раллельным включением триода не может быть меньше выходного сопротивления источника опорного напряжения, а коэффициент стабилизации всегда хуже, чем у схемы, составленной из резистора и стабилитрона.

Влияние выходного сопротивления источника опорного напряжения (стабилитрона) в схеме стабилизатора с параллельным включением триода на ее показатели не исчерпывается сделанным замечанием. Выходное сопротивление опорного источника создает дополнительную

внутреннюю отрицательную обратную связь, уменьшающую усиление транзистора.

Изменение тока коллектора Д/р, который в этой схеме протекает через опорный' источник, вызывает изменение напряжения на нем, равное ГгопД/.гр- Это напряжение прикладывается к эмиттеру транзистора с такой полярностью, что действует навстречу первопричине (приоткрывает при уменьшении тока) и, таким образом, уменьшает усиление транзистора.

Рис. 8.5 В схемах, удачно сочетающих положитель-

. ные качества двух рассмотренных схем стабилизаторов (рис. 8.5), применяют и делители напряжения, и усиление по напряжению. Так, транзистор Ту является усилителем напряжения, а резистор - его нагрузкой.

Изменения выходного напряжения, ослабленные делителем напряжения, но усиленные затем усилителем, подводятся к управляющему промежутку последовательного транзистора регулируемого сопротивления (То) и меняют падение напряжения на нем, что и стабилизирует выходное напряжение. Источник опорного напряжения в этих схемах разгружен, так как по нему протекает лишь ток усилителя напряже-ния, значительно меньший тока нагрузки, поэтому подобные стабилизаторы позволяют получить очень высокий коэффициент стабилизации и малое выходное сопротивление.

Для улучшения показателей схем стабилизаторов, особенно при выполнении их на полупроводниковых триодах, применяют многокаскадные усилители.

§ 8.2. Принципы работы импульсных стабилизаторов

В линейном стабилизаторе избыток мощности, отдаваемой первичным источником, в сравнении с мощностью, потребляемой нагрузкой, выделяется в самом стабилизаторе, а точнее - в его силовой цепи. Это обусловливает выбор транзисторов силовой цепи по допустимой мощности рассеяния и в конечном итоге определяет габариты и массу стабилизатора.

В стабилизаторах с импульсным регулированием регулируемое сопротивление заменяется ключом, что сводит до минимума рассеиваемую в нем мощность. Замыкаясь и размыкаясь, ключ то подсоеди-

няет, то отсоединяет нагрузку, и тем самым регулирует среднюю мощность, забираемую ею от источника. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения, вызываемых коммутацией ключа, в силовую цепь импульсного стабилизатора (рис. 8.6, а) включают специальный фильтр, состоящий из дросселя L, конденсатора С и разрядногодиодаД; Цепь обратной связи стабилизатора управляет интервалами времени, в течение которых ключ замкнут и разомкнут.

Величина напряжения на нагрузке определяется как напряжением источника Е, так и соотношением интервалов, в течение которых ключ К замкнут и разомкнут. Воздействуя на длительность замыкающих ключ импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке, и, следовательно, поддерживать его постоянным при изменениях первичного напряжения Е.

Преобразование сигнала ошибки, являющегося в импульсном стабилизаторе, как и в линейном, медленно меняющимся постоянным напряжением, в импульсную последовательность с переменной скважностью, что необходимо для управления ключом, производится в специальном импульсном устройстве, входящем в цепь обратной связи стабилизатора'. Работой ключа можно управлять разными способами. Если импульсное устройство создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса, то такую схему называют стабилизатором с широтно-имп'ульсной модуляцией. Если же импульсное устройство замыкает ключ при напряжении на выходе,меньшем некоторого порога, и размыкает его при превышении порога, то такую схему называют релейным или д в у х п о -зиционным стабилизатором.

При замкнутом ключе напряжение на входе фильтра равно напряжению источника Е. При разомкнутом ключе оно равно нулю (рис. 8.6, б). Положив потери напряжения в фильтре равными нулю, получим на нагрузке среднее напряжение:

и^Е{Т-Ь)/Т, (8.12)

где е - длительность паузы (время нахождения ключа в разомкнутом состоянии); Т - период повторения замыкающих ключ импульсов.

Пульсации напряжения на нагрузке тем меньше, чем больше индуктивность дросселя L и чем меньше длительность паузы 6.

Если бы в силовой цепи не было диода Д, то при размыкании ключа на дросселе наводилась бы очень большая э. д. с. (ток обрывался бы скачком) и либо дроссель, либо ключ пробивались бы.

В схеме с диодом в самом начале процесса нарастания этой э. д. с. появляется отрицательное напряжение на катоде диода, он открывается, что дает возможность дросселю разрядиться через нагрузку и конденсатор фильтра. Ток дросселя и нагрузки в течение интервала Т - о протекает через источник, а в течение интервала 9 - через

диод Д (рис. 8.6, в, г). В приведенной на рис. 8.6 схеме дроссель фильтра L включен последовательно в силовую цепь стабилизатора. В такой схеме напряжение на нагрузке всегда меньше напряжения источника Е.

Возможно и параллельное включение дросселя с нагрузкой (рис. 8.7, а). При замкнутом клю-че /< (О < / < Г - 9) дроссель заряжается током от источника Е (рис. 8.7, в). Полярность падения напряжения на дросселе при этом задается источником Е и она такова, что.диод Д оказывается закрытым. Конденсатор С, накопивший некоторый заряд в предыдущие периоды коммутации ключа, разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток /q.

Размыкание ключа К (Т - в < < / < Г) приводит к разрыву цепи зарядного тока и на дросселе наводится э. д. с. ei с полярностью, противоположной той, которая существовала на нем ранее (рис. 8.7, б). Нарастание этой э. д. с. происходит до тех пор, пока не откроется диод Д, подключающий параллельно дросселю конденсатор С и нагрузку R (разрядную цепь).

Разряжаясь, дроссель подзаряжает конденсатор С, восстанавливая уменьшившийся за предыдущую часть периода его заряд (рис. 8.7, д). Часть разрядного тока дросселя протекает и по нагрузке, поддерживая в ней близкий к постоянному ток /о (рис. 8.7, г).

Если индуктивность дросселя L и емкость конденсатора бесконечно большие, а потери в схеме отсутствуют, то вся энергия, отдаваемая источником Е, будет выделяться в нагрузке стабилизатора R. Источник Е в течение одного периода Т отдает энергию

Л„ = £/(Г-6), (8.13)

где 7 -ток дросселя, который при бесконечной индуктивности постоянен.

Рис. 8.7

Прн разрядке дроссель отдает полученную от источника £ энергию конденсатору и нагрузке. Отдаваемая дросселем энергия

Al = UIlB.

(8.14)

Энергия, полученная прн разрядке конденсатором С, затем опять попадает в нагрузку. Поэтому, приравняв правые части равенств (8.13) и (8.14), получим уравнение, из которого легко найти напряжение на нагрузке

и=Е{Т-д)/В. - ~ (8.15)

При малых интервалах разряда (6 < Т/2) напряжение U получается большим, чем Е.

В современных схемах импульсных стабилизаторов в качестве ключа широко применяют транзисторы и тиристоры. Замыканию ключа соответствует полное отпирание транзистора, приводящее к от- крыванию и коллекторного и эмиттерного переходов. Размыкание ключа соответствует полному отключению транзистора и запиранию обоих /г-р-переходов.

Реальные транзисторы, работающие в ключевом,режиме, дроссели и диоды обладают весьма малыми потерями, что позволяет выполнять силовую цепь стабилизатора в малых габаритах. Требуемая для обеспечения малых пульсаций индуктивность дросселя L уменьшается с ростом частоты коммутации ключа К- Поэтому частоту коммутации вы- бирают настолько большой, насколько позволяют это применяемые в качестве ключа транзисторы. В современных стабилизаторах она достигает 10-15 кГц.

Глава IX

Стабилизаторы на стабилитронах

§ 9.1. Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковый (кремниевый)* стабилитрон имеет вольт-амперную характеристику (рис. 9.1) с достаточно протяженным участком а-б, на котором значительным приращениям тока соответствуют малые приращения напряжения. Этот участок получается при обратномшещении и характерен для режима так называемого электрического пробоя р-п-перехода. Если ток стабилитрона больше /щах. мощность, рассеиваемая в стабилитроне, превышает предельную, температура р-/1-перехода возрастает выше допустимой и возникает необратимый тепловой пробой, разрушающий р-/г-переход.

Электрический пробой является обратимым, и пологий участок характеристики стабилитрона повторяется от включения к включению с высокой точностью. Обычно ветвь обратного тока (рабочую ветвь) характеристики стабилитрона изображают при ином расположении

координатных осей (рис. 9.2). При этом рабочий участок характеристики получается пологим.

По конструктивному выполнению (рис. 9.3) кремниевые стабилитроны аналогичны выпрямительным полупроводниковым диодам. К относительно массивному медному кристаллодержателю / (основание)

припаивается монокристалл кремния 2 с электропроводностью р-типа. Припой выбирается таким, чтобы с кремнием и медью он не создавал выпрямляющих контактов. С противоположной стороны кристалла создают путем вплавления алюминиевого электрода 4 зону электропроводности п-типа, а сам электрод сваривают с токоотводом и выводом 6. В кристалле образуется р-п-переход 3. Всю конструкцию помещают в металлический корпус 5, привариваемый к Основанию. Токо-отвод пропускают через изолятор.

Кремниевые стабилитроны в сравнении с применявшимися ранее газовыми имеют много преимуществ. У них небольшие табариты и масса. У кремниевых стабилитронов характеристика не имеет точки перегиба и, следовательно, напряжения зажигания более высокого, чем напряжения, пробоя. Это облегчает расчет, улучшает характеристики схемы. У полупроводниковых стабилитронов отсутствует и участок характеристики с отрицательным наклоном, ~ что позволяет подключать параллельно ему конденсатор любой емкости.

Стабилитрон сохраняет напряжение стабилизации от одного включения к дру-. гому с очень высокой точностью. Отклонения напряжения не превышают 0,01%.

/пах

Рис. 9.1

Рис. 9.2

Рис. 9.3

В заключение необходимо отметить, что на характеристику стабилитрона не влияет.световое облучение, электрическое и магнитное поля.

Самым существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Однако теплового гистерезиса у стабилитронов не наблюдается, поэтому в схему стабилизации можно включать элементы температурной компенсации.

Рис. 9.4

При температуре -40 -т- -f-60 С напряжение стабилизации меняется у большинства стабилитронов практически линейно. Поэтому температурную нестабильность напряжения удобно учитывать с помощью температурного коэффициента напряжения по формуле

где у - абсолютный температурный коэффициент; Д/ - изменение температуры п-р-перехода.

Типовые характеристики стабилитронов с разными напряжениями стабилизации, снятые при температурах 20 и 60° С (рис. 9.4), показывают, что стабилитроны с напряжением стабилизации меньше 5 В имеют отрицательный температурный коэффициент, а стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В - положительный.

Из нескольких стабилитронов с разными по знаку температурными коэффициентами можно составить схему с общим температурным коэффициентом, близким к нулю. Это так называемые схемы температурной компенсации.

§ 9.2. Эквивалентная схема стабилитрона

Стабилитроны применяют и как источники эталонного (опорного) напряжения в сложных схемах стабилизаторов и как самостоятельные стабилизаторы напряжения на нагрузках, потребляющих относительно небольшую' мощность.

Хотя схемы включения стабилитронов и в том и в другом случае одинаковы, условия их работы разные. Когда стабилитрон используется как источник опорного напряжения, то [1змене-ния протекающего через него тока малы по сравнению с его средним -значением. Когда стабилитрон является стабилизатором напряжения на нагрузке, изменения его тока могут быть относительно большими.

Для небольших изменений тока рабочий участок характеристики стабилитрона можно заменить отрезком прямой (рис. 9.5, а). Эквивалентная схема (линейная схема замещения), соответствующая стабилитрону с линейной вольт-амперной характеристикой (рис. 9.5, б), содержит всего два элемента: эквивалентную э. д. с. и внутреннее сопротивление г;. Эквивалентная э. д; с. определяется отрезком, от-

Рис. 9.5