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 U_ст при опре­деленном номинальном токе I_ст и окружающей температуре –Т_с;

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 dU_стт 100 ∆U_стт λ_ст

ст = = = ∙100; (2.3)

U_ст dТ U_ст ∆Т U_ст

при постоянном токе стабилизации I_ст.

При линейной аппроксимации характеристик, зная рассмотрен­ные параметры, легко определить напряжение U_ст 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 I_ст и гасящий резистор, r а напряжение на выходе U_вых и ток нагрузки I_н 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 Е_вх , величину сопротивления R_r, обеспечивающих заданные параметры, определить данные, необходимые для расчета выпрямителя: макси- мальный ток выпрямителя I_вхмакс, максимальную мощность Р_вхмакс, 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 U_вых. В качестве примера приведем силовые параметры U_вых=8 В и до­пуски на разброс входного напряжения ∆ U_выхмин=I В в сторону уменьшения U_{выхмакс}=I В в сторону увеличения.

2. Максимальный I_нмакс=5 мА и минимальный I_нмин=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 U_п- амплитуда а напряжения пульсации входного напряжения.

5. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхсд = ±0.6 % при изменении входно­го напряжения (напряжения сети), в заданных пределах.

6. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхнв=0.7% при изменении тока нагрузки от I_нмакс до I_нмин.

7. Максимально допустимая относительная амплитуда пульса- выходного напряжения а_пвыхд=0.5% 8. Номинальная температура окружающей среды Т_с = ± 20 С, минимальная T_смин=-10^оС и максимальная Т_смакс=±50^оС

9. Максимально допустимая относительная температурная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхтд =±2,5 % при из­менении температуры на ∆Т_смин=Т_с - Т_смин и ∆Т_смакс=Т_смакс-Т_с .

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 ∆U_стном , допустимый разброс ∆U_{ст ном} . Для рассматриваемого примера выбираем стабилитрон- KCI80A /6...8/с U_{cт ном}=8 В, U_{ст ном}=±0.8 В, для которого

U_{cт мин}=U_{вых мин}=U_{ст ном}- U_{ст ном}=8-0.9=7,2 В, (2.7)

U_{ст макс}=U_{вых макс}=U_{ст ном}+ U_{ст ном}=8+0.8=8,8 В, (2.8)

При заданном U_вых = 8 В получаем U_{вых мин} = 0.8 В U_{вых 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

∆U_выхт =  _ст ∙вТ = 0,05∙30 = 1,5% (2.9)

что удовлетворяет заданным требованиям (± 2,5 %).

3.Находим среднее значение требуемого выходного сопротив­ления стабилизатора

∆ U_выхнд ∙ U_вых 0,7 ∙8

R _выхд = = = 28 Ом. (2.10) (2.9)

100 (Iнмакс - Iнмин) 100 (5-3)∙10^-3

4. Выбираем I_{ст мин}, при котором суммарное дифференциальное сопротивление на постоянном токе было бы меньше R_выхд из справочных данных находим для этого, тока R_д следующим образом:

а) выбираем I_{cт мин}= 5 мА. Для этого тока R_д (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 R_t=0.15^оС/мВт, находим тепловую составляющую дифференциального сопротивления

(2.12)

г) определяем полное сопротивление

R_д=R_д+R_дt=15+7,26 =22.26 Ом (2.13)

и убеждаемся, что оно меньше R_выхд .

5. Находим среднее значение допустимого коэффициента стабилизации

(2.14)

(2.15)

где х- наибольшая из разностей а_макс-I или I-a_мин.

Для рассматриваемого примера

6.Определяем максимальный коэффициент стабилизации

(2.16)

(2.17)

и убеждаемся, что

обычно желательно, чтобы

(2.18)

Если К_сстщд>> K_стмакс , 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 E_вх , обеспечивающего заданный коэффициент стабилизации

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

Выбираем E_вх =30 В.

8.Определяем внутреннее сопротивление выпрямителя

9.Находим номинальную величину реального гасящего резис­тора R₁ ( не включая внутреннего сопротивления выпрямителя)

-

Выбираем R_г = 1,2 кОм ± 5 %

10.Уточняем значение коэффициента стабилизации с учетом того, что R´_г=R_r+R_в

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

I_вхмакс = I_стмакс + I_стмин = 14,9+3=17,9 (мА) (2.27)

Е_вх - Е_вых 30-8

I _вх = = = 14,7 (мА) (2.28)

R_γ+R_в 1200+300

Р_вхмакс = I_вхмакс* Е_вх*а_макс – I²_вхмаксR_в = 0,49 (Вт) (2.29)

Р_вх = I_вх * Е_вх – I²_вх R_в =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- A_мин (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 γ_д<0 в отличие от основного стабилитрона VD1 с Y_ст>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 α_ст=0,05%^оС и =8 В можно определить

γ_ст=0,01U_cт* α_ст=0,01*8*0,05=4мВ/^оС.

Для диодов можно считать γ_д=-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 γ_ст = 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 γ_д = -2,2 мВ/°С. Задаемся величиной минимального дополнительного тока I_прмин= 10...15 мА. Проверяем выполнение требований по ∆U_{вых тд} (см.пункт 2 подраздела 2.2).

2. Вычисляем полное дифференциальное сопротивление стаби- литрона R_д (см.пункт 4 позраздела 2.2), термокомпенсированных р-п переходов R_дпр(при токе I_прмин+I_стмин), суммарное сопротивление.

R_д∑ = R_д R_дпр , (2.37)

которое является выходным сопротивлением R_вых стабилизато­ра должно удовлетворять условию

R_вых<R_выхд (2.38)

где R_{вых д} определяется из формулы (2.10).

Если условие (2.38) не выполняется, то надо выбрать другой стабилитрон VDI с меньшим R_д.

3.Определяем величину напряжения питания дополнительного источника

_пр∑ (2.39)

где U_пр∑ - суммарное прямое напряжение р-п переходов VD2 и VD 3.

4.Находим величину гасящего сопротивления

(2.40)

где R_r1 включает внутреннее сопротивление дополнительного источника R_в1.

5.Вычисляем величину основного источника напряжения

(2.41)

6.Определяем гасящее сопротивление

(2.42)

7.Находим коэффициенты стабилизации

(2.43)

K_ст1 = (R_r1/R _дпр)(U_вых/Е_вх1), (2.44)

где U_вых = U_ст + U_пр∑

8.Определяем результирующий коэффициент стабилизации

K_ст∑ = (K_ст*K _ст1)/( K_ст+K _ст1) (2.45)

и сравниваем его с допустимым

K_ст∑ > K_стд , (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 U_вх1 для литания УПТ и эле­ментов схемы сравнения могут использоваться напряжения U_вх2, U_вх3 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 K_ус=K_у*К_с, где К_у - коэффициент усиления УПТ, К_с - коэффициент передачи СС (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Упрощенная структурная схема компенсационного стабилизатора

При изменении входного сигнала на ∆U_вх1 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 K_p1 , К_р2 - соответственно коэффициенты передачи регули­рующего элемента со входов возмущающего (U_вх1) и управляющего (U_у) воздействия на выход стабилизатора с учетом выходного сопротивления УПТ R_вх (рис. 2.5).

Коэффициент нестабильности РЭ по U_вх1 можно определить из (2.47) следующим образом

_G1 = ∆U_вых/∆U_вх1 = К_р1/(1+К_ус∙К_р2). (2.48) (2.48)

Рассуждая аналогично, можно показать, что при изменении тока нагрузки на ∆ i_н

(2.49) (2.49)

где R_врэ - выходное сопротивление РЭ с учетом выходного сопротивления УПТ R_вх

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 U_вх1 и выходное сопротивление R_вых любых компенсационных стабилизаторов. Влияние же U_вх2 и U_вх3 действующих внутри УПТ и СС, можно оценить при анализе этих схем.

Рассмотрим схему /3/ транзисторного компенсационного ста­билизатора (рис. 2.6).

в компенсационном стабилизаторе последовательным РЭ служит транзистор VTI, элементами схемы сравнения - резистор

Р ис. 2.6.Принципиальная схема транзисторного стабилизатора напряжения с УПТ

R_r и стабилитрон VD образующие параметрический стабилиза­тор опорного напряжения, резисторы целителя выходного напряже­ния R_д1 и R_д2 базовые цепи транзисторов VT 2 и VT 3, формирующие совместно с резистором R_э дифференциальную схе­му сравнения; транзисторы VT 2 и VT 3 совместно с нагрузкой R_у работают одновременно в качестве элементов УПТ, нагруз­ка которого может питаться от дополнительного источники U_вхz или от источника питания РЭ U_вх1 (штриховые линии на рис. 2.6). Конденсатор С_к обеспечивает устойчивость стабили­затора, конденсатор C_н повышает устойчивость и улучшает частотные характеристики стабилизатора. На практике VT1 обычно выполнен в виде составного транзистора.

Рассматриваемый стабилизатор работает следующим образом. Опорное напряжение U_оп на базе VT3 сравнивается c частью входного напряжения U_вых*n , где n=R_д2/(R_д1+R_д2). При увеличении любого из напряжений питания U_вх1 , U_вх2 или сопротивления нагрузки R_н напряжение не выходе стаби­лизатора увеличивается, что приводит к увеличению тока кол­лектора транзистора VT2, Из-за падения напряжения на R_y 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 (R_д1, R_дпер, R_д2), выходной конденсатор C_н(0.1..10 мкФ), фазокорректирующий конденсатор С_к (0,0001... 0,1 мкФ) резистор - датчик тока перегрузки R_з , делитель це­пи защита R₁ и R₂ . Иногда параллельно опорному напряжению включают конденсатор C_оп уменьшающий выходные пульсации.

Выделим из микросхемы /1/ мощный выходной транзистор VT7, а всю остальную часть будем рассматривать как усилитель соответствующими параметрами д_2у (выходная проводимость) и К_у (коэффициент усиления). Через параметры эквивалентной схемы замещения транзистора VT 7 микросхемы ее показатели как напряжения можно выразить следующий образом /1/:

R_вых = (r_rт+ 1/д_э7+1/д_2у)/[(1+β₇)(1+N_yK_yN_c)], (2.51)

где β₇ – коэффициент усилия по току в схеме с общим эмиттером VT7, N_y=д_2у/( д_2у+G_y), G_y=1/(R₁+R₂), N_c=G_д1/(G_д1+G_д2+д_1у), д_1у-

входная проводимость схемы сравнения.

G₁ = д_кэ7∙R_вых+д_кб7(r_r7+1/д_zy). (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 U_бэ тран­зистора VT4.

Транзисторы VT5 и VT6 входят в состав преобразовате­ля ошибки в импульсную последовательность о перемен­ной скважностью. Напряжение задающего генератора V_в 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 U_бэ2 . Такому напряжению соответствует, большая пауза между импульса ми напряжения, снимаемыми с общей эмиттерной нагрузки транзисторов VT5 и VT6 - резистора R_э .

Транзисторы VT7, VT8 и VT9 являются усилителями им­пульсов, снимаемых с резистора R_э. 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, U_э - нормирующее напря­жение, I₀ - ток в нагрузке

Методика расчета схем импульсных стабилизаторов подробно приведена в /3/, задания студентам выдаются индивидуально.