Стабилизаторы напряжения и тока

Тема: Стабилизаторы напряжения и тока. 

Вопрос 1. Общие сведения.

       Стабилизатором  называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

       Основным  параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока - коэффициент стабилизации тока

       K_{ст U}= ;         K_{ст I}=   при R_н=const,

       где U_вх, U_вых, I_вых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

       DU_вх, DU_вых, D I_вых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

       Влияние нагрузки R_н оценивается по внешним характеристикам U_вых(I_вых) и I_вых(R_н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

       R_вых=

при U_вх=const.

       Для стабилизатора напряжения R_вых << R_н, а для стабилизатора тока - R_вых>>R_н.

       Применяют два типа стабилизаторов: параметрические  и компенсационные.

       В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы. 

       Вопрос 2. Компенсационные  стабилизаторы напряжения.

       Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R_вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

     На  входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U₀ и U_вых. Если U_вых не равно U₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U_вых оставалось постоянным

       U_вых=U_вх-DU=const.

     В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

        В работе предлагается исследовать  компенсационный стабилизатор на транзисторе, схема которого показана на рис.6.2. Источник эталонного напряжения выполнен на стабилитроне VD, режим которого задается резистором R₂. Транзистор VT2 выполняет роль измерительного элемента. Изменение U_вых приводит к изменению I_б2 и соответственно к изменению I_к2. Изменение I_к2 вызывает противоположное изменение I_б1, так что U_вых= U_вх-U_кэ1 остается практически неизменным.

       K_{cm U}= h₂₁/(h₁₁+R₁);    R_вых= .

     В настоящее время широко применяются  стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе. 

       Вопрос 3. Стабилизатор тока.

       Схема стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=aI_э.

        Ток эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀-R₂I_э

       Благодаря этому устанавливается режим работы

       I_э=(U₀-U_эб)/R₂=const

       У современных транзисторов a®1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_к»I_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀ и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вх>DU+I_выхR_н, где DU - напряжение насыщения транзистора.

     Отсюда  максимальное значение сопротивления  нагрузки, при котором сохраняется  рабочий режим стабилизатора

     R_{н max}=

.

     Коэффициент стабилизации тока

     K_ст=I_вых/(U_вхh₂₂).

     Выходное  сопротивление стабилизатора

     R_вых=

. 

Тема: Усилительный каскад на биполярном транзисторе. 

     Каскад  усиления переменного тока по схеме  ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

      Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I_кп³I_mн=U_{m вых}/R_н

     Напряжение  покоя обычно выбирается U_кэп=E_к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

     Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

      Линию нагрузки можно построить в координатах I_к, U_кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I_к=0, то U_кэ=E_к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

     Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R_к и R_Б:

R_к=

;

R_Б=

;  I_Бп=I_Кп/h₂₁

     При работе каскада в режиме холостого  хода и i_вх=I_mвхsinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E_к/2.

     При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R_к включается R_н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

     Динамическая  линия нагрузки должна проходить  через точку покоя П (частный случай - Di_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di_к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U_кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при R_н=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением R_н становится меньше E_к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

     Динамические  параметры каскада:

к_и=

;

;

к_р=к_ик_i. 
 

     Тема: Схемы на операционных усилителях.  

     Вопрос 1. Общая характеристика ОУ.

     Операционные  усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению к_u= =5×10³ - 5×10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

     ОУ  имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход U_вх.и. приращение выходного сигнала U_вых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением U_вх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

      На рис.8.2 приведена принципиальная схема ОУ К544УД1А. Высокое входное сопротивление ОУ обеспечивается согласованной парой полевых транзисторов VT1, VT5 входного дифференциального каскада, включающего в себя кроме названных транзисторы VT2, VT4 и резисторы R1, R3. Работа этого каскада обеспечивается стабилизатором тока, включающим транзисторы VT6, VT7 и резисторы R4, R5. Температурная компенсация осуществляется звеном, выполненным на транзисторах VT10, VT14 и резисторах R8, R10. ОУ имеет защиту от коротких замыканий по выходу (VT16, VT18, R12). Выходным каскадом является составной эмиттерный повторитель (VT12, VT17, VT15, R11), имеющий низкое  выходное сопротивление и обеспечивающий нагрузочную способность. Выходной каскад имеет свой стабилизатор тока (VT11, VT13, R9). В согласующее звено между входными и выходными цепями входят элементы: R6, R7, VT8, VT9, VD1, C1.

      Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) U_вых=f(U_вх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) к_U(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого к_U= =const, и нелинейный - к_U^¢<к_U. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ. 
 
 

Вопрос 2. Инвертирующий  и неинвертирующий  усилители на ОУ.

      Инвертирующий усилитель (рис.8.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается U_вх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора R_о.с._. Коэффициент усиления

     к_U.и=

.

     Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричные входы, выбирая R₂=R₁êêR_о.с.