Хпрограммы p cad для схемотехнического моде­ лирования на пэвм icon

Хпрограммы p cad для схемотехнического моде­ лирования на пэвм


Смотрите также:
Программы p-cad для схемотехнического моде­лирования на пэвм графического дизайнера Desing-cad-3...
Программный комплекс обработки инженерных изысканий и проектирования генеральных планов Состав...
Типовая инструкция...
Васильев А. А. «Я сегодня в моде…»: 100 ответов о на вопросы моде и о себе/А. А. Васильев...
Расписание занятий студентов...
«Прикладная информатика в экономике»...
Программа повышения квалификации педагогических работников по приоритетному направлению...
План введение. Основные характеристики изображения на экране. Освещенность рабочего помещения...
Разработка и исследование бионических алгоритмов решения задачи параметрической оптимизации для...
Задачи олимпиады: повышение качества подготовки школьников в области cad/cam технологий...
Методическое объединение учителей физики Центрального района г...
Курсовая работа по дисциплине «Моделирование»...



Загрузка...
скачать
Казанский Государственный Университет

Физический факультет кафедра радиоэлектроники

ЛИНЕЙНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Методическая разработка

для лабораторного практикума

по радиофизике и радиоэлектронике.

КАЗАНЬ - 1997г.

Составители: ст.преп. каф. р/э К.С.Сайкин инж. каф. р/э В. В.Тогу лев

Методическая разработка подготовлена для лабора­торной работы "Линейный стабилизатор напряжения" общего радиофизического практикума, проходящего на кафедре радиоэлектроники физического факуль­тета КГУ. Данная лабораторная работа выполняется студентами 3-го к 4-го курсов потока "радиофизика".

Макет методической разработки был подготовлен с использованием

  • издательской системы LATeХ

  • программы P-CAD для схемотехнического моде­лирования на ПЭВМ

  • графического дизайнера Desing-CAD-3.

1 Оглавление

  1. Введение 4

  2. Основные типы стабилизаторов 5

  3. Элементы стабилизаторов 9




  1. Параметрические стабилизаторы 9

  2. Тиристоры 11

  3. Транзисторы 14

4 Непрерывное регулирование 17

  1. Параметрические стабилизаторы 19

  2. Компенсационные стабилизаторы 24

5 Защита в стабилизаторах 28
в Интегральные стабилизаторы 30


  1. Схема исследуемого стабилизатора. 32

  2. Методика измерений. 35




  1. Определение тока срабатывания защиты. ... 35

  2. Определение К СТ1 и КСТ2 36

  3. Определение Ввых стабилизатора 37

9 Контрольные вопросы. 39
Список литературы 43


2 СПИСОК РИСУНКОВ

Список таблиц

1 Электрические параметры стабилитронов и ста-

бисторов. 11

Список рисунков

  1. Структурная схема параметрического стабили­
    затора напряжения 6


  2. Структурная схема непрерывного последова­
    тельного стабилизатора 7


  3. Структурная схема непрерывного параллельно­
    го стабилизатора 7


  4. ВАХ стабилитронов и стабисторов 10

  5. Тиристор 12

  6. Статические ВАХ тиристора 12

  7. ВАХ транзисторов 16

  8. Вольтамперная характеристика стабилизатора
    напряжения 19


  9. Однокаскадный ПСН 20

  10. Эквивалентная схема однокаскадного ПСН . . 20

  11. Реальные схемы ПСН 23

  12. ПСН на стабилетроне, питаемый от стабилиза­
    тора тока 23


  13. Типовая схема КСН с последовательным вклю­
    чением регулирующего элемента 24


  14. Эквивалентная схема стабилизатора напряжения. 26

  15. Схема стабилизатора с защитой на реле .... 29

ЛИТЕРАТУРА 43

Литература

[1] Справочник//Источники электропитания РЭА. Под. ред. Г.С.Найвельта.-М., "Радио и связь", 1986г.

[2] С.В.Назаров. Транзисторные стабилизаторы напряже-ния.-М., "Энергия", 1980г., стр.62-67.

[3] Э.М.Ромаш. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. -М., "Радио и Связь", 1981г., стр.107-113.

[4] В.С.Гутников. Интегральная электроника в измеритель­ных устройствах.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.-304с.

[5] Г.И.Изъюрова и др. Расчет электронных схем.-М., "Выс­шая школа", 1987г.

[6] И.И.Белопольский. Электропитание радиоустройств. М., "Энергия", 1965г., стр.190-200, 205, 219-225.

[7] С.Додик. Полупроводниковые стабилизаторы постоянно­го напряжения и тока.-М., "Советское радио", 1980г., гл. 1,4,5, §§1.1, 1.2,1.3,4.1,5.1.

[8] Л.Фолкенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС.-М., "Мир", 1985г.

[9] Н.М.Тугов. Полупроводниковые приборы: Учебник для ВУЗов.-М., "Энергоатомиздат", 1990г.

[10] И.П.Степаненко. Основы теории транзисторов и транзи­сторных схем.-М., "Энергия".

42 9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

основные параметры стабилитронов КС133, КС156, Д814А, Д814Д, Д818А, Д818Е, КС196В (или КС191Р). Покажите в связи с какими параметрами они выделены в характерный ряд стабилитронов до 12В. Какие физи­ческие и технологические особенности ответственны за их формирование.

СПИСОК РИСУНКОВ 3

  1. Схема стабилизатора с защитой на тиристоре . 29

  2. Интегральный стабилизатор напряжения. ... 31

  3. Схема стабилизатора напряжения с использова­
    нием ИСН 32


  4. Схема источника питания стабилизированного
    ИПС-1 33


  5. ВАХ схемы защиты исследуемого стабилизатора 35

  6. Блок-схема установки 35

  7. Схема для определения | Zвыx | 38

4 1 ВВЕДЕНИЕ

1 Введение

Многие устройства эксперементальной физики требуют большой степени постоянства режима питания. Такими устройствами являются фотоэлектрические умножители, электронно-оптические системы, магниты масспектрометров, магниты, используемые в магнитной радиоспектроскопии, усилители, приемники, передатчики различного назначения, цифровые устройства и т.д.

^ Одни из этих устройств требуют стабильного во времени напряжения питания, другие - стабильного тока питания.

В настоящее время разработано большое число различных устройств, применяемых для стабилизации переменного и по­стоянного тока и напряжения [1]-[8]. Они классифицируются по мощности, которую способны отдавать в нагрузку, по ти­пу съёма (последовательные или комбинированные), по ти­пу элементов, используемых для стабилизации (магнитные, электронные, ионные и т.д.).

^ Более подробно классификация источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры дана в работе [5], стр. 5-8.

Целью данной лабораторной работы являются:

  • ознакомление с принципом работы электронных стаби­
    лизаторов напряжения (ЭСН). Основное внимание уде­
    лено параметрическим и компенсационным ЭСН.


  • приобретение навыков расчета и эксперементального ис­
    следования основных параметров, характеризующих
    ЭСН.


41

(Ки = 0.9, rвых = 100ом) на режим "общий эмиттер" (Ки = 30, rвых = З000ом) практически не влияет на ве­личину выходного напряжения стабилизатора.

  1. ^ Выделите контур отрицательной и положительной
    обратной связи на рис. 13 и схемы составленной Вами
    в предыдущем вопросе. Расчитайте величину K
    1β_ +
    K
    2β+ для дифференциального сигнала. Покажите, что
    различием коэффициентов К
    и1 и Ки2 можно пренебречь
    (численные индексы обозначают эмиттерный или ба­
    зовый вход). Для чего используется положительная
    обратная связь в данном случае. К каким неприятным
    последствиям она может привести в начальный момент
    включения (ток опорного стабилитрона очень мал). По­
    чему эта ситуация исключается для схемы рис. 13.


  2. Где выше качество стабилизированного напряжения: на
    выходе компенсационного СН, на его опорном стаби­
    литроне (режим без положительной обратной связи
    (ПОС)), на опорном стабилитроне (режим с ПОС). На­
    грузка во всех случаях подключается к выходу компен­
    сационного стабилизатора.





  1. Расчитайте делитель ООС для стабилизатора с исполь­
    зованием стабилитрона КС 196В (или КС191Р) для ра­
    боты на базовый вход усилителя на одном транзисторе.
    Какие ограничения желательно принять на величину
    полного тока делителя. Почему подобный стабилитрон
    желательно применять в комбинации с операционным,
    а не транзисторным усилителем.


  2. ^ Используя справочники выпишите и проанализируйте

40 9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ты графика выходящие за границы применимости экви­валентной схемы рис. 14 и соответствующей системы уравнений.

  1. Поясните работу параметрического* стабилизатора на
    графике используя вольтамперные характеристики ста­
    билитрона, сопротивление гасящего резистора и сопро­
    тивление резистора нагрузки. Проведите сопоставление
    элементов графика и расчётных уравнений.


  2. Выполните расчёт гасящего сопротивления параметри­
    ческого стабилизатора и коэффициента стабилизации
    для следующих условий: выходное напряжение 7.5В,
    ток нагрузки 5mA, входное напряжение 10В, его отно­
    сительная нестабильность 10%, коэффициент стабили­
    зации наилутший. Необходимые параметры и сам ста­
    билитрон выбрать самостоятельно.


  3. Какой тип общей отрицательной обратной связи (ООС)
    существенен для работы компенсационного стабилиза­
    тора. Какую величину минимального петлевого усиле­
    ния ^ К β можно допустить исходя из допустимой отно­
    сительной нестабильности (К - коэффициент усиления
    напряжения сравнивающего усилителя и регулирующе­
    го транзистора; β - коэффициент передачи усилителя
    обратной связи). По аналогии со схемой 13 составьте
    схему компенсационного стабилизатора напряжения с
    включением регулирующего транзистора в режиме "об­
    щий эмиттер". Как выглядит в общем виде выражение
    для определения выходного сопротивления стабилиза­
    тора напряжения и почему изменение включениг регу­
    лирующего транзистора от режима "общий коллектор"


^ 5

2 Основные типы стабилизаторов

напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, под­держивающее неизменным напряжение на нагрузке при изме­нении значений питающего напряжения, температуры окру­жающей среды и при воздействии других дестабилизирующих факторов, которые могут привести к изменению напряжения на нагрузке.

^ По принципу действия стабилизаторы напряжения подраз­деляются на параметрические и компенсационные:

Параметрическим стабилизатором напряжения (ПСН) на­зывается устройство, в котором стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется в результате перераспределения на­пряжений между линейным и нелинейным элементами. В ка­честве нелинейных элементов используются различные при­боры, обладающие резко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики, например стабилитрона, транзи­стора.

^ Кремниевые стабилитроны используют при напряжениях на нагрузке в диапазоне от единиц до сотен вольт и токах нагрузки от единиц до десятков миллиампер.

Газоразрядные стабилитроны, как правило, применяют для стабилизации высоких напряжений (сотни вольт, кило­вольты) при малых токах нагрузки (миллиамперы, микроам­перы).

^ На рис. 1 приведена схема параметрического стабилиза­тора напряжения с использованием в качестве нелинейного элемента стабилитрона (НЭ). R1 - гасящий резистор, Rн -сопротивление нагрузки.

6 2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ



^ Рис. 1: Структурная схема параметрического стабилизатора напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) по­стоянного тока представляют собой системы автоматического регулирования, содержащие замкнутый контур регулирова­ния, по которому сигнал с выхода стабилизатора воздействует на регулирующий элемент (РЭ), в качестве последнего чаще всего используют транзистор.

По способу регулирования стабилизаторы делятся на не­прерывные и импульсные. В данной работе рассматриваются параметрические и компенсационные стабилизаторы непре­рывного регулирования.

Непрерывный последовательный стабилизатор выполняет­ся по структурной схеме, приведённой на рис. 2, в которой регулирующий элемент - транзистор, включённый последо­вательно с нагрузкой.

При изменении выходного напряжения или тока нагрузки в измерительном элементе (ИЭ), в который входит сравни­вающий делитель и источник опорного напряжения, выделя­ется сигнал рассогласования, который усиливается усилите­лем постоянного тока (УПТ) и подается на вход РЭ, изменяя

^ 39

9 Контрольные вопросы.

  1. Опишите структурную схему вторичного источника
    электропитания включая: первичный источник, опор­
    ный активный элемент (первичный или вторичный),
    схему сравнения (вычитания) и усиления, преобразова­
    тель обратной связи, регулирующий элемент.


  2. Перечислите входные и выходные параметры стабили­
    заторов напряжения (СН) и опишите их связь с соб­
    ственными параметрами составляющих элементов, па­
    раметрами нагрузки и внешними условиями (параметры
    первичного источника тоже отнести к внешним услови­
    ям). Опишите возможности и правильность применения
    терминологии и понятий коэффициентов стабилизации,
    коэффициентов нестабильности и коэффициентов чув­
    ствительности .


  3. В каких случаях в качестве источников электропита­
    ния РЭ устройств используются стабилизаторы напря­
    жения, а в каких стабилизаторы тока. Почему стаби­
    лизаторы напряжения имеют большее применение. К
    какому типу источников обычно относится первичный
    источник. Как повлияет смена типа первичного источ­
    ника на эффективность применения последовательного
    и параллельного компенсационных стабилизаторов на­
    пряжения.


  4. Нарисуйте реальную и идеализированную вольтампер-
    ную характеристики стабилитрона с выделением харак­
    терных особенностей графика, соответствующих опре­
    делённым параметрам стабилитрона. Укажите элемен-


^ 38 8 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.



Частоту звукового генератора меняйте в пределах от 100Гц до 200кГц 8 -г 10 точек.

Постройте график функции



где f - частота в герцах.

7



^ Рис. 2: Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора.



Рис. 3: Структурная схема непрерывного параллельного ста­билизатора.

его сопротивление по постоянному току таким образом, что выходное напряжение на нагрузке сохраняется постоянным. Измерительный элемент выделяет также сигнал переменной составляющей пульсаций выпрямленного напряжения, сгла­живая её при помощи РЭ.

^ Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется по структурной схеме (рис. 3), в которой РЭ - транзистор, включённый параллельно нагрузке.

Здесь выходное напряжение поддерживается постоянным

^ 8 2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ

за счёт изменения тока, протекающего через РЭ. Например, при увеличении входного напряжения возрастает ток через РЭ, за счёт чего увеличивается падение напряжения на гася­щем резисторе.

8.3 Определение Rвых стабилизатора. 37

Для этого при помощи магазина сопротивлений устанавли­ваете токи нагрузки от 0 до Iзащ , на каждом шаге меняете со­противление нагрузки на ±10%, напряжение сети постоянное 220В, цифровым вольтметром определяете ΔUн , по формуле 40 определяете Кст2 , постройте график функции 41.

По формулам 32 и 33 определите коэффициент петлевого усиления усилителя µтβ и riT - внутреннее сопротивление транзистора, сравните с рассчетными значения последних.

8.3 Определение Явых стабилизатора.

Выходное дифференциальное сопротивление стабилизато­ра на постоянном токе ω = 0, можно определить по его вольт-амперной характеристике, см. рис. 8 .

По определению



Для определения | Zвых | на различных частотах восполь­зуйтесь схемой рис. 22.

Измерив осциллографом падение напряжения между точ­ками В и А, и затем между точками В и С находим UAB и UBC, зная Rоп определяем



Используя 43 находим



^ 36 8 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.

все функциональные узлы схемы подключены правильно. Установите сопротивление нагрузки максимальное (магазин сопротивлений). Включите установку, потенциометрами ГРУБО и ТОЧНО установите выходное напряжение стабили­зации равное 9В. Уменьшая сопротивление нагрузки добей­тесь срабатывания защиты, определите Iзащ .

^ 8.2 Определение KCTl и КСТ2 . Коэффициент КСТ1 определяется выражением 15



^ Необходимо построить зависимость



Для этого магазином сопротивлений устанавливаете токи нагрузки от 0 до Iзащ, всего 8-10 значений, на каждом шаге меняете напряжение сети на ±10% с помощью ЛАТРа, опре­деляя при этом цифровым вольтметром В2-23 ΔUН , по фор­муле 38 определяете КСТ1 , постройте график функции 39. На­пряжение измерить с точностью до 1мВ.

Коэффициент КСТ2 определяется выражением 15



Необходимо построить зависимость



9

3 Характеристики и режимы

работы элементов стабилизаторов напряжения.

^ 3.1 Параметрические стабилизаторы.

В полупроводниковых стабилитронах областью стабилиза­ции является обратная ветвь вольтамперной характеристи­ки (ВАХ), когда приложенное обратное напряжение, достиг­нув определённого значения, вызывает пробой р-n перехода, рис. 4а.

^ Значение тока пробоя ограничивают при помощи постоян­ного резистора так, чтобы рассеиваемая в стабилитроне мощ­ность не превышала предельно допустимой.

На участке от минимального тока стабилизации Iст.min ДО максимального значения тока стабилизации Iст.max напряже­ние стабилизации мало меняется. Важными параметрами ста­билитронов являются температурный коэффициент напряже­ния стабилизации (ТКН) αH [%/°C] , дифференциальное со­противление стабилитрона, Pст.max - максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне.

ТКН определяется выражением:



где ΔUCT = UCT2UCT1 - разность напряжений стабилизации, измеренных при температурах Т2 и Т1 соответственно, ΔT = Т2- Т1.

10 3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ



^ На рис. 4 приведены ВАХ стабилитрона и стабистора. Ucтноминальное напряжение стабилизации при номинальном
токе стабилизации. I
CT.min, ICT.max - предельно допустимые
минимальный и максимальный токи стабилизации. U обр, I обр -напряжение и ток через стабистор при обратном включении полярности напряжения.


^ Дифференциальное сопротивление стабилитрона опреде­ляется выражением (рис. 4а):



Стабисторы - полупроводниковые стабилитроны, в кото­рых областью стабилизации является прямая ветвь ВАХ, рис. 4Ь. Эти приборы используются в цепях, где необходи­мо получить напряжение стабилизации 1 ÷ 2B при токах до 100мА.

35





^ Рис. 21: Блок-схема установки. ЛАТР - лабораторный авто­трансформатор; V1 - вольтметр переменного напряжения; V2 - вольтметр постоянного напряжения; mА - миллиамперметр постоянного тока.

8 Методика измерений.

Блок-схема установки для исследования характеристик стабилизатора изображена на рис. 21.

^ 8.1 Определение тока срабатывания

зашиты.

Перед включением установки в сеть убедитесь в том, что

34 7 СХЕМА ИССЛЕДУЕМОГО СТАБИЛИЗАТОРА.

Резистор R10 является запускающим ИОН при включении ИПС-1 в сеть. Диод VD1 предназначен для температурной стабилизации выходного опорного напряжения, которое сни­мается с коллектора транзистора VТ4 , и подается на дели­тель напряжения на резисторах R14 ... R18 . Опорное напря­жение регулируется резистором R8

Выходной усилитель предназначен для повторения напря­жения ИОН, с учетом заданного ручками ГРУБО, ТОЧНО коэффициента деления на делителе напряжения и обеспечи­вает необходимый ток в нагрузке. Усилитель состоит из тран­зисторов VT5 , VT6 , диода VD3 , конденсаторов С25 , ре­зисторов R11 ….. R14 и представляет собой усилитель со 100% отрицательной обратной связью через диод VD3

Схема зашиты состоит из транзисторов VT1 , VT2 , конден­сатора С2 , терморезистора R3 , резисторов R1 , R2 , R4 , R5 Работа схемы основана на ограничении тока и происходит следующим образом. Увеличение тока нагрузки источника до тока срабатывания защиты вызывает появление напряжения на резисторах R4 ,R5 , достаточного для открывания транзи­стора VT2 , который открывает транзистор VT1 . Последний в свою очередь уменьшает напряжение на базе транзистора VT5 , и, следовательно, на выходе источника. Ток защиты ре­гулируется резистором R4 . Терморезистор R3 предназначен для температурной стабилизации тока защиты. Характери­стика схемы защиты имеет вид изображенный на рис. 20.

3.2 Тиристоры. 11

^ Таблица 1: Электрические параметры стабилитронов и ста-

бисторов


^ Тип стабилитрона

Ucт, В

Iст, mA

Rg

αн, %/ºС

Pcт.

Max Вт

min

Max

Ом

При

Iст, mA

Д814Б

8-9,5

3

36

10

5

0.08

0.34

Д818В

7,2-10,8

3

33

25

10

0.01

0.3

КС133А

3-3,7

3

81

65

10

-0.05-0.06

0.3

Д815А

5,6

50

1400

0.9

1000

0.056

8.0

2С980А

180

2.5

28

220

25

0.16

5.0

В таблице 1 приведены электрические параметры некото­рых типов стабилитронов и стабисторов [1].

^ S.2 Тиристоры.

Тиристоры - это четырехслойный р-n-p-n полупроводни­ковый прибор, который используется в стабилизаторах на­пряжения в качестве ключа (рис. 5). Он включается при пода­че на управляющий электрод (УЭ) короткого положительно­го импульса при условии, что на анод подано положительное по отношению к катоду напряжение.

^ На рис. 6 приведены статические ВАХ тиристоры.

В открытом состоянии прямой ток через тиристор огра­ничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор изменением полярности анодного напряжения и уменьшением

^ 12 3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ



Рис. 5: Тиристор: а) полупроводниковая структура; б) услов­ное графическое обозначение.



^ Рис. 6: Статические ВАХ тиристора.

33



Рис. 19: Схема источника питания стабилизированного ИПС-1. VT1 - КТ315Г, VT2 - КТ361В, VT3 - КТ361Б, VT4 - КТ315Г, VT5 - КТ361Г, VT6 - КТ829Б.

32 7 СХЕМА ИССЛЕДУЕМОГО СТАБИЛИЗАТОРА.



^ Рис. 18: Схема стабилизатора напряжения с использованием ИСН.

7 Схема исследуемого стабилизатора.

В данной работе используется промышленный источник питания постоянного тока ИПС-1.

Схема исследуемого стабилизатора приведена на рис. 19.

Источник ИПС-1 представляет собой стабилизатор посто­янного напряжени последовательного типа и состоит из четы­рех функциональных узлов: выпрямителя, источника опорно­го напряжения (ИОН), выходного усилителя, схемы защиты.

Источник опорного напряжения предназначен для выра­ботки образцового стабилизированного напряжения и пред­ставляет собой маломощный стабилизатор опорного напря­жения. Он состоит из транзисторов VT4 , VT3, диода VD1 , стабилитрона V D2 , резисторов R6... R10 .

3.2 Тиристоры. 13

тока удержания до значения меньше Iуд (точка переключения тиристора), см. рис. 6 . В настоящее время существуют полно­стью управляемые тиристоры, которые запираются подачей отрицательного импульса на УЭ, однако, из-за значительной мощности управления они не нашли широкого применения.

^ Из ВАХ, см. рис. 6 , следует, что тиристор можно при­вести в открытое состояние, увеличивая приложенное к не­му напряжение до критического значения Uвкл , без воздей­ствия на УЭ (Iуд = 0) . Из ВАХ следует, что в зависимости от Iуд меняется величина напряжения включения тиристора Uвкл . Кроме параметров прямого тока, аналогичных пара­метрам силовых полупроводниковых диодов тиристор харак­теризуется напряжением включения Uвкл , током включения Iвкл током удержания Iуд , минимальное значение которо­го определяется режимом управления. В свою очередь, цепь управления (как р-n переход) характеризуется напряжением и токами в прямом и обратном направлениях. Область "2" -переход в открытое состояние," 1" - напряжение на тиристоре в открытом состоянии.

Для увеличения максимально допустимого обратного на­пряжения на тиристоре УЭ тиристора соединяют через рези­стор с катодом, или он должен находиться под отрицатель­ным потенциалом по отношению к катоду, на рис. 6: "4" -область непроводящего состояния тиристора в обратном на­правлении, "5й - область пробоя в обратном направлении.

Подробнее особенности использования тиристоров рассмо­трены в работе [9].

^ 14 3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ

3.3 Транзисторы.

В стабилизаторах транзисторы находят широкое примене­ние. Они используются для усиления сигналов переменного и постоянного тока, в качестве регулирующего элемента.

Транзистор может быть включён одним из трёх способов:

  • с общей базой (ОБ);

  • с общим эмиттером (ОЭ);

  • с общим коллектором (ОК).

Из большого числа параметров, которыми характеризует­ся транзистор, отметим только те, которые наиболее часто используются при расчетах стабилизаторов.

^ 1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с об­
щим эмиттером h
21Э:



^ 2. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер UКЭ - на­
пряжение между выводами коллектора и эмиттера в ре­
жиме насыщения при заданных I
k и I6 .

^ 3. Коэффициент насыщения транзистора - отношение тока
базы в режиме насыщения I
6.нас к току базы на границе
насыщения I
6 .

31



рис. 17, подаётся напряжение для сравнения (см. схему рис. 18) с делителя R2, R3

Регулирующим элементом является составной транзистор на VT6 и VT8 . На транзисторе VT9 можно постороить схему защиты от перегрузок.

На рис. 18 представлена схема стабилизатора построенного с использованием микросхемы К142ЕН1(ЕН2).

^ Ток делителя должен быть не менее 1.5mA. Через конден­
сатор С
1 реализуется отрицательная обратная связь, улуч­
шающая динамическую характеристику дифференцифльного
каскада.


^ 30

6 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

6 Интегральные стабилизаторы

напряжения

Потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры, выполненных на интегральных схемах, привела к разработке специальных интегральных схем - стабилизаторов напряже­ния (ИСН) [2].

В интегральном исполнении выполняются стабилизато­ры напряжения последовательного типа, для питания мало­мощной аппаратуры. В настоящее время отечественной про­мышленностью выпускаются микросхемы различных серий (К142, К181).

На рис. 17 приведена схема интегрального стабилизатора напряжения (микросхема К142ЕН1 ). На ее основе возмож­но построение стабилизаторов с выходным напряжением от 3 до 15В при максимальном токе нагрузки до 150mA. Вход­ное напряжение, в зависимости от требуемого напряжения на нагрузке, составляет 9 …. 20В. Коэффициент стабилизации не мене 200 или 0.005, температурный дрейф выходного напря­жения 0.01 [%/°С] .

^ Источником опорного напряжения схемы является стаби­литрон VD1 , запитанный от токосбилизирующего двухпо­люсника на транзисторе VT1 . Стабилизированное напряже­ние через эмиттерный повторитель на транзисторе VT2 с по­мощью делителя R1, R2 подается на левый вход дифференци­ального каскада на транзисторах VT3 и VT5 . Коллекторной нагрузкой левой половины каскада является регулирующий элемент VT6 , VT8 , правой - токостабилизирующий двухпо­люсник на транзисторе VT4 .

На правый вход дифференциального каскада, вывод 12

3.3 Транзисторы. 15

^ 4. Одним из основных параметров транзистора является
постоянный ток, протекающий через коллекторный пе­
реход I
к и его максимально допустимое значение IK.max

Также транзистор характеризуется следующими пара­метрами:

Uкэ - постоянное напряжение между выводами кол­
лектора и эмиттера.


Uбэ - постоянное напряжение между выводами базы
и эмиттера.


^ 5. Ток коллектора и напряжение между коллектором и
эмитером определяют максимально допустимую мощ­
ность рассеяния:




Характеристиками транзистора в схеме с ОЭ являются его вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические ВАХ транзистора приведены на рис. 7.

Из ВАХ рис. 7 определяем:

^ 1. Коэффициент усиления транзистора по напряжению



2. Статическую крутизну прямой передачи



16 3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ



Рис. 7: Статические вольтамперные характеристики транзи­стора: а) входная; б) выходная.

^ 3. Входное сопротивление транзистора



  1. Дифференциальное сопротивление коллекторного пере­
    хода


  2. Внутреннее сопротивление транзистора



29

Рис. 15: Рис. 16:


28 5 ЗАЩИТА В СТАБИЛИЗАТОРАХ

5 Защита в транзисторных стабилизаторах

В транзисторных стабилизаторах наиболее часто применя­ются три вида защиты:

  • от превышения выходного напряжения;

  • от понижения выходного напряжения;

  • от перегрузки по току или короткого замыкания в на­
    грузке.

Защита от превышения и понижения выходного напряже­ния реализуется за счет введения в стабилизатор дополни­тельных устройств сравнения (УС) и исполнительного эле­мента. В качестве исполнительного элемента могут быть при­менены реле, транзистор, тиристор.

В схеме рис. 15 при превышении напряжения установлен­ного сопротивления RP, открывается транзистор VT, реле срабатывает размыкая нормально замкнутые контакты 1 и 2 , замыкая контакты 3 и 4. Недостаток схемы - инертность, обычно несколько миллисекунд.

В схеме рис. 16 при превышении напряжения, установлен­ного резистором RP , исполнительным элементом является тиристор VD1 , однако при его срабатывании происходит ли­бо сгорание нити предохранителя FU, либо выход из строя тиристора. В исходной позиции транзистор VT закрыт, упра­вляющий ток тиристора Iу, см. рис. 6, равен нулю, значит тиристор VD1 тоже закрыт.

О других способах защиты можно прочитать в [1] стр. 183-190, [8] стр. 275-280.

^ 17

4 Стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием.

В общем случае напряжение на нагрузке стабилизатора можно определить функцией:



где Un - напряжение питания стабилизатора; Rн - сопроти­вление нагрузки; Uн - напряжение на нагрузке. Из формулы 11 следует



Относительное изменение напряжения на нагрузке будет равно:



Из формулы 13 следует, что изменение напряжения на на­грузке будет зависить от двух коэффициентов, которые в ко­нечных разностях будут иметь вид:



где Кст1 - связывает относительное изменение напряжения на выходе с относительным изменением напряжения на вхо­де при постоянном сопротивлении нагрузки; КСТ2 - связывает

^ 18 4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

относительное изменение напряжения на нагрузке с относи­тельным изменением сопротивления последней, при неизмен­ном напряжении питания.

Первый из них Кст1 можно назвать коэффициентом стаби­лизации по изменению напряжения, второй КСТ2 - коэффици­ентом стабилизации по изменению сопротивления нагрузки.

Другими параметрами неидеальности стабилизаторов на­пряжения являются:

rн - внутреннее или выходное сопротивление стабилиза­
тора напряжения;


δUНТ - нестабильность напряжения на нагрузке от тем­
пературы;


δUнt - нестабильность напряжения на нагрузке от вре­
мени;


  • Un - амплитуда пульсаций выходного напряжения;

  • η - коэффициент полезного действия стабилизатора.

Внутреннее rн или выходное сопротивление стабилизатора напряжения можно определить из его вольтамперной харак­теристики, рис. 8.

^ Из рис. 8 следует, что:



Для идеальных стабилизирующих устройств эти показате­ли качества, кроме h, должны быть равны нулю.

4.2 Компенсационные стабилизаторы. 27



где Rн - выходное сопротивление составного транзистора; ΔUН - допустимое резистором RP отклонение UН ; I вых у -ток базы J6 составного транзистора. Пример расчета стаби­лизатора напряжения по схеме рис. 13 приведен в работе [1] стр.170-181.

^ 26 4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ



Рис. 14: Эквивалентная схема стабилизатора напряжения.

Схемы рис. 14 аналогичны схемам рис. 9Ь и 10 , поэтому коэффициенты стабилизации КСТ1 и КСТ2 схемы рис. 13 можно определять по формулам 21 и 22 , заменив в них rg на rн , R1 на riT + r0 = riT . Из формул 21 и 22 , с учетом 31 получим:



^ Для схемы рис. 13 β равно:



где rЭ3 - сопротивление эмиттера; rg - дифференциальное со­противление стабилитрона. В формуле 34 Rk равно:



4.1 Параметрические стабилизаторы. 19



Рис. 8: Вольтамперная характеристика стабилизатора напря­жения.

^ 4.1 Параметрические стабилизаторы.

Основная однокаскадная схема параметрического стабили­затора напряжения приведена на рис. 9а.

С учетом дифференциального сопротивления стабилитро­на, см. формулу 2, можно построить эквивалентную электри­ческую схему, рис. 9Ъ.

В схемах рис. 9 :

I , ICT , Iн - общий ток, ток через стабилитрон, ток на­
грузки;


R1, rg, RН - сопротивление гасящее, дифференциальное
сопротивление стабилитрона, сопротивление нагрузки;


Uп ,Uн ~ напряжение питания, напряжение на нагрузке. Схему рис. 9Ь можно преобразовать рис. 10.

20 4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ



Рис. 9: а) схема однокаскадного ПСН; Ь) эквивалентная элек­трическая схема однокаскадного ПСН.



4.2 Компенсационные стабилизаторы. 25

пряжение.

РЭ на составном транзисторе характеризуется величина­ми:



где h21Э , h11Э , µT , riT - параметры, коэффициент усиле­ния и внутреннее сопротивление составного транзистора, см. рис. 13. Составной транзистор, УПТ и схему сравнения рис. 13 можно рассматривать как некоторый усилитель с по­следовательной отрицательной обратной связью по напряже­нию. Выходное сопротивление такого усилителя уменьшается в (1 + βКН) раз. Здесь β - коэффициент передачи напряже­ния схемы сравнения и УПТ, КН - коэффициент усиления по напряжению составного транзистора, в данном случае µT, поэтому можно записать:



где rн - выходное сопротивление стабилизатора напряжения; г0 - выходное сопротивление источника питания стабилиза­тора.

С учетом вышеизложенного схему рис. 13 можно предста­вить в виде упрощённой схемы замещения, рис. 14.

^ Для случая когда к стабилизатору подключена нагрузка схема рис. 14а имеет вид 14Ь .

24 4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ



Рис. 13: Типовая схема КОН с последовательным включением регулирующего элемента.

^ 4.2 Компенсационные стабилизаторы.

В отличии от праметрических компенсационные стабили­заторы напряжения (КСН) обеспечивают необходимую ста­бильность напряжения на нагрузке при помощи цепи отрица­тельной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ), см. рис. 2, рис. 3. В состав КСН любого типа входят следующие основные функциональные узлы: регули­рующий элемент, устройство сравнения (УС), усилитель по­стоянного тока (УПТ). На рис. 13 изображена одна из про­стейших схем КСН последовательного типа.

^ На схеме рис. 13 функции регулирующего усилителя вы­полняет составной транзистор на VT2 и VT1 , функцию УПТ и устройства сравнения каскад R1 , VT3 , R3 , VD и делитель на RP, R4 , R5 , RP - резистор, регулирующий выходное на-

4.1 Параметрические стабилизаторы. 21

На рис. 10 RСТ, определяется выражением



Из рис. 10 следует где R1 и rg - стабильныевеличины.

Положим, что Uн = Un(Uп , Rн), тогда для параметриче­ского стабилизатора можно найти КСТ1 и KCT2 , см. формулы 11-15:



В большинстве случаев Rн>> rg и R1>> rg , тогда выраже­ния 19-20 примут вид:



^ В литературе при характеристике параметрических стаби­лизаторов на стабилитронах пользуются коэффициентом



^ 22 4 НЕПРЕРЫВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

т.е. коэффициентом обратным КСТ1 , влияние нестабильности RН не рассматривают.

Из выражения 21 следует, что если R1 →∞ со , то Кст1 0. Значит при проектировании стабилизатора необходимо уве­личить R1 у но тогда будет уменьшаться КПД стабилизатора



Разработчик должен принять некоторое компромисное ре­шение. Формула 21 показывает, что стабилитроны лучше все­го запитывать от стабилизатора тока, т.к. его выходное сопро­тивление, в идеале, стремится к ∞ ,т.е. R1 →∞

При проектировании ПСН на стабилитронах необходимо выполнить условие, см. рис. 9а



Где ICТ.MAX - максимальный ток стабилизации. Если I > ICТ.MAX то при случайном отключении нагрузки ста­билитрон может выйти из строя.

На рис. На изображен однокаскадный ПСН с двумя тер-мокомпенсирующими диодами VD2 и VD3 :

Выходное сопртивление ПСН, см. рис. 9, определяется вы­ражением где r0 - выходное сопротивление источника питания.

На рис. 11b изображена двухкаскадная схема ПСН, диоды VD4 и VD5 термокомпенсирующие

На рис. 12 изображена схема ПСН с токостабилизирующим двухполюсником, который состоит из R1 , R2 , VD1 , VT

4.1 Параметрические стабилизаторы. • 23

*



f

Рис. 12: ПСН на стабилетроне VD2 , питаемый от стабилиза­тора тока.




Скачать 366.57 Kb.
оставить комментарий
Дата29.09.2011
Размер366.57 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх