книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ПОСТРОЕНИЕ, АНАЛИЗ И РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРОВ МИЛЛИВОЛЬТОВЫХ И НИЗКИХ

НАПРЯЖЕНИИ С РЕЛАКСАЦИОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ В КАЧЕСТВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ЭЛЕМЕНТА

12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ С Х ЕМ Ы СТАБИЛИЗАТОРОВ

Особенность рассматриваемых в данной главе схем стабилизаторов напряжения заключается в том, что в этих схемах в качестве измерительного элемента ис­ пользуются генератор релаксационных колебаний, вы­ полненный на туннельном диоде и индуктивности, а ре­ гулирующий элемент работает в режиме высокочастот­ ного переключения [Л. 19].

Существующие стабилизаторы на выходные напря­ жения 0,2—6,3 в, построенные по схемам с непрерывным регулированием, крайне неэкономичны, так как потери в регулирующем транзисторе и в источниках эталонного напряжения могут быть во много раз больше отдавае­ мой стабилизатором мощности.

В транзисторных стабилизаторах непрерывного ти­ па, кроме отмеченных выше недостатков, касающихся регулирующих элементов, имеются и недостатки, отно­ сящиеся к усилительным и измерительным элементам.

Транзисторные усилители постоянного тока обладают значительным временным и температурным дрейфом, а температурная нестабильность источников эталонного напряжения (кремниевых стабилитронов) может суще­ ственно превосходить требуемую нестабильность выход­ ного напряжения. Все это приводит к необходимости принятия дополнительных мер, направленных на ком­ пенсацию температурного дрейфа усилителей постоян­ ного тока и источника эталонного напряжения, что в значительной степени усложняет схему стабилизатора напряжения.

Ключевым стабилизаторам низкого напряжения так­ же присущи некоторые серьезные недостатки. В этих схемах не снимается вопрос о мерах компенсации тем­ пературного дрейфа источника эталонного напряжения и эта задача существенно усложняется по мере умень­ шения выходного напряжения стабилизатора. Наличие

в цепях регулирования значительных по величине реак­ тивных элементов (индуктивностей и емкостей) не по­ зволяет формировать управляющие импульсы с высо­ кой частотой и большой крутизной фронтов и срезов.

Аэто приводит к следующим недостаткам:

1) ухудшаются динамические характеристики стаби­ лизаторов, поскольку частота переключений регулирую­

мента релаксационного генератора на туннельном дио­ де и индуктивности, который является одновременно и звеном формирования управляющих импульсов, свободны от многих из указанных выше недостатков. Данный ме­ тод построения электрических схем позволяет проектиро­ вать стабилизаторы напряжения с высокими значениями выходных параметров, рассчитанных на напряжение от долей вольта до 5—6,3 в и токи нагрузки от единиц мил­ лиампер до десятков ампер.

На рис. 50 приведена простейшая схема стабилизато­ ра милливольтовых напряжений с токами нагрузки от единиц миллиампер до нескольких сотен миллиампер.

Стабилизатор работает следующим образом.

При подаче на стабилизатор питающего напряжения

100

входным сигналом составного транзистора Т{, Т2. Этот то«, предварительно усиленный транзистором Т2, проте­ кая через переход эмиттер — база проходного транзисто­ ра Гі, выводит его в область, близкую к насыщению. В результате этого напряжение на выходе стабилизатора возрастает до значения, близкого к номинальному. Од­ нако, как только выходное напряжение достигает этого значения, начинает работать релаксационный генератор, состоящий из туннельного диода Д2, дросселя Др и ре­ зистора Rß. Прямоугольные импульсы высокой частоты, вырабатываемые генератором, через разделительный диод Ді подаются на вход интегрирующего усилителя, состоящего из транзистора Т3, резисторов R 3—Rs и кон­ денсатора С1. Амплитуда генерируемых импульсов зна­ чительно превышает то минимальное значение, при ко­ тором генератор запускается, и вполне достаточна для того, чтобы перевести транзистор Т3 в область насыще­ ния. В результате этого рабочая точка транзистора Т2 переместится из области насыщения в область отсечки, ток коллектора транзистора Г[ резко упадет до нуля и напряжение на выходе стабилизатора начнет умень­ шаться с постоянной времени, равной R HR ß C / ( R a + R ß ) - При снижении этого напряжения до некоторого мини­ мального значения произойдет срыв генерации релакса­ ционного генератора и рабочая точка транзистора Ті вновь возвратится в область, близкую к насыщению, что приведет к увеличению напряжения на выходе стабили­ затора. Таким образом, в процессе работы напряжение на выходе стабилизатора будет колебаться около неко­ торого, заранее выбранного значения, величину кото­ рого можно устанавливать потенциометром RB.

Пунктиром в данной схеме показаны резисторы Ri—Rq и транзистор Т&, назначение которых пояснено в § 15 и 18.

Стабилизатор, выполненный по схеме рис. 50, позво­ ляет получить напряжение от 0,2 до 12,6 в, при токах нагрузки до 0,5 а. Коэффициент стабилизации данной схемы при одновременном изменении напряжения сети, тока нагрузки и температуры окружающей среды в ши­ роких пределах достигает значений 80—100. Коэффи­ циент полезного действия стабилизатора, выполненного по данной схеме при выходном напряжении 0,25 в и то­ ке нагрузки 0,1 а, составляет около 5%, а при выходном напряжении 5 в и при токе нагрузки 0,1 а — приближа­

101

у к а за н н ы х вы ш е зн а ч е н и я х в ы хо д н о г о н а п р я ж ен и я .

токи нагрузки, равные единицам ампер.

ного умощняющего транзистора и резистора Ri, кото­ рый способствует уменьшению времени формирования отрицательного фронта импульса при запирании проход­ ного транзистора Ttl. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в § 15. Можно значительно повысить к. п. д. стабилизаторов низких и милливольтовых напряжений, используя схему на рис. 52, с раздельным питанием си­ лового регулирующего транзистора и всей остальной части схемы. Раздельное питание проходного транзи­ стора наиболее целесообразно применять в стабилизато­ рах с выходными напряжениями от 0,2 до 2,4 в, при то­ ках нагрузки более одного ампера.

В этом случае получается значительный выигрыш в к. п. д. по сравнению со схемами, в которых питание стабилизаторов осуществляется от одного общего вы­ прямителя.

102

Поясним это на примере двух стабилизаторов с вы­ ходными напряжениями 0,25 в и токами нагрузки 5 а, один из которых выполнен по схеме рис. 51, а второй по схеме рис. 52.

Для обеспечения нормального режима работы инте­ грирующего усилителя Т3 и ключевого режима транзи­ стора Тг напряжение на выходе выпрямителя как в пер­ вой, так и во второй схемах должно быть не менее 4 в, тогда как напряжение источника питания силовой части стабилизатора может быть значительно уменьшено.

Рис. 52. Принципиальная электрическая схема низко­ вольтного стабилизатора с повышенным к. и. д.

Это напряжение определяется суммой выходного на­ пряжения стабилизатора и минимально допустимого на­ пряжения на проходном транзисторе. В данном случае (при Нвых=0,25 е) минимальное напряжение на проход­ ном транзисторе может быть уменьшено до 2 в. Тогда в стабилизаторе рис. 51 на коллекторе проходного тран­

ведет к увеличению к. п. д. стабилизатора, выполненно­ го по схеме рис. 52, примерно в 1,5 раза.

•Стабилизаторы милливольтовых и низких напряже­ ний (от 0,2 до 5 в) на выходную мощность порядка 20—

* Мощность рассеивания на коллекторе определена без учета импульсного режима работы проходного транзистора, поскольку в данном случае представляет интерес не абсолютная мощность рас­ сеивания, а соотношение мощностей, выделяемых на проходных транзисторах в первом и втором случаях.

103

30 er могут быть выполнены по схеме рис. 53. По этой схеме целесообразно строить стабилизаторы в тех слу­ чаях, когда требуемые токи нагрузки или мощность рас­ сеивания на регулирующем транзисторе (рис. 52) пре­ вышают предельно допустимые значения, оговоренные техническими условиями на силовые транзисторы, выпу­ скаемые промышленностью. Особенность схемы рис. 53 состоит в том, что здесь осуществляется стабилизация повышенного (по сравнению с выходным) напряжения при значительно меньшем токе через проходной транзи­ стор Т1 (по сравнению с током нагрузки). В данной схе-

Рис. 53. Принципиальная электрическая схема низковольтно­ го стабилизатора на токи нагрузки, равные десяткам ампер.

ме к выходу ключевого стабилизатора повышенного напряжения подключен преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах Т5, Г6 и резисторах fa —fa, конденсаторах Cit—С7 и трансформаторе Тр2, настроен­ ный на частоту переключения порядка 10 кгц. Выходное напряжение снимается со вторичной обмотки Тр2, вы­ прямляется двухполупериодным выпрямителем Д 3, Ді и сглаживается фильтром Др2, С8. Такое построение схемы приводит к уменьшению напряжения насыщения транзи­ стора Ті, что в свою очередь позволяет уменьшить мини­ мально допустимое напряжение на коллекторе данного транзистора и таким образом значительно снизить его мощность рассеяния. Транзисторы Г5, Г8 преобразова­ теля напряжения здесь работают также в облегченном

104

режиме, поскольку коммутируемые ими токи меньше то­ ка нагрузки. Величина выходного напряжения зависит от коэффициента трансформации трансформатора Трг и практически может быть выбрана любой в пределах от 0,2 до нескольких (примерно пяти) вольт при входном стабилизированном напряжении преобразователя, рав­ ном примерно 50 в. Если требуется получить более высокое выходное напряжение, то необходимо увеличить стабилизированное входное напряжение преобразовате­ ля. Если этого не сделать, то схема будет менее эффек­ тивной, поскольку с уменьшением коэффициента транс­ формации Тр2 увеличивается ток, протекающий через транзистор Ті, а также увеличиваются токи переключе­ ния транзисторов Т5, Тв.

К особенностям данной схемы необходимо также от­ нести то, что в ней осуществлена гальваническая развяз­ ка низковольтного выхода стабилизатора от более высо­ кого напряжения, под которым находится вход преобра­ зователя напряжения.

Принцип действия ключевого -стабилизатора напря­ жения, выполненного по данной схеме, аналогичен прин­ ципу действия стабилизаторов, построенных по уже рас­ смотренным схемам.

Здесь, как и в предыдущих схемах, измерительным элементом является релаксационный генератор, а ста­ билизация осуществляется с помощью транзистора, ра­ ботающего в ключевом режиме. Отличие данной схемы состоит только в том, что в ней с целью обеспечения гальванической развязки между сетью переменного на­ пряжения и выходом стабилизатора использован им­ пульсный трансформатор Tpit первичная обмотка кото­ рого через разделительный конденсатор С2 подключена к выходу релаксационного генератора, а вторичная об­ мотка — ко входу интегрирующего усилителя.

Цепочка, состоящая из диода Ді и резистора Rs,' по­ зволяет обеспечить более надежное и быстрое запирание транзистора Г4 при прекращении работы релаксацион­ ного генератора.

Стабилизатор напряжения по схеме рис. 53 может питаться как от трехфазной сети, так и от однофазной. Но на практике обычно используют трехфазную.сеть, так как это позволяет избежать асимметрии нагрузки в ней, несколько увеличить к. п. д. трансформатора и уменьшить пульсации выпрямленного напряжения.

105

На рис. 54 приведена бестрансформаторііая схема стабилизатора низких напряжений. Принцип действия данной схемы аналогичен принципу действия схемы рис. 53, однако конструктивно они в значительной сте­ пени отличаются одна от другой. Основным достоинст­ вом рассматриваемой схемы является то, что в ней от­ сутствует силовой трансформатор. Напряжение питаго-

Рис. 54. Принципиальная электрическая схема бестрансформаториого низковольтного стабилизатора на токи нагрузки, равные десяткам ампер.

щей сети здесь непосредственно подается на вход выпря­ мителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме.

Целесообразность применения трехфазной мостовой схемы объясняется малым уровнем амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения, что позволяет упростить фильтр выпрямленного напряжения выпрями­ теля.

зить напряжение на транзисторах в момент пребывания их в режиме отсечки и тем самым исключить возмож­ ность пробоя коллекторных переходов.

106

Преобразователь напряжения в этой схеме в отли­ чие от схемы рис. 53 выполнен на кремниевых транзи­ сторах с п-р-п проводимостью, допускающих более вы­ сокие напряжения на коллекторных переходах.

Мощность стабилизатора, выполненного по схеме рис. 54, можно довести до 100 вт, сохранив при этом не­ значительные габариты, небольшую массу и достаточно высокий к. п. д.

Рис. 55. Принципиальная электрическая схема низковольт­ ного стабилизатора на повышенные токи нагрузки с регу­ лированием по цепи однофазного переменного тока.

Возможны другие варианты построения стабилизато­ ров низких и милливольтовых напряжений на значитель­ ные токи нагрузки.

На рис. 55 приведена принципиальная электрическая схема одного из таких стабилизаторов. Основной осо­ бенностью этой схемы является использование в ней в качестве регулирующего элемента транзистора, вклю­ ченного в цепь переменного тока через выпрямительный мост.

Принцип действия данной схемы состоит в следую­ щем. При включении стабилизатора в сеть через рези­

протекать ток, являющийся входным сигналом составно­ го транзистора Ті и Т2. Этот ток полностью откроет про-

107

ходноп транзистор Ть В результате этого напряжение на выходе стабилизатора возрастет до значения, близ­ кого к номинальному. Однако, как только выходное на­ пряжение достигнет этого значения, начнет работать релаксационный генератор (аналогично схеме рис. 50).

К выходу релаксационного генератора через диод Д 8 подключен вход усилителя переменного тока, состоя­ щего из транзистора Tu резисторов Re, R7 и первичной обмотки импульсного трансформатора Тр2. Усиленный сигнал релаксационного генератора со вторичной обмот-

1'ис. 56. Принципиальная электрическая схема низковольт- ■ного стабилизатора на повышенные токи нагрузки с регу­ лированием по цепи трехфазного переменного тока.

ки импульсного трансформатора Тр2 через диод Д$ по­ дается на вход усилителя Г3, R$ и открывает транзи­ стор Т3, что приводит к закрытию транзисторов Т2 и Тх и уменьшению напряжения на выходе стабилизатора.

При малых токах нагрузки основным регулирующим элементом является транзистор Г2, так как транзистор 7\ в это время закрыт из-за малого падения напряже­ ния на резисторе R±.

По мере увеличения тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе Ru транзистор 7^ открывается и избыточная мощность рассеивается в большей степени на резисторе R3 и частично на кол­ лекторе транзистора Т±.

108