книги / Электропитание устройств связи

Кремниевый стабилитрон — это плоскостной диод, изготовлен­ ный по особой технологии. В отличие от обычных диодов кремние­ вые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области про­ боя. На рис. 8.16 область 1—2 характеристики является рабочей.

Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжения от единиц до нескольких сотен вольт. Температурный коэффициент кремниевых стабилитронов, т. е. зависимость напря­ жения стабилизации от температуры окружающей среды составля­ ет от —0,06 %/°С до +0,12% /°С. Нагрузочная способность крем­ ниевых стабилитронов относительно высока: они могут быть изго­ товлены на мощности от 100 мВт до 10 Вт.

Самая точная стабилизация возможна у стабилитронов с нап­ ряжением стабилизации между 6 и 7 В, так как у них наименьшие динамическое сопротивление и температурный коэффициент.

Температурный коэффициент у стабилитронов с напряжением менее 6 В отрицательный, а у стабилитронов с напряжением ста­ билизации более 7В-— положительный.

Для увеличения стабилизируемого напряжения стабилитроны включают последовательно. Параллельное их включение недопус­ тимо, так как небольшая разница в рабочих напряжениях, кото­ рая всегда имеет место, приводит к неравномерному распределе­ нию токов, протекающих через них.

Схемы параметрических стабилизаторов постоянного напряже­ ния с использованием стабилитронов применяются для стабилиза­ ции напряжения при мощности потребления до нескольких ватт. Достоинство таких схем — простота исполнения и малое количе­ ство элементов, недостаток — отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал КПД.

Схема стабилизатора рис. 8.2 состоит из гасящего сопротивле­ ния Rvi, включенного последовательно с потребителем, и стабили­ трона ЛДД\), включенного параллельно потребителю.

в) яп J i ® Rn la

Рис. 8.2. Однокаскадные параметрические стаби­ лизаторы напряжения на стабилитроне:

а) газоразрядном; б) кремниевом

Рассмотрим принцип действия стабилизатора на примере схе­ мы с кремниевым стабилитроном рис. 8.26. На рис. 8.3 изображе­ ны ВАХ стабилитрона и нагрузки Так как сопротивление нагруз­ ки и стабилитрон включены параллельно, то для построения сум­ марной характеристики необходимо сложить характеристики соп­ ротивления /?н (прямая ОА) и стабилитрона Д t по оси токов. По-

181

лученная кривая представляет собой зависимость UBblx— f(In+ ICr).

Рабочий участок этой кривой, как видно из построения, получается «смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагруз­

■нии нагрузки изменяется от UBblxi до UВЫХ2, причем изменение вы­

ходного напряжения Д£/ВЫг значительно меньше изменения напря­

182

ного напряжения

Приращения токов, текущих через стабилитрон А/Ст и через сопротивление нагрузки Д/п, определяются из выражений

Из (8.2), (8 3) получим выражение для коэффициента стабили зации схемы

Так как динамическое сопротивление стабилитрона мало, то (l+Rri/Rn) ^Rri/f'd, и выражение (8.4) можно приближенно запи­ сать

Из выражения (8.5) видно, что чем больше величина сопротив­ ления Rri по сравнению с и, тем выше коэффициент стабилизации

Увеличение величины сопротивления /?ц приводит к меньшим из­ менениям тока через стабилитрон при тех же изменениях напряже­ ния сети, а следовательно, к меньшим приращениям напряжения на нагрузке.

Изменение сопротивления нагрузки стабилизатора изменяет ток /н. Если принять, что напряжение £/0 неизменно, то изменение то­ ка нагрузки Д/н вызывает соответствующее изменение тока через стабилитрон, причем

Изменение тока через стабилитрон вызывает соответствующее изменение выходного напряжения стабилизатора

Из (8.6), (8.7) получим выражение для внутреннего сопротив­ ления стабилизатора

Как видно из выражения (8 8), выходное сопротивление ста­ билизатора в основном определяется величиной его динамическо­ го сопротивления и не зависит от величины гасящего сопротивле­ ния.

При изменении температуры изменяется выходное напряжение стабилизатора. Это изменение характеризуется температурным ко­ эффициентом стабилизатора у. В свою очередь, величина у зависит

от температурного коэффициента напряжения (ТКН) стабилит­ рона.

Для уменьшения у в некоторых случаях применяют темпера­ турную компенсацию, включая последовательно со стабилитроном термозависимые элементы или диоды Температурный коэффициент этих элементов должен иметь знак, противоположный ТКН стаби­ литрона.

183

На схеме рис. 8.26 в качестве компенсирующего элемента ис­ пользуется обычный диод или стабилитрон, включенный в прямом направлении. Такая температурная компенсация применяется для стабилитронов с положительным ТКН. ТКН диода или стабили­ трона, включенного в прямом направлении, отрицателен. При из­ менении температуры (например, ее увеличении) напряжение на стабилитроне увеличивается, а на диоде падает, в результате сум­ марное напряжение изменяется нзначительно. КПД схем рис. 8.2 мал и может быть определен из выражения

применяют многокаскадные схемы параметрических стабилизато­ ров или схемы мостового типа.

Выходной каскад стабилизатора рис. 8.5, состоящий из стаби­ литрона Д\, гасящего сопротивление Rn, питается от предваритель­ ного стабилизатора, выполненного на стабилитронах Д2, Дз и соп­ ротивлении Ri 2

Коэффициент стабилизации такой схемы равен произведению коэффициентов стабилизации первого и второго каскадов, т. е.

динамическому сопротивлению стабилитрона Д\. Таким образом,

применяя многокаскадные параметрические стабилизаторы, мож­ но значительно повысить коэффициент стабилизации, однако ста­ бильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки ос­ тается такой же, что и в однокаскадных схемах.

184

Большую точность стабилизации можно получить при помощи схемы рис. 8 6. При изменении напряжения на входе на величину ДС/0 потенциал точки а изменяется на величину Д[/а= А U0[rd/(rd + +/?ri)L а потенциал точки в на величину AUB= AU<HR2/(R2+Pi)]>

Тогда результирующее изменение выходного напряжения

Если величины резисторов Ru Рг выбрать так, чтобы выраже­

ние в скобках стало равным нулю, то теоретически коэффициент стабилизации станет равным бесконечности. Подбором резисторов Pi, R2 с необходимым температурным коэффициентом можно одно­

временно добиться температурной компенсации выходного напря жения.

Недостатком схемы является то, что коэффициент стабилиза­ ции зависит от величины сопротивления нагрузки и, кроме того, вход и выход стабилизатора не могут иметь общего зажима.

Расчет однокаскадных параметрических стабилизаторов (см. рис. 8.2) сводится к выбору типа стабилитрона, определению ве­ личины сопротивления Rn и минимального, номинального и мак­ симального значений входного напряжения U^mm, UQ, Uomax.

Исходными данными для расчета являются: номинальное зна­ чение выходного напряжения UBhlx минимальное и максимальное значения тока нагрузки /Hmin, Inmax и относительные отклонения питающего напряжения в сторону повышения и понижения (ата^ CLmin)•

Тип стабилитрона определяется величиной выходного напряже­

несколько большей величины минимально допустимого тока для выбранного типа стабилитрона 1тп, а 1сттах меньшей величины максимально допустимого тока стабилитрона 1тах•

Параметры стабилизатора /Сст, /ч. rj определяются из выраже­ ний (8.5), (8.8), (8.9).

При расчете стабилизаторов на газовых стабилитронах для на­ дежного зажигания последнего необходимо также обеспечить вы­ полнение следующего ус л о в и я :

R n < (U ji 11 maxW o mm / и з - i ) ,

где U3— напряжение зажигания стабилитрона.

185

В качестве параметрического стабилизатора тока небольшой

.силы (до 1—2 А) используются бареттеры с большим динамиче­ ским сопротивлением (несколько кОм). Бареттер состоит из запол­ ненного водородом стеклянного баллона, в котором помещается нить из стали или вольфрама. При температуре красного каления сталь и вольфрам обладают очень большим температурным коэф­ фициентом сопротивления. Поэтому незначительное изменение то­ ка через бареттер вызывает большое изменение как его сопротив­ ления, так и напряжения на нем. Рабочий участок ВАХ баретте­

на нагрузке, что широко ис­ пользуется в цепях питания накала электронных ламп.

Если ток нагрузки больше тока одного бареттера, то несколь­ ко бареттеров с одинаковыми границами бареттирования включа­ ются параллельно.

Схемы стабилизации тока бареттерами очень просты, но обла­ дают рядом недостатков: малый коэффициент стабилизации тока, ограниченные значения мощности, невозможность регулировки ве­ личины тока, инерционность вследствие тепловой инерции нити накала. Эти недостатки ограничивают применение бареттеров.

8.3. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с не­ прерывным регулированием могут быть выполнены как на элек­ тронных лампах, так и на транзисторах.

Эти стабилизаторы представляют собой систему автоматиче­ ского регулирования и обеспечивают постоянство выходного нап­ ряжения с высокой степенью точности при изменении напряжения сети и тока нагрузки, а также и при иных внешних возмущениях (частота тока питающей сети, характер нагрузки, параметры сре­ ды — температура, влажность и т. д.).

Стабилизаторы могут быть выполнены как с последовательным,

186

так и с параллельным включением регулирующего элемента отно­ сительно нагрузки (рис. 8.8).

В .последовательной схеме регулирующий элемент включен по­ следовательно с нагрузкой, и компенсация осуществляется за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элемен­

зистор), который автоматически изменяет свои параметры, обеспечивая постоянство выходного напряжения *7ВЬ1Х; 3 — управляющий элемент,

который измеряет отклонение выходного напряжения от заданной вели­ чины, усиливает напряжение этого отклонения и передает его на регу­ лирующий элемент; 4 — нагрузка; 5 — гасящее сопротивление; 6 — источ­ ник опорного эталонного напряжения, с которым сравнивается выходное напряжение

те. В параллельной схеме регулирующий элемент 2 включен парал­

лельно с нагрузкой, а уровень выходного напряжения поддержива­ ется за счет изменения тока через регулирующий элемент, в ре­ зультате чего изменяется падение напряжения на гасящем сопро­ тивлении 5, включенном последовательно с нагрузкой.

Схема с параллельным включением регулирующего элемента применяется ограниченно и используется преимущественно при им­ пульсных изменениях тока нагрузки. Стабилизаторы с последова­ тельным включением регулирующего элемента обладают более вы­ соким КПД, чем стабилизаторы параллельной схемы, и применя­ ются очень широко.

Схемы стабилизаторов на электронных лампах и на транзисто­ рах идентичны. Ламповые стабилизаторы применяются в основном на высокие выходные напряжения, а транзисторные - - на низкие., Как ламповые, так и транзисторные стабилизаторы обладают

следующими достоинствами:

1.Высокая точность стабилизации выходного напряжения. При этом стабилизатор одинаково хорошо ослабляет как конечное из­ менение входного напряжения, так и переменную составляющую (пульсацию).

2.Очень малые статические и динамические внутренние сопро­ тивления.

Недостатком стабилизаторов является сравнительно низкий КПД (0,5—0,7), обусловленный потерей мощности на регулирую­ щем элементе, поэтому стабилизаторы обычно изготавливают на малые токи. С увеличением тока нагрузки возрастает число регу­

187

лирующих ламп или транзисторов и, следовательно, понижается эксплуатационная надежность.

Несмотря на указанные недостатки, до настоящего времени ста­ билизаторы такого типа широко применяются для питания радио­ аппаратуры и аппаратуры связи.

На рис. 8.9 изображена наиболее распространенная схема с по­ следовательным включением регулирующей лампы. Схема состоит из регулирующей лампы Лри усилителя постоянного тока Л7, R7;

источника опорного напряже­ ния ,RTi, Лй сравнивающего де­ лителя Ri, Ru, Rz, Ci и выход­

ной емкости Сн.

Рассмотрим принцип дейст­ вия стабилизатора на примере данной схемы. При увеличе­ нии входного напряжения i/o выходное напряжение стабили­ затора Uвы* в первый момент

увеличивается. Одновременно увеличивается напряжение на нижнем плече сравнивающего делителя (URи). Напряжение

на сетке усилительной лампы относительно катода по абсо­ лютной величине равно разности напряжения Uoa— URц. При уве­

личении напряжения URu разность f/0n— Няп уменьшается, и по­

тенциал сетки усилительной лампы станет менее отрицательным по отношению к ее катоду. Анодный ток усилительной лампы уве­ личится, и возрастет падение напряжения URy на анодной нагруз­

ке Rr. Напряжение с сопротивления R7 прикладывается между сет­

кой и катодом регулирующей лампы.

При увеличении напряжения URy минус на сетке регулирующей

лампы относительно ее катода увеличивается, растет напряжение на ее аноде, и выходное напряжение стабилизатора уменьшается до первоначального значения с определенной степенью точности.

При уменьшении тока нагрузки стабилизатора в первый мо­ мент напряжение на выходе увеличивается за счет уменьшения падения напряжения на внутреннем сопротивлении регулирующей лампы, что увеличивает напряжение на нижнем плече сравниваю­ щего делителя URn. В дальнейшем схема работает так же, как и

при увеличении входного напряжения.

При уменьшении входного напряжения и увеличении тока на­ грузки стабилизатора схема работает аналогична изложенному выше.

В схеме рис. 8.9 можно регулировать величину выходного нап­ ряжения. Для этого в цепи сравнивающего делителя устанавлива­ ется потенциометр /?п. Рассмотрим принцип действия схемы при пе­ ремещении движка потенциометра Rr, в направлении плюсовой ши­ ны стабилизатора. В этом случае увеличивается напряжение Упж

188

на нижнем плече делителя, и потенциал сетки усилительной лампы по отношению к ее катоду станет менее отрицательным. В резуль­ тате увеличиваются анодный ток усилительной лампы и падение напряжения URy на сопротивлении /?у.

Потенциал сетки регулирующей лампы JIvi станет более отри­ цательным, лампа Л запирается, и напряжение на ее аноде уве­

личивается. Увеличение анодного напряжения регулирующей лам­ пы уменьшает выходное напряжение.

При перемещении движка потенциометра в направлении мину­ совой шины UBых стабилизатора будет увеличиваться.

Транзисторные стабилизаторы с непрерывным регулированием подобны стабилизаторам на электронных лампах. В отличие от ламповых стабилизаторов транзисторные выполняются на более низкие выходные напряжения.

Так же, как и стабилизаторы на электронных лампах, транзис­ торные стабилизаторы подразделяются на последовательные и па­ раллельные.

Рассмотрим последовательную схему транзисторного стабили­

Потенциал базы транзистора Ту по отношению к его эмиттеру

станет более отрицательным, и его базовый /ву и коллекторный /су токи увеличиваются. Напряжение на сопротивлении Ry равно разности напряжений дополнительного источника Vпу и напряже­ ний на переходах база—эмиттер транзисторов Тц, Т\% Т\з, т. е.

Если учесть, что напряжение на переходе база—эмиттер изме­ няется незначительно, вследствие нелинейности входной характе­ ристики транзистора, и принять, что напряжение С/Пу неизменно по величине, то напряжение URY на сопротивлении Ry можно считать величиной постоянной Вследствие постоянства напряжения URy сумму токов /ку= /су + /в1з, протекающих через сопротивление Ry,

можно также считать величиной постоянной.

189

Увеличение тока 1Су вызывает уменьшение тока базы 1в\г тран­

стабилизатора до первоначального значения с определенной сте­ пенью точности.

При изменении тока нагрузки, например увеличении, выходное напряжение стабилизатора в первый момент \ меньнгается, что уменьшает напряжение на нижнем плече делителя URn.

Потенциал базы транзистора 7У станет менее отрицательным, уменьшаются токи базы 1Бу и коллектора Icy, транзистора Ту. Уменьшение гока Icy увеличит токи базы / В1з, 1 в\2, 1вч, что умень­

шит напряжение коллектор—эмиттер транзистора 7ц, и выходное напряжение возвратится к своему первоначальному значению.

В транзисторных стабилизаторах напряжения в качестве регу­ лирующего элемента применяется составной транзистор (7ц, 7<з). Он представляет собойкаскадное соединение нескольких транзисторов. Применение составного транзистора позволяет суще­ ственно увеличить коэффициент усиления по току (Л21 с= = ^2i(ii)^2i(i2)^2i(i3)); увеличить сопротивление коллектора гс и сни­

зить влияние обратного коллекторного тока /сво. Кроме этого, при­

к ток эмиттера 7I2. При некотором значении тока нагрузки ток ба­ зы 7ц, а следовательно, и ток эмиттера Ti2 станет равным нулю, и

нормальная работа схемы нарушится.

190