Глава X

Линейные стабилизаторы с обратной связью

§ 10.1. Определение режима работы транзисторов

В схемах стабилизаторов в наиболее тяжелых условиях работают транзисторы, входящие в силовую цепь. Тяжелые условия связаны с тем, что, во-первых, именно в этих элементах гасится избыток мощности источника по отношению к мощности, потребляемой нагрузкой, и, во-вторых, их режиму работы свойственно большое непостоянство падения напряжения и тока. Все остальные элементы схемы стабилизатора могут в принципе питаться от уже застабилизи-рованного напряжения, а протекающий по ним ток невелик. Поэтому к выбору и определению режима транзистора, входящего в силовую цепь стабилизатора, следует подходить особенно тщательно.

-Игн

-0-С

+ 0-*-

4+

Рис. 10.1

Расчет любой сложной схемы стабилизатора содержит среди прочих два отличающихся по своей методике этапа. Один из них заключается в том, что на характеристиках нелинейного элемента (силового транзистора) находится та область, в которой перемещается рабочая точка (расчет режима). В данном слчае широко применяют графические методы решения. Когда эта область найдена, можно с той или иной степенью приближения заменить нелинейный элемент линейной схемой замещения. Другой этап расчета заключается в том, что на основе выбранной схемы замещения рассчитывают соотношения между изменениями выходного напряжения и приращениями дестабилизирующих факторов. Тут основное применение находят методы расчета линейных электрических цепей.

Из расчета режима можно получить сведения о диапазоне изменения напряжений и токов, в которых стабилизатор обеспечивает- требуемую стабильность, а также о тепловом режиме самого элемента, что важно для обеспечения его целостности. Проведем графический расчет режима силовой цепи для простейших схем с последовательным включением транзистора (рис. 10.1, а, б).

Нестабильность входного напряжения удобно задать двумя нагрузочными характеристиками источника Е] , соответствуюшлми, допу-

стим, максимальному £~max и минимальному Ernin значениям подводимого к выпрямителю переменного .напряжения (рис. 10.2, а). Напряжение коллектор.- эмиттер силового транзистора (см. рис. 10.1) равно разности между входными напряжением Е^ и стабилизированным напряжением U. Взяв характеристики транзистора, в данном случае зависимость тока коллектора от напряжения коллектор - база при параметре /g, и отложив влево от нулевой точки напряжение U (его можно считать в первом приближении постоянным), проведем прямую ON (рис. 10.2, б). От этой прямой

Рис. 10.2

отложим вправо напряжение Е^, считая ток выпрямителя рав-. ным сумме коллекторного тока и тока потребляемого стабилитроном:

/в = /к + /с

(10.1)

для схемы рис. 10.1, а и коллекторному току для схемы рис. 10.1, б.

Выполненное построение привело к наложению выходной характеристики источника Ех на характеристики транзистора, причем оси первой смещены влево на (/ и вниз на 1. Так как ток стабилитрона обычно мал, то приближенно он может считаться нулевым.

Если провести две горизонтальные прямые, соответствующие токам /итах И /нтш (ток нагрз'зки практичсски равсн току коллектора), то можно определить область (она заштрихована на рис. 10.2, б), в которой перемещается рабочая точка при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. На основе приведенного построения можно сделать следующие выводы:

1) получить заданное напряжение V можно и при меньшем напряжении источника Ех, так как. перемещение рабочей области влево еще не приюдит к попаданию в нее участка характеристик транзистора, соответствующего насыщению, и он будет работать в активной области;

2) хотя правый верхний угол рабочей области и не выходит за пределы, ограничиваемые допустимой мощностью рассеяния на коллекторе, запас по мощности мал. Смеш,ение влево рабочей области новы-

шает этот запас, так как приводит к уменьшению напряжения на транзисторе;

3) как показывает сравнение напряжения Umax с максимально juonjCTHMbiM напряжением между коллектором и эмиттером С/кэдош запас по напряжению достаточен;

4) по полученном диапазону изменения тока базы транзистора, являющегося током нагрузки опорного стабилитрона, можно правильно выбрать тип стабилитрона.

При оценке изменений тока базы необходимо обратить внимание на то, чтобы выбранный режим получался при положительных токах базы транзистора, так как транзистор в данной схеме работает успешно лишь при открытом эмиттерном переходе. Кроме того, уменьшение напряжения источника Ei возможно лишь тогда, когда он является автономным, т. е. питает только исследуемый стабилизатор, и

до. тех пор, пока левый верхний угол ра-0 . , , , бочей области не подойдет вплотную

к участку характеристики транзистора, соответствующего насыщению.

Проведенное построение рабочей обла--v сти получилось весьма простым, так как выходное напряжение было принято постоянным. Это допущение оправдывается, так как в результате построений найден такой режим работы транзистора, при Рис. 10.3 котором он успешно выполняет свои функ-

ции, т. е. поддерживает практически постоянным выходное напряжение. Для этого рабочая область должна на характеристиках транзистора целиком помещаться в активной области.

В схеме стабилизатора с параллельным включением регулируемого сопротивления (рис. 10.3) в отличие от рассмотренной схемы с последовательным включением транзистор используют как двухполюсник, а не трехполюсник. Это приводит к тому, что на характеристиках транзистора положение рабочей точки при рааных входных напряжениях и токах определяется уже не областью, а линией, которую назовем траекторией. Приближенное определение траектории производится весьма просто при идеальном источнике опорного напряжения, т. е. без учета обратной связи, создаваемой внутренним сопротивлением стабилитрона.

Для приближенного построения траектории рабочей точки разобьем схему на линейную и нелинейную части (рис. 10.4, а). Транзистор находится практически под постоянным напряжением

и, = и-Е . (10.2)

Это напряжение и определяет положение траектории на характеристиках транзистора (линия АВ на рис. 10.4, б).

Примерная вольт-амперная характеристика выделенного нелинейного двухполюсника /к + /б + -д = / (О) в силу сделанных приближений превращается в вертикальную прямую АВ (рис. 10.4, е), при-