ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Принцип действия параметрического стабилизатора основывается на свойстве стабилитрона при именении проходящего через него тока сохранять прежнее приложенное напряжение. А именно, при увеличении напряжения на входе стабилизатора ток через стабилитрон VD резко увеличивается, соответственно увеличивается падение напряжения на балластном резисторе Rб. Короче говоря, почти все изменения входного напряжения падают на балластном резисторе
Часто для увеличения коэффициента стабилизации, применяют двухкаскадный стабилизатор, показанный на рис.2. Коэффициент стабилизации в этом случаи будет равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада.
При последовательном соединении нескольких стабилитронов, увеличивается стабилизируемое напряжение Параллейное включение стабилитронов не допускается, так как небольшая разница в рабочих напряжениях, которая всегда имеет место, приводит к неравномерному распределению протекающих через них токов. Для рассчета параметрического стабилизатора нужно знать номинальный ток нагрузки и выбрать номинальный ток стабилизации, который, примерно, будет равен полусумме минимального и максимального тока стабилизации. Сложив номинальный ток стабилитрона и нагрузки, получим номинальный ток через балластный резистор. Потом выбираем входное напряжение, примерно равное 1.5Uст. И наконец, определяем сопротивление балластного резистора. Для этого разность между входным напряжением и напряжением стабилизации делят на ток проходящий через балластный резистор.
Более подробные рассчеты параметрических стабилизаторов можно посмотреть на страничке "РАССЧЕТЫ". Там приведена подробная методика рассчета и выбора всех компонентов стабилизатора.

 

12.Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения.

 

Компенсационные стабилизаторы напря­жения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрически­ми. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения U_вх или I_н) передается на специ­ально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствую­щий изменению напряжения U_н.

Регулирующий элемент (транзистор) может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости

 

Рис. 3.32

от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис. 3.32, а) и последовательные (рис. 3.32, б).

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилиза­торов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усили­тель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению раз­ности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непо­средственно на регулирующий элемент.

В схеме рис. 3.32, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напря­жения на балластном резисторе R_бпутем изменения тока регулирую­щего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответ­ствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изме­нение тока нагрузки от нуля до I_нmax будет сопровождаться соответ­ствующим изменением тока регулирующего элемента от I_нmax до нуля.

В схеме рис. 3.32, б регулирующий элемент включен последова­тельно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществля­ется путем изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

Принцип действия компенсацион­ных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обусловливает неизбежные потери энергии в стабилизаторе. Оценим оба типа стабилизаторов по мощности потерь. При этом будем исходить из одинаковых условий работы по U_н, I_н, U_вх.

Мощность, теряемая в схеме рис. 3.32, а, складывается из потерь в резисторе R_б и регулирующем элементе и составляет (U_вх-U_н)*(I_н+I_р)+U_нI_р или (U_вх-U_н)I_н+U_вхI_р. В схеме рис, 3.32, б мощность теряется в регулирующем элементе. Она равна (U_вх-U_н)I_н, т. е. меньше, чем в предыдущей схеме, на величину U_вxI_р.

Таким образом, энергетические показатели, в частности к. п. д. последовательных стабилизаторов, более высокие (особенно при широком диапазоне изменения I_н), чем параллельных. Это является глав­ной причиной того, что последовательные стабилизаторы нашли наи­большее применение в практике. Из преимуществ параллельных ста­билизаторов следует указать их некритичность к перегрузкам по току I_н, в частности коротким замыканиям выходной цепи. Последователь­ные стабилизаторы требуют устройств защиты регулирующего эле­мента при перегрузках по току.

Рис. 3.33

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напря­жения последовательного типа приведена на рис. 3.33, а. ТранзисторT₁служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе T₂. Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т₂. Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток I_Э2 транзистора T₂ мал. Резисторы R₁,R₂являются элементами входного делителя напряжения. Напряжение между базой и эмиттером тран­зистора Т₂ U_бэ2=((R₂/(R₁+R₂))*(U_н-U_оп).

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор Т₁, и нагрузку R_н, представляет собой усилительный каскад на транзисторе T₁ с общим коллектором, в котором U_вх — напряжение питания, U_б1 — входное, а U_н — выходное напряже­ния (U_н=U_б1-U_бэ1). Для получения требуемого напряжения U_н необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя (U_к2=U_б1)было близко к напряжению U_н. Для этого питание коллекторной цепи транзистора T₂ осуществляют от отдельного источника — E_к. Уси­литель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необ­ходимого напряжения U_к2 напряжению его входной цепи U_б2. Ука­занные соображения положены в основу расчета элементов схемы по заданным параметрам U_н, I_н номинального режима.

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной обратной связи по при­ращениям выходного напряжения U_н.

Предположим, что под действием уменьшения напряжения U_вх напряжение U_н (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения U_н вызывает уменьшение напряжения на базе U_б2и напряжения U_бэ2транзистора Т₂, а следовательно, его токов I_б2 и I_к2. Уменьшение тока I_к2 приводит к меньшему падению напряжения на резисторе R_к и увеличению напряжений U_б1 и U_бэ1транзистора T₁. Вследствие увеличения напряжения U_бэ1 напряжение U_кэ1 транзистора Т₁умень­шается, повышая тем самым почти до прежней величины напряжение U_н. Подобно рассмотренному осуществляется компенсация измене­ния напряжения U_н при увеличении U_вх,а также при изменениях тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации стабилизатора на­ходят из соотношения

где r_bx2, r_б2, r_к(э)2 — соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора T₂; А = 1 + r_д/r_вх2+(R₁?R₂)/r_вх2?₂ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического со­противления стабилитрона r_д и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т₂.

Выходное сопротивление стабилизатора в первом приближении (без учета влияния усилителя в цепи обратной связи) можно оценить по сопротивлению транзистора T₁ со стороны эмит­тера. Приняв U_б1=const имеем R_вых=r_э1+r_б1/(1+?₁), что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель созда­ет в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчета можно вос­пользоваться выражением

R_вых=(r_э2+r_д)/?₁+r_б2/?₁?₂ (3.35)

Числовое значение коэффициента стабилизации стабилизатора находится в пределах нескольких сотен, а выходное сопротивление составляет десятые и сотые доли ома.

При разработке стабилизатора часто ставится задача регулиро­вания его выходного напряжения U_н. Возможность регулирования напряжения можно показать, выразив напряжение U_н схемы через параметры входной цепи усилителя:

U_н=I_д(R₁+R₂)+I_б2R₁. (3.36)

Элементы входного делителя обычно выбирают достаточно низкоомными, обеспечивающими выполнение условия I_д>>I_б2. Это не­обходимо для ослабления влияния изменяющегося в процессе работы схемы тока I_б2 на напряжение U_б2, а следовательно, на коэффициент стабилизации стабилизатора. С учетом сказанного вторым членом в выражении (3.36) можно пренебречь. Тогда получим

 

Таким образом, задачу регулирования напряжения решают пу­тем изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализу­ется введением во входную цепь усилителя потенциометра R_1-2 (рис. 3.33, б). Пределы регулирования напряжения при этом составляют:

 

Если, например, принять U_оп=10 В, R₁ == 300 Ом, R₂ = 360 Ом и R_1-2 = 240 Ом, то выходное напряжение стабилизатора можно ре­гулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

Напряжение U_н стабилизатора связано с напряжениями входной цепи транзистора Т₁, соотношением

U_н=U_б1-U_бэ2=U_к2-U_бэ1 (3.37)

Или

U_н=E_к-(I_б1-I_к2)R_к-U_бэ1 (3.38)

Соотношение (3.38) позволяет сделать ряд важных выводов о работе стабилизатора и возможностях его применения. С этой целью рассмотрим два режима работы стабилизатора: U_вх=var, R_н=const (I_н=const) и U_вх=const, R_н=var (I_н=var).

При изменении входного напряжения величина U_н стабилизатора изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что приращение напряжения?U_вх будет скомпенсировано соответствующим увели­чением или уменьшением напряжения?U_кэ1транзистора T₁. При усло­вии I_э1=I_н=const это вызовет в конечном итоге изменение тока базы, (и коллектора) регулирующего транзистора посредством изме­нения тока I_к2усилителя, протекающего через резистор R_к. Напря­жение U_нбудет тем стабильнее, чем меньшему значению?U_н будет соответствовать необходимое изменение тока I_к2, т. е. чем выше будет коэффициент усиления усилителя. Повышение коэффициента усиле­ния в рассматриваемой схеме достигается увеличением коэффициента?₂ и сопротивления R_к. Увеличение сопротивления R_к при этом тре­бует повышения напряжения питания E_кусилителя.

В условиях изменяющегося тока нагрузки ток базы регулирующе­го транзистора I_б1изменяется пропорционально I_н, так как I_б1=I_н/(1+?₁). Поскольку напряжение U_бэ1 мало (доли вольта), ре­жиму стабилизации напряжения U_н согласно выражению (3.38) со­ответствует почти неизменная сумма токов I_б1+I_к2. Это означает, что с уменьшением тока I_н ток I_к2увеличивается на величину, на ко­торую уменьшился ток I_б1. При изменении нагрузочного тока от I_нmaxдо нуля ток I_к2 изменяется от некоторого минимального значения I_к2min до I_нmax/(1+?₁)+I_к2min?I_нmax/(1+?₁)=I_б1max. Таким образом, транзистор T₂ в схеме рис. 3.33, а необходимо выбирать на коллекторный ток, близкий к максимальному току базы регулирующего транзистора.

С увеличением тока I_н транзисторы T₁, T₂ выбираются на боль­шие коллекторные токи. Однако использование рассматриваемой схемы при I_н> 200 - 300 мА неэффективно из-за трудностей в обес­печении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а, сле­довательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления R_к (ввиду больших значе­ний I_б1 и I_к2), а также в малых значениях коэффициента? мощных транзисторов.

Задачу уменьшения тока базы регулирующего транзистора при переходе к большим токам нагрузки решают заменой его в стабилиза­торе составным транзистором (рис. 3.33, в). Состав­ной транзистор представляет собой соединение двух, трех транзисто­ров и более, при котором база каждого последующего транзистора связана с эмиттером предшествующего, а коллекторы всех транзи­сторов объединены.

Поскольку ток базы каждого транзистора меньше его тока эмиттера в 1+? раз, ток управления составным транзистором получает­ся во много раз меньше тока эмиттера выходного транзистора (т. е. тока нагрузки стабилизатора). Так, для схемы, состоящей из трех транзисторов (рис. 3.33, а), имеем

где?_с — коэффициент передачи тока составного транзистора, число­вое значение которого равно 10³—10⁴.

Тем самым обеспечивается необходимый режим согласования по току выходной цепи усилителя и входной цепи регулирующего тран­зистора при больших токах I_н.

Токоотводящие резисторы R₀₁,R₀₂ (показаны пунктиром) создают цепи протекания начальных токов I_к0(э) транзисторов T_1-1, и Т_1-2, исключай их протекание по цепям баз последующих транзисторов. С их помощью обеспечивается нормальный режим работы схемы при минимальном токе нагрузки. Для расчета сопротивлений R₀₁ и R₀₂ можно воспользоваться соотношением

 

 

Составные транзисторы нашли широкое применение в стабилиза­торах на токи 0,5 — 1 А и выше.

Повышение коэффициента стабилизации (и уменьшение выход­ного сопротивления) компенсационных стабилизаторов также может достигаться путем увеличения коэффициента усиления усилителя за счет использования в нем большего числа каскадов. Для исключения дрейфа напряжения U_н стабилизатора, вызываемого дрейфом уси­лителя, последний выполняют на основе балансных каскадов с приме­нением температурной компенсации.

Существенные преимущества в отношении массо-габаритных, стои­мостных и качественных показателей дает широко используемый в настоящее время интегральный принцип выполнения стабилизаторов, при котором вся маломощная часть схемы стабилизатора унифици­руется и представляется в виде микросхемы.

Стабилизаторы постоянного напряжения выполняют также с им­пульсным (ключевым) режимом работы регулирующего элемента (при­меняется транзистор или тиристор). Такие стабилизаторы, называе­мые импульсными, реализуются на основе импульсных преобразова­телей постоянного напряжения.

 

 

13.Твердотельный СПН.

 

 

14.Типы транзисторов.

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (вКанаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда^[1][2]. В 1934 годунемецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

Бардин, Шокли и Браттейн в лабораторииBell, 1948

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабрясостоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в созданииинтегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor, образовано от слов transfer — передача и resist — сопротивление), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). — током базы.