Файл: Лабник по схемотехнике.doc

Если возникает необходимость обеспечивать большие токи нагрузки, то регулирующий элемент часто строят по схеме Дарлингтона с использованием сильноточного транзистора.

Схемы однокаскадных нерегулируемых стабилизаторов напряжения последовательного и параллельного типов представлены на рис. 8.4 а и б, соответственно. В этих схемах напряжение в нагрузке повторяет напряжение опорного элемента с точностью до величины U_БЭ:

U₂ = U_ОП – U_БЭ – для схемы рис. 8.4, а;

U₂ = U_ОП + U_БЭ – для схемы рис. 8.4, б.

Схемы работают следующим образом: изменения напряжения нагрузки, возникающие по той или иной причине, приводят к изменению напряжения U_БЭ регулирующего транзистора (считаем U_ОП = const). В следствие этого регулирующий элемент изменит свой ток так, чтобы поддержать U₂ @ const. Например, при увеличении U₂ в схеме рис. 8.4,а, переход база-эмиттер транзистора VT1 будет призакрываться и уменьшать свой ток, а это ведет к уменьшению U₂ = I₂R_Н, что и является стабилизацией – проявлением отрицательной обратной связи. В схеме рис.8.4,б увеличение U₂ приводит к увеличению U_БЭ транзистора и дополнительно открывает его. В результате больший ток потечет через транзистор, ток нагрузки уменьшится, что и обеспечит эффект стабилизации U₂.

Д

DI₂ = DU₂ / R₀ + DU₂ / r_{ВХ управл} + DI_К = DU₂ / R₀ + DU₂ (b+1) / r_{ВХ управл}.

Здесь r_{ВХ управл} @ r_Д + r_{ВХ Э} – входное сопротивление транзистора со стороны цепи управления.

. При проведении оценочных расчетов предположим, что r_{ВХ Э} << R₁. В этом случае получим

DI_К = b DI_Б = DU₂ / r_{ВХ управл}.

Выходное сопротивление параллельного стабилизатора составит

r_ВЫХ = DU₂ /DI₂ = R₀½½(r_{ВХ управл}/(b+1)) @ r_{ВХ управл} /(b+1) =

= ((r_Д+r_Б) /(b+1)) + r_Э.

Как видно, полученный результат аналогичен выражению для выходного сопротивления эмиттерного повторителя (см. лаб. раб.№1). Величина r_ВЫХ уменьшается с ростом тока через регулирующий элемент, а также с ростом коэффициента усиления по току транзистора. Аналогичная величина ожидается и для схемы рис. 8.4 а.

Полученное выражение применимо и к более сложным схемам СН, поскольку может быть представлено в виде

r_ВЫХ = r_{ВХ управл} / (K_{I S} + 1), (8.1)

где K_{I S} – коэффициент усиления по току по контуру обратной связи.

Для определения коэффициента K_НU схем рис.8.4 необходимо воспользоваться схемой замещения рис.8.2, где вместо r_Д подставить выходное сопротивление этих схем (r_ВЫХ).

Для стабилизаторов параллельного типа K_НU @ (r_ВЫХ/R₀U₂)×100%, а для схем последовательного типа K_НU @ (r_ВЫХ/r_КЭU₂)×100%, т.е. существенно меньше, так как r_КЭ > R₀ (дифференциальное сопротивление транзистора r_КЭ оценочно можно подсчитать как r_{КЭ n-p-n} = 200 В/I_К, а r_{КЭ p-n-p} = 80 В/I_К). Однако, практически, обе схемы имеют одинаковые K_НU, поскольку нестабильность напряжения U₂ определяется прежде всего нестабильностью напряжения опорного элемента, который сам по себе является параметрическим стабилизатором параллельного типа.

Для понижения K_НU необходимо стабилизировать ток опорного элемента, что может быть достигнуто питанием его через резистор от отдельного стабилизированного источника напряжения, либо необходимо стабилизировать ток стабилитрона с помощью источника тока. При этом существенное понижение K_НU ожидается для схемы рис. 8.4, а.

Схемы стабилизаторов параллельного типа не боятся коротких замыканий на выходе. Действительно, с ростом тока нагрузки ток через регулирующий элемент уменьшается, одновременно снижается приложенное к коллектору транзистора напряжение, что приводит к уменьшению рассеиваемой им мощности. В пределе при коротком замыкании на выходе транзистор закрыт, а ток нагрузки составляет U₁ /R₀.

Схемы стабилизаторов последовательного типа боятся короткого замыкания в нагрузке, поскольку при этом регулирующий транзистор открывается максимально и источник питания U₁ оказывается замкнутым на открытый насыщенный транзистор. Протекание недопустимо большого тока через транзистор выводит его из строя. Для исключения таких неприятностей в схемы последовательного типа часто вводят схему электронной защиты от короткого замыкания в нагрузке.

Многокаскадные стабилизаторы

А

Широкое распространение получила схема двухкаскадного СН (рис.8.6). Часто при построении СН используются операционные усилители (рис.8.7). По принципу работы эти схемы, практически, не отличаются от однокаскадных стабилизаторов. Обе схемы являются стабилизаторами последовательного типа, и транзистор VT1 является регулирующим элементом, через который проходит ток нагрузки. Транзистор VT2 (рис. 8.6), транзистор VT2 и ОУ DA1 (рис. 8.7) являются усилительными элементами в цепи обратной связи.

Предлагается читателям самим разобраться в работе таких СН. Важно найти контур обратной связи, проследить прохождение фазы сигнала возмущения DU₂ и убедиться, что обратная связь является отрицательной. Используя соотношение (8.1), можно определить r_ВЫХ, а затем в соответствии со схемой замещения (рис. 8.2) – параметры K_НU, K_НI. Для определения U₂ необходимо оценить какая часть выходного напряжения сравнивается с напряжением опоры U_ОП.

Широкое распространение получили СН твердотельного исполнения. На рис. 8.8 представлена полная электрическая схема стабилизатора типа К142ЕН1 и схема его включения, учитывающая внешние навесные элементы. На рис. 8.9 дана упрощенная схема включения того же стабилизатора. Стабилизатор является двухкаскадным, последовательного типа. Регулирующий элемент выполнен по схеме Дарлингтона на транзисторах VТ3, VТ4. Схема работает следующим образом: напряжение на нагрузке (либо часть его с помощью делителя R₅–R₆) сравнивается с напряжением опоры U_ОП и их разность управляет дифференциальным каскадом, выполненном на транзисторах VТ6, VТ7.

Нагрузкой каскада является входное сопротивление регулирующего элемента (VТ3, VТ4). При этом, например, увеличение напряжения в нагрузке приводит к увеличению тока транзистора VT7 и тем самым уменьшает ток регулирующего элемента.

Это снижает выходное напряжение, т.е. приводит к его стабилизации.

На полевом транзисторе VT1 (использован ПТУП) выполнен генератор стабилизированного тока, протекающего в стабили-трон VД1. Тем самым обеспечивается весьма малое влияние нестабиль-ности входного напряжения U₁ на напряжение стабилитрона VД1 и тем самым – на напряжение U_ОП. Диод VД2 обеспечивает повышенную температурную с

Для предотвращения выхода из строя регулирующего элемента при коротком замыкании в нагрузке введена электронная защита – ограничитель тока на транзисторе VT9. Он ограничивает выходной ток стабилизатора на заданном уровне. При нормальном токе нагрузки транзистор VT9 закрыт. Повышение выходного тока выше определенного уровня приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R так, что U_R ³ 0,6 В, открыванию VT9 и шунтированию им эмиттерно-базовых переходов регулирующего составного транзистора. Это препятствует увеличению тока транзисторов VT3, VT4 и, таким образом, ограничивает ток нагрузки. Необходимо обратить внимание, что резистор R является внешним (навесным) элементом и выбирается в данном типе СН самим потребителем.

Внешний регулируемый делитель напряжения R₅ – R₆ введен в цепь управления дифференциального каскада VT6, VT7 и позволяет сравнивать с напряжением U_ОП только часть напряжения нагрузки. Этим осуществляется регулировка выходного напряжения стабилизатора.