает на балластном сопротивлении R0. Последовательные СТ чувствительны к перегрузкам, поскольку токи IН и IР изменяются одинаково. При значениях IН > IН max усилительный и опорный элементы заперты, а регулируемый Т работает с максимальным базо-

44

вым током IБ, определяемым токоотводящим сопротивлением и разностью напряжений U1 – U2. Короткое замыкание увеличивает ток IБ, напряжение на Т возрастает в U1 (U1 U 2 ) раз. Это резко повышает рассеиваемую мощность, и

Т выходит из строя. Поэтому последовательные СТ дополняют защитным реле. При одинаковом значении IН в параллельных СТ необходимы более сильноточные (примерно вдвое) Т, чем в последовательных. Последние обладают более высоким коэффициентом полезного действия. Но при решении конкретных задач параллельные СТ могут быть практически равноценными, а с учетом их нагрузочной способности – даже оптимальным вариантом.

2.4. Общий анализ стабильности рабочей точки каскада

При построении устройства важно правильно выбрать рабочую точку каждого каскада (ток I К и напряжение U К покоя), через которую проходят ста-

тическая и динамическая линии нагрузки, а затем обеспечить ее в реальной схеме с помощью источников питания, смещения и режимных сопротивлений. Применительно к наиболее распространенной схеме с ОЭ сказанное представляется общей и эквивалентными схемами (рис. 2.8).

Эквивалентная схема для постоянных токов (см. рис. 2.8, б) соответствует модели на рис. 1.3, б при условии rБ 0 и rК . Она справедлива для лю-

бого включения БПТ: ОЭ, ОБ, ОК. Из нее, воспользовавшись принципом су-

перпозиции, с учетом I

К

I

Б

I

можно получить [4]

КО

IК

( E

БЭ

U

БЭ

)( R

БЭ

) 1

I

К 0

(2.11)

1 Б

EК U Б U КБ IК RК ,

EК UЭ U КЭ IК RК ,

(2.12)

где EБЭ EБ EЭ ;

RБЭ RБ RЭ ;

, IК 0 – параметры транзистора VT;

45

Rк

		С2		Б Iб	Б'	б
С1				Uбэ
		VT				I
						к
					Э	*
						Iк0
Rи	Rб	Rэ	Rн	Rб	Rэ	Rк
Eи	Eб	E э	Eк	Eб	Eэ	Eк
					Iэ

а

Б RЭ ( RЭ RБ ) – коэффициент токорас-

пределения коллекторного тока I К в базо-

вую цепь;

U Б , UЭ , U БЭ , U КБ , U КЭ – напряжения на базе, эмиттере, база – эмиттер, коллектор – база и коллектор – эмиттер Т; EЭ , EБ , EК –

напряжения источников питания и смещения.

б

(Iб+I к)

0

		б
	U	(1+ ) I к0
	бэ
Rб	Rэ	Iк
Iб	Iэ	Rк

Выражения (2.11) и (2.12) позволяют
выбрать величины EБ ( Э , К ) и RЭ( Б ,К ) , если
известна рабочая точка и параметры Т (при	в
необходимости учета сопротивления rБ базы
его добавляют к RБ ). При этом некоторыми	Рис. 2.8. Общая (а) и
искомыми параметрами задаются, так как	эквивалентные (б, в) схемы
уравнений меньше, чем неизвестных. В кон-	питания БПТ

кретных случаях часть сопротивлений и источников может отсутствовать. Обычно цепь коллектора рассчитывают по одному из уравнений (2.12), цепь смещения – по выражению (2.11).

Всякое смещение рабочей точки вызывает изменение дифференциальных параметров Т, определяемых режимом. Если смещение происходит под влиянием температуры, то присутствует так называемая косвенная зависимость па-

46

раметров от температуры (прямая наблюдается при неизменной рабочей точке). Стабилизация рабочей точки с помощью ОС по постоянному току – важнейшая задача проектирования транзисторных каскадов.

Ток коллектора зависит от параметров , I К 0 и U БЭ

(см. (2.11)). Поэтому

IК IК IК 0 IК 0 IК U БЭ U БЭ IК .

Отсюда с помощью I К I Б ( 1 )I К 0 и рис. 2.8, а можно получить

I К I Б I Б (1 ) I К 0 I К 0 ,

IБ

U БЭ

RБЭ Б IК .

(2.13)

Подставляя далее в (2.13) второе уравнение в первое, имеем [4]

IК 0

UБЭ

IЭ

IК

(2.14)

S

RБЭ

(1

)

,

где S

(1 Б ) – коэффициент нестабильности; – коэффициент переда-

чи тока Т в схеме с ОБ.

Выражениям (2.13) соответствует эквивалентная схема для приращений токов и напряжений (см. рис. 2.8, в). Из модели (2.14) следует, что приращение

I К тем меньше,	чем меньше коэффициент нестабильности. Его предельные
значения Smin	( Б 1) и Smax ( Б 0 ). Поэтому для максимальной ста-
бильности необходимо обеспечить RЭ RБ , что не всегда достижимо. Прием-
лемый результат получается при отношении RЭ RБ = 0,5…1,0 , которому соот-
ветствуют Б = 0,3… 0,5 и S = 2…5.
Из выражений (2.14)		и (2.11) при дополнительном условии RЭ RБ ≈
( S 1) 1 (справедливо при		S ) следует относительное изменение коллек-

торного тока

I

К

U

БЭ

R

( I

К 0

I

Э

( ( 1 )) 1

)

БЭ

,

(2.15)

EБЭ IК 0 RБЭ U БЭ

IК

которое не зависит от параметра S (отношения RЭ RБ ), а определяется сум-

марным сопротивлением RБЭ . Последнее должно быть небольшим. В пределе

47

	RБЭ 0	относительное изменение тока				определяется	относительной		неста-
	бильностью напряжения U БЭ . Выражения (2.14) или (2.15) совместно с (2.11)
	обеспечивают две связи между тремя величинами EБЭ ,						RЭ и RБ , подлежащими
	нахождению при статическом расчете каскада: задаваясь одной из них, находят
	две другие. Приращения I К 0 , U БЭ и					обусловлены разбросом параметров
	Т, временным и температурным дрейфом.
	2.5. Основные схемы задания рабочей точки в каскадах
	На практике для смещения и стабилизации тока БПТ применяют схемы
	коллекторной, эмиттерной и комбинированной стабилизации [2, 4]. В первой
	из них (рис. 2.9, а) стабилизация тока I К					осуществляется за счет дестабилиза-
	ции тока I Б			(изменяется напряжение U КБ		транзистора VT). Расчеты показыва-
	ют, что высокая стабильность обеспечивается только при большом сопротив-
	лении RК , на котором падает до 80% напряжения ИП. Это неприемлемо. По-
	этому сопротивление R1				рассчитывают для нормального режима, затем находят
	получающуюся нестабильность и оценивают ее: допустима или нет. С учетом
	I К ( I Б		I К 0 ) искомое сопротивление R1 (U К U БЭ ) ( IК					IК 0 ) (U К , I К
	– напряжение и ток, определяющие выбранную рабочую точку).
	Наиболее часто используют схему эмиттерной стабилизации (рис. 2.9, б).
	Она, как и предыдущая схема, основана						+Eк		+E к
	на отрицательной ОС				по постоянному
							Rк
	току.	Чем		меньше	сопротивление	R1		R1	Rк
	RБ R1 || R2 ,			тем меньше напряжение U Б
	зависит от изменения тока I Б и тем луч-						VT		VT
	ше стабилизация. Но низкоомный дели-					R2	Rэ	R2	Rэ
	тель R1R2		шунтирует входное сопротив-
	ление Rв х		транзистора и увеличивает рас-			а)		б)
	ход мощности ИП. Поэтому сопротивле-
	ние RБ	выбирают из			условия RБ RЭ .	Рис. 2.9. Схемы смещения и
							стабилизации БПТ

48

Для его увеличения сопротивление RЭ следует брать возможно большим. Ог-

раничивающим фактором здесь является рост напряжения U Э IЭ RЭ .
	При расчете схемы эмиттерной стабилизации из трех неизвестных вели-
чин	EБЭ , RЭ и RБ задаются либо сопротивлением RБ , исходя из		условия
RБ Rв х , либо (реже) сопротивлением RЭ , исходя из падения напряжения UЭ
или	других	соображений. Если выбирают сопротивление RБ , то,	полагая
IК	IК доп ,	с учетом EБЭ EБ EК R2 ( R1 R2 ) из выражения (2.14)	находят

необходимую величину RЭ [4]:

RЭ

( IК допRБ UБЭ )

RБ .

(2.16)

I

( I

I

( 1 ) 2

К доп

К 0

Э

)

Если выбирают сопротивление RЭ , то,

поступая аналогично, определяют тре-

буемое значение RБ :

RБ

( I К допRЭ U БЭ )

RЭ ,

(2.17)

( 1

)( I

I

( 1 ) 2

) I

К 0

Э

К доп

где IК доп – максимально допустимое изменение тока I К , вытекающее из тре-

бований к стабильности рабочей точки каскада.

Далее,

учитывая

равенства

U Б EБ IБ RБ

EК RБ

R1 IБ RБ

и

U Б U БЭ IЭ RЭ

(см. рис. 2.8, а и 2.9, б), по известным значениям RЭ и RБ

на-

ходят сопротивление

R1 EК

( IБ (U БЭ IЭ RЭ ) RБ ) ,

(2.18)

а зная величины R1 и RБ , – сопротивление

R (1 R

1 R ) 1 .

(2.19)

2

Б

1

Схема комбинированной стабилизации, по сравнению с коллекторной, дополнительно содержит сопротивления R2 и RЭ (см. рис.2.9, а) и сочетает две отрицательные ОС по постоянному току: последовательную и параллельную. Вклад сопротивления RК в стабилизацию тока I К ниже, чем сопротивления

49

RЭ , так как приращение напряжения UЭ действует целиком во входной цепи Т,

а приращение напряжения U К ослабляется делителем R1R2 . Результирующее изменение IК меньше, чем при эмиттерной стабилизации. Выигрыш тем больше, чем меньше отношение A ( R1 R2 ) RК . Преимущества схемы прояв-

ляются, когда A 1. Но такой низкоомный делитель, улучшая стабильность в 2…3 раза, одновременно снижает усиление и входное сопротивление каскада.

Расчет схемы выполняют в следующей последовательности. С учетом выражений (2.16) или (2.17) выбирают сопротивления RЭ и RБ . Подставляя в формулу (2.18) вместо напряжения ИП EК напряжение U К U КЭ IЭ RЭ , от ко-

торого питается делитель, находят сопротивление R1 , потом с помощью (2.19)

– R2 . Зная их, выбирают сопротивление RК : RК R1 R2 . Учитывая, что через последнее протекают токи коллектора и делителя, определяют напряжение ИП:

EК U КЭ IЭ RЭ IК (U КЭ IЭ RЭ )( R1 R2 ) RК .

Рассмотренные схемы справедливы на постоянном токе, пригодны для любого включения Т (ОЭ, ОБ, ОК). В рабочем состоянии их надо дополнить соответствующими переходными и блокирующими емкостями.

Возможно бόльшая стабилизация рабочей точки полезна не всегда: в Т, помимо косвенной, присутствует прямая зависимость параметров от температуры. Например, коэффициент БПТ возрастает с увеличением температуры при неизменных значениях I К и U К . Поэтому иногда допускают некоторое уве-

личение тока и уменьшение напряжения, чтобы режимное	приращение
( I К ,U К ) частично компенсировало температурное изменение	( Т ). Это

обеспечивает бόльшую стабильность усиления, если она первостепенна. Сказанное не относится к усилителям постоянного тока, где дрейф рабочей точки нежелателен. В них реализуют максимальную стабилизацию.

Для повышения температурной стабильности в схемах на БПТ используют термосопротивления. Наиболее часто термосопротивление Rt , имеющее от-

рицательный температурный коэффициент R , включают в нижнее плечо базо-

вого делителя (см. рис. 2.9, а, б). В качестве элемента Rt можно применять смещенный в прямом (обратном) направлении диод, иногда последовательно соединяемый с обычным сопротивлением. Диодную стабилизацию тока кол-

50