Главная  Электроустройства и узлы радиосистем на постоянном токе 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

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

3) как показывает сравнение напряжения (У^этах с максимально допустимым напряжением между коллектором и эмиттером f/кэдоп, запас по напряжению достаточен;

4) по полученному 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 рел<;им получался при положительных токах базы транзистора, так как транзистор в данной схеме работает успешно лишь при открытом эмиттерном переходе. Кроме того, уменьшение напряжения источника возможно лишь тогда, когда он является автономным, т. е. питает только исследуемый стабилизатор, и

до тех пор, пока левый верхний угол рабочей области не подойдет вплотную к участку характеристики транзистора, у 1 соответствующего насыщению.

Проведенное построение рабочей обла-

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 разных 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

,(;, = ty-£ . (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 + /б + /д / () в силу сделанных приближений превращается в вертикальную прямую Л В (рис. Ю.4, в), при-

чем всегда можно считать ток коллектора много большим суммы токов базы транзистора /д и делителя /д:

/к>/б + /д,

(10.3)

что позволяет по вертикальной оси откладывать один ток коллектора.

На этой характеристике, так же как для стабилитрона, можно найти две граничные точки, соответствующие максимальному и минимальному режимам, и тем самым определить рабочий участок. А\акс[1-мальный ток коллектора получится при £тах и /iimiii, а минимальный при £rnin н /нтах (см. ТОЧКИ Л'1 И Л^на рис. 10.4, в).


Если в максимальном и минимальном режимах ток коллектора не выходит за допустимые для выбранного транзистора пределы, то стабилизатор будет успешно работать в определенном условиями задачи диапазоне изменений тока нагрузки и входного напряжения. Оценочные формулы для предельных режимов работы транзистора, полученные на основе такого приближенного построения,

/ктах = (£тах-) ?3-/нтш, (10.4)

/кшГп = (£т!п-) ?з-/тах, . (10.5)

позволяют в большинстве случаев правильно выбрать транзистор и напряжение Е для заданных пределов изменения тока нагрузки.

В заключение следует сделать одно замечание. Характеристики транзистора смещаются при изменении температуры переходов. Поэтому правильную оценку пригодности выбранного транзистора и его режима можно вынести только в том случае, если графические построения выполнены и для максимальной, и для минимальной температуры переходов.

§ 10.2. Эквивалентные схемы транзисторов

Для того чтобы воспользоваться аналитическими методами расчета, необходимо вместо характеристик транзистора применять линейные схемы замещения. Являясь справедливыми лишь для приращений токов и напряжений, они позволяют рассчитать сами от-



клонения выходных величин стабилизатора и абсолютные нестабильности. А средние значения напряжений и токов, необходимые как для расчета относительных нестабильностей, так и для определения рабочей точки нелинейного элемента, следует находить путем графических построений.

В практике используют несколько схем линейного замещения транзисторов в зависимости от решаемой задачи. Иногда предпочитают схеме формальную систему уравнений, в которой транзистор как четырехполюсник представляют матрицей из четырех параметров. Однако моделирующие схемы имеют большую наглядность, в процессе обучения удобнее пользоваться ими, а не формальными системами уравнений.

Из ряда схем, моделирующих транзистор, отдается предпочтение так называемой схеме Джиаколетто (рис. 10.5). Хотя ее использование в расчетах стабилизаторов и не сопряжено с явными выгодами в виде простоты выкладок или простоты окончательных выражений,

но ее выбор даст определенные преимущества. Во-первых, эта схема наиболее применима при анализе усилительных и ряда импульсных устройств, ее изучение не явится дополнительным; во-вторых, она лучше других характеризует частотные свойства транзистора в широкой области частот, что важно для исследования и, в-третьих, от нее проще перейти работающего в режиме пере-

6 б'

4. J

1

Рис. 10.5

устойчивости стабилизатора; к эквивалентной схеме транзистора, ключения.

Величины сопротивлений, входящих в моделирующую схему транзистора, зависят не только от положения рабочей точки на xapaKTCj ристиках транзистора, но и от температуры /?-л-переходов. В этой связи следует различать параметры транзистора, полученные при постоянной температуре и при .температуре, следующей за изменением рассеиваемой в транзисторе мощности. Как и в случае со стабилитроном, параметры, полученные при неизменной температуре, называют параметрами для переменного тока, а другие - параметрами для постоянного тока.

Температура /?- -переходов зависит как от количества тепла, выделяющегося в транзисторе, так и от условий отвода тепла от транзистора. Основная тепловая мощность

(10.6)

выделяется в коллекторном переходе транзистора и отводится в окружающую среду через корпус транзистора и радиатор (тепло-отвод).

Превышение температуры коллекторного перехода по сравнению с температурой корпуса транзистора пропорционально тепловому сопротивлению транзистора, которое в данном случае удобнее назвать тепловым сопротивлением переход- корпус Rj,n.K- Через это сопротив-

ление проходит вся мощность и, следовательно, разность температур перехода и корпуса определится из соотношения

{ta-t,)/R,. ., = P,. (10.7)

С корпуса транзистора часть тепловой мощности Ро (рис. 10.6) переходит в окружающую среду непосредственно, а часть Р^ - через радиатор. Для этих мощностей можем записать:

P. = PoP2 = {t.-Q/R,. к. с + (к - WRr. к. р + /?т. р. с), (10.8)

где 4, 4 - температуры перехода, корпуса и среды, а R-, c<

Rt.K.p, Rr.p.c - тепловые сопротивления корпус-среда, корпус- радиатор и радиатор-среда.

Общее тепловое сопротивление переход-среда

Rr = R..п.к+R..к.с {Rr.к.р + Rr.р.MRr.к.c + Rr.K.p + Rr.p.с) (10.9)

Сопротивление корпус-радиатор может быть сделано достаточно малым с помощью прокладок из легко сминаемого металла или специальных теплопроводящих смазок. Сопротивление радиатор-среда определяется площадью радиатора S, состоянием поверхности радиатора и циркуляцией воздуха около него:

i?,.p., = 1/,5. (10.10)

В спокойном воздухе при нормальном давлении для черного ребристого радиатора из алюминия коэффициент теплоотдачи равен 0,8 10 Вт/см*.

При большой поверхности радиатора i?p мало, и, поскольку Rr.K.c> Rr.K.p общее тепловое сопротивление

Rt.kp in Rt.rc

Рис. 10.6

Rr.n.K ~\~ Rr. K. p ~b Rr. p. c>

a температура перехода транзистора

tn t, + P, (Я,. , + R, p + p ,).

(10.11)

(10.12)

Включение нескольких транзисторов параллельно приводит к пропорциональному уменьшению сопротивлений переход-корпус и корпус-радиатор, что может существенно облегчить тепловой режим. Часто оказывается целесообразным применение большего числа тран-. зисторов для уменьшения поверхности радиатора. Наиболее напряженным является тепловой режим транзисторов силовой цепи, поэтому именно там и применяют параллельное включение транзисторов.

Выбор поверхности радиатора производится так, чтобы температура перехода не превышала допустимую при максимально возможной температуре среды и мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе. Анализ рассмотренной схемы теплоотдачи дает возможность не только определить допустимую мощность рассеивания транзистора, но и позволяет установить связь между параметрами транзистора для постоянного н переменного тока.

7 А. и. Инании-Цы!аиои



Расчет величин элементов моделирующей схемы для переменного тока проводится на основе характеристик транзистора и его паспортных данных. Приведем этот расчет, основываясь на входных и выходных характеристиках транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 10.7).

Определим значения параметров схеме замещения транзистора, рабочая точка которого занимает положение А на рис. 10.7, 6. Этой точке соответствует ток коллектора 7,2, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер У^э2-

Начнем с коэффициента усиления транзистора по току /ijia = Р-Для этого найдем значения тока коллектора / и /.з, соответствующие напряжению на коллекторе V, токам базы и /gg- Величина одного из них (/бз) больше значения исходного тока /кг, а другого (/gi) меньше.


Рис. 10.7

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером hi, = = Р равен отношению приращений коллекторного и базового токов:

Р = (/кЗ-/к1)/(/бЗ-/б1)- (10.13)

Далее определим наклон выходной характеристики транзистора в рабочей точке (t/ /2). который для моделирующей схемы равен

А/к/А^к, = + (1+Р)кб- (10.14)

Поскольку влияние проводимости обратной связи - gQ сказывается на смещении входной характеристики под действием напряжения fyg, а из приводимых в справочниках двух входных характеристик для fy = О и = 792 это смещение определить нельзя, то найти из суммы (10.14) каждое слагаемое следует по результатам каких-либо других измерений, а не входным характеристикам.

Часто полагают

кз = (3-ь30)кб.

(10.15)

Входную проводимость транзистора, равную для моделирующей схемы

g.x-=U{ro-i-\/gs), (10.16)

можно определить по наклону входной характеристики (рис. 10.7, а) в рабочей точке. Значение сопротивления можно найти либо по приведенному в справочнике произведению rgC, либо по наклону входной характеристики при большом напряжении U, и большом токе базы, ибо в этом случае l/g.

Проводя касательную к входной характеристике, соответствующей Укаг, находим

rg = At/g 6n, (10-17)

где Дббп - отрезок оси входных напряжений, являющийся проекцией отрезка касательной.

Таким образом, нами определены все элементы низкочастотной моделирующей схемы. Для превращения схемы в высокочастотную ее следует дополнить емкостями Cg и С^. Значение емкости Cg дается в паспорте на транзистор, а емкости С, определяется по величине предельной частоты усиления по току f., также приводимой в паспорте:

Сэ = Р^э/(2я/,) = /,/(2я26/,), (10.18)

Рис. 10.8

где /, берется в миллиамперах.

Параметры эквивалентной схе- 0-

мы транзистора на постоянном токе можно рассчитать по их значениям на переменном токе. Практически таких расчетов не проводят. Связано это с тем, что разброс значений параметров у различных экземпляров транзисторов весьма велик и перекрывает температурные изменения этих параметров. Запасы, закладываемые при проектировании в стабилизатор, обеспечивают его успешную работу как с хорошими, так и плохими транзисторами. В связи с тем что температурные изменения параметров транзистора меньше их изменений из-за разброса, они не оказывают существенного влияния на показатели стабилизатора.

Однако при расчете усилителей стабилизаторов необходимо учитывать влияние неуправляемого тока коллекторного перехода /о и тепловое смещение входных характеристик транзистора, называемое температурным дрейфом. Эти факторы приводят к температурным изменениям выходного напряжения. В эквивалентной схеме это учитывают путем включения двух зависящих от температуры генераторов: генератора тока /ко и генератора напряжения ALg (рис. 10.8). Соответствующая методика приводится в курсе усилительных устройств [111.

Рассмотренную схему замещения биполярного транзистора используют не только для описания поведения одного транзистора, но и для характеристики более сложных схем, содержащих несколько транзисторов. В этом случае схему можно преобразовывать к виду, показанному на рис. 10.5 или 10.8. Элементы преобразованной схемы и являются элементами транзистора, заменяющего всю сложную схему.

Приведем пример такого преобразования. Для увеличения тока, отдаваемого стабилизатором в нагрузку, применяют параллельное сое-цинение нескольких транзисторов в силовой цепи. Однако при задан-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов