2mmiii (P -S)- Вептиль ЭТОЙ фазы Откроется не в начале полупериода, а значительно позже, при t - 4- Все это неблагоприятно сказывается па показателях выпрямителя. Пульсации па выходе выпрямителя должны быть равными или большими А£ас, что определяется (7.80).

Пусть асимметрия переменного напряжения EjmO.Ol = 0,3 В. Для диода 2Д204В допустимое отклонение прямого падения напряжения составляет 0,5 В. Тогда согласно (7.80) получим

Д£ас = 0.3 + 0,5 = 0,8 В.

Импульсные пульсации 0,8 В величине емкости конденсатора С,

,Рис. 7.25

на выходе выпрямителя получатся при равной 4,3 мкф. Это даст для т значение 5,6 мкс, что заметно меньше Т.

7. Выберем параметры сглаживающего фильтра, обеспечивающего получение импульсных пульсаций на выходе Д^/ц меньше 0,05 В. Для этого подсчитаем, исходя из (7.78), длительность эквивалентного импульса. Получим = 7,6 мкс. Теперь найдем по (7.79)

= (0,8 0,05) 7,6 (50-7,6)/16 = 322 мкс2 = = 0,322 мГн мкФ.

8. Определим параметры фильтра, необходимые для сглаживания до заданного уровня пульсаций, вызванных асимметрией. Согласно (7.81) получим

£Сф = (Д£,е/ДС/ас)72/16 = (0,8/0,05) 502/16 = 2,5. 103 мкс2 = 2,5 мГн мкФ.

Для сглаживания пульсаций, вызванных асимметрией, до заданного уровня 0,05 В требуется большее произведение 1Сф, поэтому необходимо выбрать фильтр с £Сф > 2,5 мГн мкФ. Примем емкость конденсатора фильтра равной 50 мкФ, тогда индуктивность дросселя фильтра должна быть больше 50 мкГн. Среди стандартных дросселей на ток I А имеется дроссель с индуктивностью 60 мкГн. Омическое сопротивление его обмоток составляет 0,45 Ом.

9. Оценим выходное сопротивление выпрямителя. Так как т < 7, то выходное сопротивление примерно равно сумме сопротивлений вентиля и источника, что составляет 1 + 0,3= 1,3 Ом. Вместе с фильтром выходное сопротивление будет равно 1,75 Ом.

Глава VIII

Основные схемы построения стабилизаторов постоянного напряжения

§ 8.1. Принципы работы линейных стабилизаторов

В источниках питания радиоаппаратуры находят применение как простейшие стабилизаторы, состоящие из одного-двух элементов, так и сложные, включающие в себя десятки транзисторов и диодов.

В простых схемах стабилизаторов напряжения используют стабилитроны. Характеристика кремниевого стабилитрона дана на рис. 8.1, а, схема включения - на рис. 8.1,6. Если рабочая точка при колеба-

ниях входного напряжения Е и тока нагрузки / не выходит за пределы пологого участка вольт-амперной характеристики (Ii <С. I <i h), то выходное напряжение U меняется очень мало и получается стабилизированным. В схему стабилизатора помимо стабилитрона и нагрузки включается гасящий резистор R, служащий для удержания рабочей точки на пологом участке характеристики стабилитрона.

При изменении входного напряжения Е меняются токи, текущие через стабилитрон и гасящий резистор, а напряжение на выходе и ток нагрузки остаются практически постоянными из-за нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона. Таким образом, изменение входного напряжения сопровождается изменением падения напряжения на гасящем резисторе R, вызванным приростом илн уменьшением тока стабилитрона.

Изменения тока нагрузки (сопротивления нагрузки) вызывают почти такие же по величине, но противоположные по знаку изменения

Рис. 8.1

тока стабилитрона. Поэтому п1адение напряжения на гасящем резисторе и, следовательно, выходное напряжение зависят от тока нагрузки очень мало.

Простые стабилизаторы не могут обеспечить стабильное напряжение на нагрузке, если изменения ее тока велики и выводят рабочую точку за пределы пологого участка, характеристики стабилитрона. К тому же часто требуется получить и иное по величине или более стабильное напряжение, чем позволяет стабилитрон. Большую стабильность и больший диапазон токов нагрузки и стабилизируемых напряжений обеспечивают стабилизаторы, в которых используют регулируемые сопротивления и обратную связь, управляющую их величиной.

В качестве регулируемых сопротивлений на постоянном токе применяют транзисторы, так как эти приборы, во-первых, управляются электрическими сигналами и, во-вторых, малоинерционны. Транзистор включается либо последовательно с нагрузкой (рис. 8.2, а), либо параллельно ей (рис. 8.3, а). Сигнал обратной связи берется от выходного напряжения стабилизатора и усиливается в усилителе постоянного тока ПТ, затем воздействует на регулируемое сопротивление. Процессы стабилизации в схеме рис. 8.2 протекают следующим образом. Допустим входное напряжение скачком возросло на некоторую величину АЕ. Это вызовет скачкообразный прирост выходного напряжения и, следовательно, сигнала на входе усилителя на At/.

Рис. 8.2

К

Выходное напряжение усилителя в соответствии с его характеристикой рис. 8.2, б начнет,меняться и, воздействуя на базу транзистора, приведет к уменьшению тока базы. Падение напряжения на транзисторе при этом станет расти, и так как

AE = AU,l{t)+AUit), (8.1)

то будет уменьшаться первоначальное отклонение выходного напряжения AUy. Этим и обеспечивается отрицательная обратная связь в схеме.

В установившемся состоянии основная часть первоначального прироста выходного напряжения погасится на транзисторе, а на выходе

останется лишь малая нестабиль-i/wr . ность AU2, величина которой тем меньше, чем больше коэффициенты усиления усилителя и транзистора. В схемах с параллельным включением возрастание входного напряжения приводит к росту выходного напряжения, которое, воздействуя на базу транзистора, через усилитель, имеющий характеристику рис. 8.3, б приоткрывает его. Ток, потребляемый транзистором, возрастает и, протекая по гасящему резистору, увеличивает падение напряжения на нем. Поскольку для приращения напряжений в такой схеме соблюдается условие

А£ = [Д/Л/) + А/.р(0]/?г +

+ AU{t), (8.2)

то с ростом /.jp выходное напряжение начнет возвращаться к прежнему уровню, т. е. AU (t) будет уменьшаться. В установившемся состоянии основная часть перноначального возмущения оказывается погашенной возросшим падением напряжения на резисторе R.

Из приведенного чисто качественного рассмотрения можно сделать два важных вывода. Во-первых, выходное напряжение регулируется с некоторым запаздыванием, определяемым инерционностью как усилителя, так и регулируемого триода. Во-вторых в выходном напряжении остается некоторая остаточная нестабильность, зависящая от коэффициента усиления усилителя, стоящего в цепи обратной связи. Это свойственно всем схемам с обратной связью и не является их серьезным недостатком, так как усилитель почти всегда удается сделать таким, чтобы остаточная ошибка получалась весьма малой, а сам стабилизатор достаточно быстродействующим.

Вместе с тем введение обратной связи в стабилизатор придает ему ряд полезных качеств, важнейшими из которых являются: хорошая внешняя характеристика, высокие динамические показатели и хо-

УПТ

Рис. 8.3

рошая стабильность выходного, напряжения при изменении внешних условий:

Так, возрастание тока нагрузки, вызванное уменьшением ее сопротивления, в схемах р^с. 8.2 приведет к первоначальному спаду выходного напряжения, а затем по мере приоткрывания транзистора выходное напряжение возвратится почти к первоначальному. Таким образом, введение обратной связи, приводит к уменьшению выходного сопротивления стабилизатора, что, несомненно, полезно.

Аналогично влияние цепи обратной связи и в схеме с параллельным включением регулируемого транзистора. Если бы управление, в этих схемах производилось не от выходного, а от входного напряжения, то они плохо реагировали бы на изменения тока нагрузки, т. е. имели бы большее выходное сопротивление.

В статическом состоянии все элементы схем приведенных стабилизаторов являются линейными (неизменными во времени) сопротивлениями и источниками э. д. с. Только при переходе от одного статического состояния к другому величины некоторых сопротивлений и э. д. с. изменяются. Поэтому такие стабилизаторы называют линейными.

Транзистор, а в схеме с параллельным включением и гасящий резистор R,. образуют силовую цепь стабилизатора. Цепь обратной связи стабилизатора включает в себя элементы, с помощью которых определяются знак и величина ухода выходного напряжения от стабилизируемого уровня, и усилитель этого выделенного сигнала ошибки. Та часть цепи обратной связи, где выделяется сигнал ошибки, называется схемой сравнения выходного напряжения с эталонным (опорным). Источниками опорного напряжения могут быть любые вторичные эталоны напряжения. Самым распространенным из них является стабилитрон (рис. 8.4).

Показатели нестабильности у схем с параллельным и последовательным включением отличаются незначительно'. Основное различие этих схем в к. п. д. Стабилизатор с последовательным включением всегда имеет к. п. Д. более высокий, чем с параллельным.

Сравнив эти две схемы стабилизатора при одинаковых входных и выходных напряжениях и токах нагрузки, можно заключить, что потерн мощности в гасящем резисторе схемы с параллельным включением всегда больше, чем в силовом транзисторе схемы с последовательным включением, так как по этому резистору протекает не только ток нагрузки, но и ток регулируемого транзистора. Потери мощности в регулируемом параллельном транзисторе, добавляясь к потерям в гасящем резисторе, делают к. п. д. такой схемы заметно меньшим, чем у схемы с последовательным включением. По этой причине стабилизаторы с параллельным включением транзисторов применяют значительно реже, чем с последовательным.

Особенностью схем с последовательным включением (см. рис. 8.2) является то, что в них имеются две петли обратной связи. Одна из

Рис. 8.4

петель замыкается через усилитель, который иа схемахпоказаи как идеализированный четырехполюсник с характеристикой вход-выход вида рис. 8.2, б, а вторая возникает из-за того, что выходное напря-й(ение воздействует на эмиттер триода непосредственно, так как оно приложено к этому электроду.

Входная цепь усилителя вместе с опорным источником образует в данной схеме цепь сравнения. Напряжение подпитки выхода усилителя Еп отличается от опорного fn на величину исходного смещения регулирующего транзистора. Возрастание выходного напряжения по сравнению с опорным на AU, вызванное yвeли}eниeм входного напряжения АЕ, приведет из-за действия первой цепи обратной связи к появлению на базе транзистора некоторого запирающего напряжения /yAt/(у^у - коэффициент усиления усилителя) и, из-за действия второй петли, к повышению напряжения на эмиттере на AU.

Таким образом, полное подзапирающее напряжение оказывается равным

A3an = At/(y+l). (8.3)

Изменение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора из-за даваемого им усиления много больше, чем подзапирающее напряжение:

. At/,p=.,pAt/(y+l)>Af/(y+l).

(8.4)

Так как согласно (8.1) все изменение входного напряжения распределяется между транзистором силовой цепи и выходом, установившаяся нестабильность выходного напряжения оказывается малой:

А^ = А£/[1+,р(У+1)].

(8.5)

Если даже первая петля обратной связи разомкнута, т. е. ky = О, то благодаря действию второй петли обратной связи стабилизатор сохраняет часть стабилизирующих свойств. При большом усилении усилителя (/2yl) основной оказывается первая петля обратной связи и ею определяются в этом случае все свойства стабилизатора.

Выходное напряжение рассмотренной схемы стабилизатора практически равно опорному. Поэтому с ее помощью нельзя получить выходное напряжение более стабильное, чем опорное.

В этой связи необходимо отметить особенности режима работы источника опорного напряжения в схеме стабилизатора. Через него не протекает ток нагрузки. Если в качестве опорного источника применен стабилитрон, то в силу подчеркнутой особенности на нем по-* лучается более постоянное напряжение, чем в том случае, когда он непосредственно стабилизирует напряженне на нагрузке. Это и позволяет получить высокостабильное напряжение на выходе стабилизаторов с, последовательным включением транзистора и выходное сопротивление, меньшее выходного сопротивления опорного источника.

Нестабильности выходного напряжения, вызываемые изменениями напряжения подпитки АЕ и нестабильностью триода силовой цепи при большом ky, оказываются значительно меньшими нестабильности,

вызываемой опорным источником и дрейфом характеристики усилителя.

Чтобы получить на выходе стабилизатора напряжение, отличающееся от опорного, необходимо в цепь сравнения ввести делитель напряжения. При выходном напряжении, большем опорного, делитель следует включать в цепь выходного напряжения. При обратном соотношении напряжений делитель включается в цепь опорного или дополнительного источника.

В схеме с параллельным включением транзистора (рис. 8.4) делитель (резисторы Ri и R) подключен' к выходным зажимам, напряжение с него подается на базу триода. Источник опорного напряжения включен в цепь эмиттера.

Управляющее напряжение (напряжение база-эмиттер) в этой схеме

URj{Rxi-R2)-U,,

а его изменения, вызванные уходом выходного напряжения, AU AUR,/{R, + Rd-

упр

(8.6)

(8.7)

В первом приближении изменение коллекторного тока можно представить как

А/5А^;у„р, (8.8)

где 5 - крутизна характеристики транзистора.

Подставив соотношения (8.7) и (8.8) в уравнение (8.2), определяющие напряжение на резисторе силовой цепи R, получим

{AE-i\U)/R, = M + AUSRj{R, + R2). (8.9)

Здесь А/н = AV/Ru, - прирост тока нагрузки, вызванный возрастанием выходного напряжения стабилизатора, обратно пропорциональный дифференциальному сопротивлению нагрузки R,.

Из уравнения (8.9) находим нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением входного напря>1сения Af, в виде

Ш1АЕ \ / 1-f

Ri + R-2 SRiR.i

(8Л0)

(Ri + R2)\

Чем больше крутизна характеристики транзистора и сопротивление резистора силовой цепи R, тем выше стабилизирующие свойства схемы.

Управляющее напряжение по величине намного меньше опорного и выходного. Поэтому, опустив его в соотношении (8.6), получим

и^и (Rx + RVR

(8.11)

что показывает примерную величину выходного напряжения рассматриваемой схемы.

В данной схеме опорный источник (стабилитрон) включен в силовую часть стабилизатора, изменения-его тока почти равны изменениям тока нагрузки. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора с па-