СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Любое радиоэлектронное устройство содержит стабилизи­рованный источник питания, от которого зависят характеристики аппаратуры. Стабилизаторы выполняют на различные напряже­ния — от сотен милливольт до сотен вольт. Большой диапазон пере­крывают стабилизаторы и по току. Требования, предъявляемые -к стабилизаторам, зависят от условий работы аппаратуры. Если стабилизатор используется в качестве эталона напряжения, то он должен быть стабильным прежде всего в заданном диапазоне тем­ператур. При этом он, как правило, работает при малых выходных токах. Стабилизаторы, рассчитанные на большие выходные токи, должны поддерживать выходные напряжения в заданных пределах. Эти пределы могут быть достаточно большими.

Различают три основные группы стабилизаторов: параметриче­ские компенсационные и ключевые. В параметрических стабилиза­торах используется элемент иди схема с резко нелинейной зависи­мостью напряжения от тока, например стабилитрон. Схема включе­ния стабилитрона выбирается такой, чтобы при колебаниях входно­го напряжения выходное напряжение практически не менялось. В этих случаях стабилитрон следует питать через генератор тока — стабилизатор тока. Параметрические стабилизаторы не позволяют регулировать выходное напряжение и не обеспечивают больших то­ков нагрузки. Они обычно используются в качестве источника опор­ного напряжения в более мощных компенсационных стабилизато­рах В компенсационных стабилизаторах осуществляется сравнение выходного напряжения с опорным. В зависимости от разности на­пряжений (и ее знака) автоматически включается балансирующий (регулирующий) элемент, который отрабатывает эту разность. Для точного отслеживания выходного напряжения разность подается на усилитель постоянного тока, который управляет регулирующим эле­ментом. По способу включения регулирующего элемента стабили­заторы делятся на последовательные и параллельные. В побледо-вательном стабилизаторе регулирующий элемент включается после­довательно с нагрузкой, а в параллельном — параллельно нагрузке.
Последовательные стабилизаторы делают на большие токи, а парал­лельные нашли применение в схемах с большим выходным напря­жением

Основным параметром стабилизаторов является коэффициент стабилизации. Этот параметр зависят от коэффициента усиления усилителя постоянного тока. Применение интегральных ОУ позво­ляет значительно повысить коэффициент стабилизации, снизить температурный дрейф выходного напряжения, доведя его до зна­чения, определяемого нестабильностью выходного делителя и опор­ного стабилитрона. Интегральные микросхемы позволили также значительно сократить габариты стабилизаторов. Микросхемные стабилизаторы серии К275 перекрывают широкий диапазон по на­пряжению от 1 до 25 В при выходном токе до 50 мА. В некоторых случаях достаточно включить на выходе мощный транзистор, чтобы построить стабилизатор напряжения с удовлетворительными пара­метрами. Применение стабилизаторов на интегральных микросхе­мах позволяет создать источники питания для небольших узлов и приборов. В этом случае значительно уменьшается паразитная связь между узлами прибора и снижаются требования к первично­му выпрямителю.

Важным свойством стабилизаторов напряжения является спо­собность переходить в режим самозащиты при перегрузках и корот­ких замыканиях на выходе. Почти все схемы защиты управляются включенным в цепь нагрузки резистором с малым сопротивлением. Ток нагрузки создает падение напряжения на этом сопротивлении, которое включает защитную схему. Схема защиты может работать в двух режимах- с автоматическим включением выходного напря­жения стабилизатора после устранения короткого замыкания и с блокировкой, когда для восстановления выходного напряжения тре­буются внешние сигналы.

Включение корректирующих элементов ОУ, которые применя­ются в приведенных ниже схемах, показано в гл. 1.

1. ФОРМИРОВАТЕЛИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Стабилитроны. Серийно выпускаемые стабилитроны име­ют разные вольт-амперные характеристики. Максимальной крутиз­ной обладают стабилитроны с опорным напряжением 7 — 8 В.


Тем­пературный коэффициент напряжения (ТКН) стабилитронов с на­пряжением стабилизации менее 5 В имеет отрицательное значение. Для опорного напряжения около 5,4 В при токе 7 мА ТКН равен нулю. Стабилитроны с опорным напряжением более б В имеют по­ложительный ТКН.

Минимальным внутренним дифференциальным сопротивлением обладают диоды с опорным напряжением 7 — 8 В. Все остальные диоды имеют большое внутреннее сопротивление. Это сопротивле­ние сильно зависит от тока, протекающего через диод. Рабочим то­ком стабилитронов следует считать ток более 3 мА. Ряд графиф-ских зависимостей, характеризующих работу стабилитронов, приве­ден на рис. 16.1.

Управляемый стабилитрон. В обычных стабилитронах при из­менении протекающего тока в некоторых .пределах меняется опор­ное напряжение Е0. В приведенной схеме (рис. 16.2, а) ток, проте­кающий через стабилитрон, контролируется ОУ. Если ОУ не может обеспечить требуемый ток нагрузки, то на выход ОУ целесообраз­но включить транзистор (рис. 162, б). Транзистор полезен и в слу­чае протекания значительного тока через стабилитрон, например, более 5 — 10 мА (при этом стабилитрон обладает меньшим внутрен­ним сопротивлением). Выходное напряжение определяется выра­жением U=EO/[1 — R3/(R2+R3)]. При изменении соотношения между сопротивлениями R2 и R3 можно регулировать выходное напряже­ние в широких пределах. Временной дрейф выходного напряжения не превышает 1 мВ, температурный дрейф в диапазоне от 0 до 85°С не превышает 1 мВ. Выходное сопротивление при изменении тока нагрузки до 20 мА составляет 0,025 Ом. Общая нестабильность выходного напряжения не превышает 0,05 %.

                          Рис. 16.1



                          Рис. 16.2

Стабилизатор напряжения на светодиоде. С помощью светоди-одов можно получить стабилизатор с индикацией (рис. 163). Ин­тенсивность свечения диода зависит от протекающего ччерез него тока. Этот ток определяется сопротивлением резистора R1.



                          Рис. 16.3



Дифференциальное, сопротивление прямой ветви светодиода АЛ 108 равно 0,3 — 12 Ом. При обратном напряжении пробой насту­пает при напряжении для АЛ 108 — 104-20 В и АЛ 109 — 5-М О В. Температурный коэффициент изменения прямого напряжения равен приблизительно 0,12 % на градус. Прямое напряжение при токе 100 мА для АЛ108 равно 1,15 — 1,25 В, а для АЛ109 — 1,0-М,15 В, емкость переходов равна соответственно 130 — 300 пФ и 200 — 400 пФ.

Схема термостабильного опорного напря­жения. Схема (рис. 16.4) позволяет получить стабильное напряжение в широком диапазоне температур. Опорное напряжение, имеющее нулевой ТКН, устанавливается потенциомет­ром: U0п = Uд+ТКНд/ТКНстUст, где Uд — па­дение напряжения на диоде; Uст — опорное напряжение стабилитрона, ТКНД и ТКНст — температурные коэффициенты напряжения ди­ода и стабилитрона. Если вместо одного диода VD2 включить два кремниевых диода, то опор­ное напряжение увеличится в два раза.



       Рис. 16.4                                  Рис. 16.5

Низковольтный стабилитрон. Стабилитрон (рис. 16.5) имеет опорное напряжение 0,65 В для кремниевых и 0,3 В для германие­вых транзисторов. Внутреннее сопротивление стабилитрона менее 5 Ом. Стабилитрон обладает коэффициентом стабилизации 103. Из­менение выходного напряжения при изменении температуры состав­ляет 2 мВ/град или 1 % на градус для германиевых транзисторов и 0,3 % на градус для кремниевых транзисторов.

Полевой транзистор в качестве низковольтного стабилитрона. При включении резистора в цепь истока полевого транзистора воз­никает напряжение ОС. Это напряжение слабо зависит от питаю­щего напряжения. Напряжение ОС определяется потенциалом от­сечки полевого транзистора. Схема с одним транзистором (рис. 16.6, а) обеспечивает внутреннее сопротивление приблизи­тельно 30 Ом, а с двумя транзисторами (рис. 166, б) имеет вну­треннее сопротивление менее 5 Ом. Кроме того, схема с двумя транзисторами обладает и большим коэффициентом стабилизации (более 103).


Температурная стабилизация может быть обеспечена, если режим работы транзистора вывести в термостабильную точку, а также применить терморезисторы в цепи истока.

Увеличение максимального тока стабилитрона. Устройство (рис. 16 7) служит для стабилизации напряжения в цепях, в которых ток нагрузки превышает максимальный ток стабилитрона Когда напряжение на коллекторе транзистора превышает опорный уровень стабилитрона, начинает протекать базовый ток транзисто­ра, который в h21Э раз меньше коллекторного тока. В результате основной ток резистора R1 будет протекать через транзистор Схе­ма выполняет функции стабилитрона с увеличенным максимально допустимым током. Внутреннее сопротивление устройства составля­ет 0,6 Ом.



Рис. 16.6



Рис. 16.7

Схема с отрицательным коэффициентом стабилизации. Схема формирования опорного напряжения (рис. 16.8, а) имеет отрица­тельный коэффициент стабилизации K=ДE/ДU. Этот коэффициент можно регулировать изменением сопротивлений резисторов R1 и R2.

Зависимость этих параметров выражается формулой К= — K1/K2. Графическая интерпретация зависимостей представлена на рис 16.8, б.

Схема с регулируемым коэффициентом стабилизации. Схема формирования опорного напряжения (рис. 16.9, а) обладает как положительным, так и отрицательным коэффициентами стабилиза­ции. Знак коэффициента стабилизации определяется отношением сопротивлений резисторов R2/R4. При R4<R2 .коэффициент стабили­зации имеет положительный знак, а для R4>R2 — отрицательный. Зависимость изменения выходного напряжения от входного при различных сопротивлениях R4 представлена на рис. 16.9, б.



                                          Рис. 16.8



                                          Рис. 16.9



                                          Рис. 16.10

Схема низковольтного опорного источника. Источник опорного напряжения (рис. 16.10, а) построен на интегральной микросхеме К101КТ1. С помощью этой схемы можно получить стабильное на­пряжение 0,7 В с внутренним сопротивлением менее 10 Ом.


Выход­ ное напряжение зависит от температуры с коэффициентом 2 мВ/град. Коэффициент стабилизации равен приблизительно 5-103. На рдс. 16.10, б представлена зависимость напряжения стабилиза­ции от подводимого напряжения.

2. МАЛОМОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Генераторы тока. Генератор тока (рис, 16.11, а) построен на основе принципа стабилизации базового напряжения в транзи­сторе. Напряжение на резисторе R1 при изменении Е будет опреде­ляться опорным напряжением стабилитрона. Зависимость выходного тока от Е приведена на графике. Коэффициент стабилизации ДE/ДI=26.

Значительно более высокий коэффициент стабилизации у дру­гого генератора тока (рис. 16.11, б) — более 57. Коэффициент ста­билизации возрастает, если увеличить ток, протекающий через ста­билитроны. Следует иметь в виду, что при плавной установке на­пряжения Е схема может оказаться в закрытом состоянии. Для ее запуска служит резистор R3.

Стабилизатор напряжения с ОС. В основу стабилизатора на­пряжения (рис. 16.12) положен стабилизатор тока, работающий на стабилитрон. Коллекторный ток транзистора VT2 протекает через стабилитрон VD4 и сопротивление нагрузки. Значение этого тока определяется резистором R4 и опорным напряжением стабилитрона VD2. Диод VD3 служит для термостабилизации. Поскольку ток потребляемый внешней нагрузкой (Rн1 и RН2), может меняться вы­ходное напряжение стабилизатора будет нестабильным. Для стаби­лизации этого напряжения часть тока нагрузки протекает через транзистор VTL Этот ток создает падение напряжения на рези­сторе R2, которое меняет эмиттерный ток транзистора VT2. В ре­зультате ток, протекающий через стабилитрон VD4, остается посто­янным. Таким образом отслеживаются изменения внешней на­грузки.

Транзисторная модель низковольтного стабилитрона. Стабилит­рон, собранный и.а двух транзисторах разных типов проводимости (рис. L6.13), позволяет получить стабилитрон с опорным напряже­нием 0,9 В. Внутреннее сопротивление эквивалентного стабилитрона менее 10 Ом.


Максимально допустимый ток составляет 30 мА. Этот параметр определяется током транзисторов. Если применить более мощные транзисторы, то ток можно увеличить до сотен миллиам­пер. Применение германиевых транзисторов вместо кремниевых снижает опорное напряжение на 0,4 В.



                               Рис. 16.11

Стабилизатор низковольтного напряжения. Выходное напряже­ние стабилизатора (рис. 16.14) оп-ределяетсй падением напряжения на переходе база — эмиттер тран­зистора VT2. Для кремниевых транзисторов выходное напряже­ние равно приблизительно 0,7 В, а для германиевых — 0,3 В. Мак­симальный ток стабилизации оп­ределяется допустимой рассеивае­мой мощностью транзистора VT1. Коэффициент стабилизации составляет 102. Схема не термостабилизирована. Выходное напряже­ние меняется с коэффициентом 1 мВ/град. Если в базу транзистора VT2 включить стабилитрон, то выходное напряжение будет равно опорному напряжению стабилитрона.



       Рис. 16.12                                            Рис. 16.14



                          Рис. 16.15

Кольцевой стабилизатор опорного напряжения. Стабилизатор опорного напряжения (рис. 16.15, а) имеет замкнутую систему ста­билизации тока, протекающего через транзисторы. Диод VD1 ста­билизирует ток транзистора VT1, а диод VD2 — ток транзистора VT2. Каждый диод питается постоянным током. Коэффициент ста­билизации выходного напряжения более 400. Он зависит от сопро­тивления резистора R1. При увеличении сопротивления R1 коэффи­циент увеличивается. Для R1= 00 кОм можно получить коэффициент более 103. Однако с увеличением этого сопротивления возмож­ны случаи, когда стабилизатор не включается. Здесь существенную роль играет неуправляемый ток коллектора транзисторов Кроме того, коэффициент стабилизации увеличивается с увеличением тока протекающего через стабилитроны. Степень увеличения- коэффици­ента стабилизации можно определить, если учесть вольт-амперную характеристику стабилитрона С применением стабилитронов типа Д818Е при токе более 10 мА коэффициент стабилизации может быть увеличен 105.


В интервале температур от — 20 до +60°С ста­билизатор обеспечивает стабильность порядка 10-6 В/град На графиках рис. 16.15, б, в проиллюстрирована работа стабилиза­тора.



                                          Рис. 16.16



                          Рис. 16.17



                   Рис. 16.18 (а — и)

Генератор, тока со следящей ОС. Опорное напряжение стабили­затора (рис. 16.16, о) устанавливается стабилитроном VD1 через который протекает ток транзистора VT1. Для уменьшения выход­ного сопротивления стабилизатора в генератор введен эмиттерный повторитель на транзисторе VT3. Кроме того, этот транзистор сле­дит за изменением тока транзистора VT1 при изменении сопротив-,ления резистора R1. Однако большой ток нагрузки может вызвать значительный коллекторный ток транзистора VT1, который превы­сит предельно допустимое значение для стабилитрона, В качестве ограничителя тока стабилитрона служит транзистор VT2. Этот транзистор осуществляет ООС при изменении тока в цепи нагрузки Генератор удовлетворительно работает при незначительных превы­шениях питающего напряжения над опорным напряжением стаби­литрона. Коэффициент стабилизации схемы растет с уменьшением сопротивления резистора RL На графиках рис. 16.16, б, в проиллю­стрирована работа схемы.



                               Рис. 16.18 к

Низковольтный регулируемый стабилитрон. Составной каскад на двух транзисторах разной проводимости (рис. 16.17) по своим характеристикам подобен стабилитрону. С помощью резистора R2 можно устанавливать опорное напряжение. При малых напряжени­ях на входе через транзистор VT1 протекает незначительный ток. Этот ток не способен открыть транзистор VT2. С увеличением на­пряжения ток становится настолько существенным, что открывает ся транзистор VT2 и при этом уменьшается его выходное сопротив­ление. Напряжение, с которого начинают открываться оба транзи­стора, определяется резистором R2. С помощью эквивалентного стабилитрона можно устанавливать опорное напряжение от 1 до 4 В.


При R3 — 25 кОм опорное напряжение составляет 3,5 В.

3. МИКРОСХЕМНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Микросхемные стабилизаторы. Интегральные микросхемы К275ЕН1 — К275ЕН16А, Б делятся на две группы: группа А имеет разброс выходного напряжения 1,5%, а группа Б — 2,5%. Основ­ные параметры микросхем приведены в табл. 16.1, где Ки — коэф­фициент нестабильности по напряжению, Ki — коэффициент неста­бильности по току; fвx — минимальное входное напряжение; Iвых — выходной ток. Схемы стабилизатороб серии К275 представ­лены на рис. 16.18, а — д.

Интегральные микросхемы К403ЕН1 — К403ЕН8 делятся на две группы: группа. А имеет нестабильность по напряжению и по току 0,01%, а группа Б — 0,05%. Температурный коэффициент напря­жения равен ±0,05 %. Разброс выходного напряжения 2 %. Мини­мальный ток нагрузки 0,05 А. Рассеиваемая мощность без теплоот-вода 1 Вт, а с теплоотводом — 15 Вт. Параметры микросхем при­ведены в табл. 16.2, где Uвых — выходное напряжение; (7Bi — вход­ное напряжение, Iн — предельный ток нагрузки.

Таблица 16.1

Тип микросхемы	Uвых, В	K0 %	Ki %	Uвг, В	Iвых. мА	Рис. 16.18
К275ЕН1	+ 1,2	0,01	0,01	5	50	а
К275ЕН2	+ 2,4	0.01	0,04	6	50	а
К274ЕНЗ	+ 3	0,005	0,01	6,5	50	а
К275ЕН4	+ 4	0,002	0,005	7,5	50	б
К275ЕН5	+ 5	0,02	0,003	8,5	50	б
К275ЕН8	+ 6,3	0,002	0,003	9,5	50	б
К275ЕН9	— 6,3	0,002	0,003	9,5	50	в
К275ЕН10	+ 9	0,002	0,002	12,5	50	д
К275ЕН13	+ 12,6	0,002	0,002	16	45	д
К275ЕН14	— 12,6	0,002	0,002	16	45	г
К275ЕН15	+ 15	0,002	0,002	18,5	50	д
К275ЕН16	+24	0,002	0,002	27,5	35	д

Микросхему можно включать без защиты от к. з., с защитой от к. з., с двумя источниками, с подключением шунтирующего резисто­ра для уменьшения (увеличения) выходного напряжения в преде­лах 10 %, (рис. 16.18, е — з).



Интегральные микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2 применяют как стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением. Микросхе­ма К142ЕН1 при токе нагрузки 50 мА имеет на выходе напряжение 3 В при входном напряжении 10 В, а при входном напряжении 20 В выходное напряжение равно 12 В. Микросхема К142ЕН2 при токе нагрузки 50 мА имеет Uвх=20 В, UВЫх=12 В и Uвх = 40 В, Uвых=30 В. Принципиальная схема показана на рис. 16.18, и, схе­мы включения стабилизатора приведены на рис. 16.18, к. Резистор R2 стоит в цепи схемы защиты. Сопротивление этого резистора равно R2 = Uвых/Iвых мах. Резистор R3 определяется выражением R3= (Uвых+0,5)/0,3. Стабилизатор может выключаться внешним сигналом, который подается на вывод 9. По этой цепи должен про­текать ток 0,5 — 1 мА.

Таблица 16.2

Тип микросхемы	Uвых. В	Uвх, В	Iн, А	Рис. 16 18
К403ЕНГ	5	11 — 17	2	Ж
К403ЕН2	6	12 — 18	2	Ж
К403ЕНЗ	9	15 — 22	1,5	Ж
К403ЕН4	12	18 — 27	1,5	Ж
К403ЕН5	15	21 — 31	1,5	3
К403ЕН6	24	30 — 45	1,0	3
К403ЕН7	27	33 — 50	1,0	3
К403ЕН8	30	36 — 54	1,0	3

                               Рис. 16.19

Стабилизатор на интегральной микросхеме К181ЕН1. Микро­схема (рис. 16.19, а) работает с входным напряжением 9 — 20 В. Выходное напряжение равно 3 — 15 В. Максимальный ток стабили- зации 150 мА. Коэффициент нестабильности по напряжению 7-10-3, а по току — 8*10-3. Температурный дрейф выходного напряжения равен 0,01 % на градус. Ток короткого замыкания составляет 0,4 А. На рис. 16.19, б — г показаны зависимости коэффициента стабилиза­ции напряжения от выходного и входного напряжений и от тока нагрузки. Схема включения микросхемы показана на рис. 16.19, д, е. В первой схеме UВых=1,5(R1+R2). Вторая схема имеет защиту от короткого замыкания. Сопротивление резистора R1 определяется выражением R1 = 0,7/1,5 Iвых.

4. МОЩНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Простой компенсационный стабилизатор. Выходное напря­жение стабилизатора (рис. 16.20, а) равно 12,6 В.


Значение этого напряжения устанавливается с помощью резистора R5. Опорное на­пряжение стабилитрона определяет минимальный уровень выходно­го напряжения. Для эффективной работы стабилизатора на коллекторе усилительного транзистора VT3 устанавливается среднее ме­жду опорным и входным напряжение.



Рис. 1620

Коэффициент стабилизации схемы определяется усилительными свойствами транзистора VT3 и сопротивлением резистора R1. Коэф­фициент стабилизации можно определить по характеристикам, от­ражающим зависимость выходного напряжения от входного, при этом он зависит от значения входного напряжения. Максимальный ток стабилизации определяется регулирующими транзисторами VT1 и VT2. Он ограничен мощностью, рассеиваемой транзистором VT1. При больших выходных токах наблюдается уменьшение коэф­фициента стабилизации, что связано с шунтирующим действием со­ставного эмиттерного повторителя, оказываемым на усилительный транзистор VT3. За счет падения напряжения на переходах база — эмиттер транзисторов VT1 и VT2 выходное напряжение уменьшает­ся с увеличением тока нагрузки. Работа стабилизатора проиллю­стрирована графиками рис. 16.20, б, в.

Стабилизатор на интегральной микросхеме КН2ЕН2Б. На вы­ходе стабилизатора (рис. 16.21) напряжение равно 5 В. Максималь­ный ток нагрузки 5 А. Выходное напряжение устанавливается по­тенциометром R8. Входное напря­жение может меняться в пределах от 6 до 15 В. Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания по выходу и от перегрузок, рабо­та которой осуществляется управ­лением через вывод 10 микро­схемы.

Увеличение мощности, отда­ваемой стабилизатором. Стабили­затор {рис. 16.22) построен на фиксированное напряжение 6,3 В. Опорное напряжение определяется двумя стабилитронами VD1 и VD2. Сумма опорных напряжений ста­билитронов определяет выходное напряжение стабилизатора. Выходной ток стабилизатора определяется резистором R2. Он может превышать предельно допустимое значение для транзистора VT1





       Рис. 16.21                                                        Рис. 16.22

Если на входе напряжение Е достигнет максимального значе­ния, то выходной ток стабилизатора протекает через резистор R2. Транзистор VT1 будет закрыт. При минимальном же значении (£»U) через резистор R2 ток не протекает. Выходной ток стаби­лизатора идет через транзистор VT1. В результате на транзисторе VT1 не рассеивается мощность: в первом случае — есть напряже­ние, нет тока, во втором случае — есть ток, нет напряжения. Для промежуточного состояния на транзисторе рассеивается мощность, которая в 4 раза меньше мощности, отдаваемой стабилизатором.

Стабилизатор на дифференциальном каскаде. Стабилизатор (рис. 16.23) имеет фиксированное выходное напряжение. Лишь в небольших пределах (±10%) его можно менять потенциометром R6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 выпол­няет стабилизирующие функции. Регулирующим элементом являет­ся составной повторитель на транзисторах VT1 и VT2.

Стабилизатор на составном регулирующем каскаде. Выходное напряжение стабилизатора (рис. 16.24, а) можно регулировать в пределах от 10 В до Е. Коэффициент стабилизации схемы зависит от входного напряжения. В стабилизаторе усилитель с ООС постро­ен на двух транзисторах VT3 и VT4. На базу транзистора VT4 по­дается опорное напряжение, а на базу транзистора VT3 — часть выходного напряжения. Основные характеристики стабилизатора приведены на рис. 16.24, б, в.



                                          Рис. 16.23



                                          Рис. 16.24

Стабилизатор с генератором тока. В стабилизаторе (рис. 16.25, а) опорное напряжение формируется на стабилитроне VD2, который питается от генератора постоянного тока, построенного на транзи­сторе VT1. Коллекторный ток транзистора задается стабилитро­ном VD1. Для увеличения коэффициента стабилизации при вход­ном напряжении 10 В необходимо уменьшить сопротивление рези­стора R2, увеличить тек через стабилитрон VD1. Поскольку ток че­рез стабилитрон VD2 постоянен, то при увеличении тока на выходе стабилизатора напряжение на этом стабилитроне будет также ме­няться в связи с изменением тока базы транзистора VT3. На рис. 16.25,6 приведена зависимость изменения выходного напря­жения от входного напряжения.


Изменение выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки показано на рис. 16.25, в.

Стабилизатор с ООС. Стабилизатор (рис. 16.26, а) имеет фик-снрвпанное выходное напряжение 12,6 В. Опорное напряжение устанавливается на стабилитроне VD1. Это напряжение передается на выход через транзисторы, выполняющие функции повторителя. Транзистор VT2 включен по схеме усилителя с ОБ, а транзистор VT1 оеуществляст полную ООС. Коэффициент стабилизации зави­сит от входного напряжения. Работа стабилизатора проиллюстри­рована на графиках рис. 16.26, б, в.



                                          Рис. 16.25

Регулируемый стабилизатор на составной каскаде. Стабилиза­тор (рис. 16.27, а) имеет регулируемое выходное напряжение. Оно меняется от 0 до 10 В. Регулировка напряжения осуществляется потенциометром R2. Между стабилитроном VDJ и регулирующим транзистором VT3 введены два транзистора, которые выполняют разные функции. Транзистор VT1 является эмиттерным повтори­телем, а транзистор VT2 — усилителем с ОБ, который охвачен пол­ной ООС. Совместно с транзистором VT3 транзистор VT2 имеет коэффициент передачи тока, равный единице. Работа стабилизато­ра отображена на графиках рис. 16.27, б, в.



                               Рис. 16.26

Регулируемый стабилизатор на генераторе тока. Стабилизатор (рис. 16.28, а) имеет регулируемое выходное напряжение от 0 до 12,6 В. Опорное напряжение устанавливается на стабилитроне VD2. Рабочая точка стабилитрона определяется генератором тока, по­строенным на транзисторе VT3. Ток задается эмиттерным резисто­ром R3 и напряжением на базе, которое устанавливается на стаби­литроне VD1. Ток через стабилитрон VD1 (устанавливается транзи­стором VT4) протекает через базовую цепь транзистора VT2, кото­рый совместно с транзистором VT1 выполняет функции регулирую­щего каскада. Транзистор VT2 включен по схеме усилителя, охва­ченного через транзистор VT1 полной ООС. Отрицательная обрат­ная связь распространяется и на транзисторе VT4. В результате транзистор VT4 выполняет двойную роль: входит в каскад сложно­го регулирующего элемента и выполняет функции токозадающего элемента в образовании стабильного опорного напряжения.


На графиках рис. 16.28, б, в отражены характеристики стабилитрона.



                                          Рис. 16.27



                                          Рис. 16.28

Схема с двойной стабилизацией. Схема стабилизатора (рис. 16.29, а) имеет усилительный каскад с большим сопротивлением нагрузки. В коллекто транзистора VT4 включен генератор тока, построенный на транзисторе VT3. Коллекторн-ый ток этого транзистора задается напряжением на диоде VDL Для устранения возбуждения схемы включен конденсатор С. Составной повторитель на транзисторах VT1 и VT2 обеспечивает выходной ток стабилиза­тора. При увеличении выходного тока стабилизированное напряже­ние несколько уменьшается. Это связано с падением напряжения на переходах база — эмиттер транзисторов. Зависимость изменения выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки и входного напряжения показаны на рис. 16.29, б, в.

Схема с динамической нагрузкой регулирующего каскада. Вы­ходное напряжение стабилизатора (рис. 16.30, а) снимается с эмиттера транзистора VT1, рассеиваемая мощность которого опре­деляет ток нагрузки. Для увеличения коэффициента стабилизации в коллектор регулирующего транзистора VT2 включена динамиче­ская нагрузка — транзистор VT2. Для запуска стабилизатора слу­жит резистор R1, который позволяет также скомпенсировать изме­нения выходного напряжения. Поскольку транзисторы VT1 и VT2 охвачены ПОС, то установка тока нагрузки осуществляется под­бором резисторов R2 и R3. Резистор R2 включен для ограничения коллекторного тока транзистора VT2. Меняя сопротивление рези­стора R3, можно добиться необходимой зависимости коллекторного тока транзистора VT2 от тока нагрузки при изменении номинала выходного напряжения стабилизатора. Поскольку базовый ток тран­зистора VT1 равен разности коллекторных токов транзисторов VT2 и VT3, то при увеличении тока нагрузки, вызывающего уменьшение выходного напряжения, ток транзистора VT2 возрастет, а базовый ток VT3 уменьшится. В результате ток транзистора VT1 увеличится и скомпенсирует уменьшение напряжения.


На рис. 16.30, б, в пред­ставлены графики, характеризующие работу стабилизатора.



                                          Рис 16.29



                                          Рис. 16.30

Стабилизатор с автокомпенсацией. В стабилизаторе (рис. 16.31, а) опорное напряжение устанавливается на диодах VD2 и VD3 с по­мощью генератора тока на транзисторе VT1. Транзистор VT2 также является генератором тока. Этот транзистор выполняет функции динамической нагрузки в усилительном каскаде. Регулирующий каскад собран на транзисторах VT3 и VT4. Для уменьшения изме­нений выходного напряжения стабилизатора с увеличением тока на­грузки ток транзистора VT3 должен протекать через диод VD2. Изменение напряжения на этом диоде компенсирует падение напря­жения на переходах база — эмиттер регулирующих транзисторов. В зависимости от прямого сопротивления диода компенсация изме­нения выходного напряжения стабилизатора может быть различ­ной. Зависимость изменений выходного напряжения от входного по­казана на рис. 16.31, б. На рис. 16.31, в показана область возмож­ных значений этих изменений.



                                          Рис. 16.31



                                          Рис. 16.32

Стабилизатор с защитой от короткого замыкания. При подаче напряжения на вход стабилизатора (рис. 16.32) транзистор VT2 открыт и в его коллекторе существует напряжение 5 В, которое не проходит через стабилитрон VD1. Транзистор VT1 закрыт. В от­крытом состоянии транзистор VT2 находится из-за того, что вы­ходное напряжение стабилизатора превышает опорное напряжение стабилитронов VD3 и VD4. На резисторе R7 будет напряжение око­ло 5 В. Транзисторы VT3 — VT5 работают в режиме стабилизации выходного напряжения. При коротком замыкании стабилизатора резко падает выходное напряжение. Оно будет меньше опорного напряжения стабилитронов VD3 и VD4. В базе транзистора VT2 присутствует нулевой потенциал. Транзистор VT2 закроется. На его коллекторе возрастет напряжение, которое превысит опорное напряжение стабилитрона VD1. Через стабилитрон потечет ток, ко­торый откроет транзистор VT1. Напряжение в коллекторе транзи-бтора VT5 упадет до нуля.


Транзисторы VT3 и VT4 будут защище­ны от короткого замыкания.

5. СТАБИЛИЗАТОРЫ С ЗАЩИТОЙ

Коллекторный стабилизатор. В этом стабилизаторе (рис. 16.33, а) реализуются высокая стабильность выходного напря­жения и защита схемы от короткого замыкания. Опорное напря­жение устанавливается с помощью стабилитрона VD1 через рези­стор R1. Это напряжение подается на базу транзистора VT2, через который протекает ток, определяемый резистором R2. Коллекторный ток транзистора VT2 открывает транзистор VT1. На выходе уста­навливается напряжение, равное напряжению на эмиттере транзи­стора VT2. Короткое замыкание на выходе схемы (резкое умень­шение выходного напряжения) повлечет за собой увеличение кол­лекторного тока транзистора VT1. Максимально возможный ток нагрузки будет определяться h21Э транзистора VT1 и максимальным током транзистора VT2, зависящим от сопротивления резистора Д2. При коротком замыкании через транзистор VT1 протекает большой коллекторный ток. Для ограничения рассеиваемой мощности этим транзистором выбирается соответствующее сопротивление резистора R2. Работа стабилизатора отражена на графиках рис 16 33 б в



                                          Рис. 16.33

Стабилизатор с параллельной схемой защиты от перегрузки В стабилизаторе (рис. 16.34, а) выходное напряжение устанавлива­ется в коллекторе транзистора VT1. Составной эмиттерный повто­ритель образован транзисторами VT2 и VT3. Подбором резистора R4 можно добиться коэффициента стабилизации более 103.

Для защиты стабилизатора от перегрузок на выходе включен резистор R6. Ток нагрузки создает падение напряжения на этом резисторе. Это напряжение открывает транзистор VT5. Для увели­чения порога открывания транзистора VT5 включен диод VD2 Коллекторный ток транзистора VT5 открывает транзистор VT4, который уменьшает напряжение в базовой цепи составного эмиттер­ного повторителя. В результате напряжение на выходе уменьшает­ся. На рис. 16.34, б представлена зависимость выходного напряже­ния от тока нагрузки.



Стабилизатор с последовательной схемой защиты от пере­грузки. Для защиты стабилизатора (рис. 16.35, а) от перегрузок в нее введен транзистор VT4, который открывается, когда напря­жение на резисторе R6 превышает 0,4 В. Протекающий коллектор­ный ток транзистора VT4 уменьшает напряжение на базе составно­го эмиттерного повторителя. Выходное напряжение стабилизатора определяется напряжением на коллекторе транзистора VT3. Изменение выходного напряжения от тока нагрузки показано на рис. 16.35, б.



                                          Рис. 16.34



                                          Рис. 16.35

Стабилизатор с отрицательным коэффициентом стабилизации. Стабилизатор напряжения (рис. 16.36, а) построен по схеме состав­ного эмиттерного повторителя. Опорное напряжение устанавливает­ся на коллекторе транзистора VT3. Это напряжение имеет отрица­тельный коэффициент стабилизации: с увеличением входного на­пряжения опорное напряжение уменьшается. С помощью резистора R4 можно менять коэффициент стабилизации. При некоторых со­противлениях резистора R4 зависимость ДU=f(E) может иметь го­ризонтальный участок для E=14 В (рис. 16.36, б). Для стабилиза­тора с фиксированным выходным напряжением 12,6 В горизонталь­ный участок начинается при напряжении E=19 В. На рис. 16.36, в представлена зависимость ДU от тока нагрузки.

Стабилизатор с динамическим опорным напряжением. В схему стабилизатора (рис. 16.37, а) введен ограничивающий резистор R6. Падение напряжения на этом резисторе через транзистор VT2 передается в каскад формирования опорного напряжения. Эта ОС позволяет увеличивать выходное напряжение стабилитрона с уве­личением тока нагрузки или поддерживать это напряжение посто­янным со сколь угодно высокой точностью. При больших токах нагрузки на резисторе R5 падает значительная часть входного на­пряжения. Транзистор VT3 входит в насыщение. Напряжение на выходе уменьшается с уменьшением сопротивления нагрузки (рис. 16.37, б).





                               Рис. 16.36



                               Рис. 16.37

Стабилизатор с управляемым опорным напряжением. В стаби­лизаторе (рис. 1(5.38, а) опорное напряжение устанавливается на коллекторе транзистора УТ1. В зависимости от сопротивления ре­зистора R4 опорное напряжение может иметь положительный или отрицательный коэффициент стабилизации. Опорное напряжение че­рез составной повторитель подается на выход стабилизатора. При увеличении тока в нагрузке выходное напряжение уменьшается из-за падения напряжения на переходах база — эмиттер. Включение на выходе, стабилизатора резистора R6 и транзистора VT4 изменяет зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Выходное напряжение будет увеличиваться с увеличением тока нагрузки, по­скольку с увеличением падения напряжения на резисторе R6 от­крывается транзистор VT4, который своим коллекторным током за­крывает транзистор VТ1. Напряжение в коллекторе этого транзи­стора увеличиваемся (рис. 16.38, б).



                               Рис. 16.38                                                        Рис. 16.39

Уменьшение пульсаций опор­ного напряжения. Стабилизатор (рис. 16.39) имеет дополнитель­ный выпрямитель для уменьшения пульсаций в коллекторе усили­тельного транзистора VT3. Пуль­сирующее входное напряжение заряжает конденсатор С1 через диод VD1 до максимального зна­чения. На выходе выпрямителя включен стабилизатор напряже­ния на стабилитроне VD2 с на­пряжением стабилизации 8 В.

Стабилизатор обеспечивает коэффициент стабилизации около 100 при токе нагрузки до 0,8 А.

Ослабитель переменной составляющей. Стабилизатор (рис. 16.40) уменьшает переменную составляющую на фильтрующем конденсаторе С1. Пульсирующее напряжение в т. 1 ограничивается на ста­билитроне VD1. Ограничение напряжения через составной эмиттер-ный повторитель передается на конденсатор С1.



                                          Рис. 16.40

6. СТАБИЛИЗАТОРЫ С ОУ

Стабилизатор с ОУ и защитой от короткого замыкания. В стабилизаторе (рис. 16.41, а) в качестве сравнивающего устрой­ства используется ОУ.


Опорное напряжение с диода VD2 подается на неинвертирующий вход, а пульсирующее выходное напряжение — на инвертирующий вход. Отрицательная обратная связь через диод VD1 и два транзистора выполняет демпфирующие функции. Для за­щиты стабилизатора от короткого замыкания включен резистор R5. Нагрузочные характеристики приведены на рис. 16.41, в (кривая 1) и рис. 16.41, г. Если поменять местами подключение цепочек R4, VD2 и R6 — R8, нагрузочная характеристика имеет вид кривой 2 на-рис. 16.41, в. На рис. 16.41, б приведена зависимость отклонения вы­ходного напряжения от входного напряжения стабилизатора.



                                          Рис. 16.41

Стабилизаторы напряжения на ОУ. Стабилизатор (рис. 16.42, а) обеспечивает на выходе напряжение 15 В при токе нагрузки 0,5 А. Стабилизирующим элементом в этой схеме является ОУ, с помощью которого можно получить коэффициент стабилизации более 4-104. Опорное напряжение, образованное диодом VD1 и транзистором VT3, подается на один вход ОУ, а второй вход подключается к делителю, обеспечивающему запуск стабилизатора при его включении. Высокая стабильность опорного напряжения обеспечивается цепоч­кой VD1, VT3, в которой транзистор выполняет роль генератора тока.

Для уменьшения влияния обратного тока транзистора VT1 применяется резистор R1. Резистор R2 ограничивает базовый ток транзистора VT2. Параметры корректирующей цепочки R3 С1 выбра­ны с учетом работы ОУ при глубокой ОС.

Для получения напряжения на выходе стабилизатора, превы­шающего питающего напряжение ОУ, следует применить схему рис. 16.42, б. В этой схеме питание усилителя осуществляется от дополнительного стабилизирующего каскада Rl, VD1, VD2 кото­рый обеспечивает напряжение 24 В. С помощью этой схемы можно получить коэффициент стабилизации более 2-104 при токе нагруз­ки 1 А.



                                          Рис. 16.42



                   Рис. 16.43                                Рис. 16.44

Стабилизатор с регулируемым коэффициентом стабилизации. Стабилизатор (рис. 16.43) имеет коэффициент стабилизации более 105.


В зависимости от сопротивления резистора R4 коэффициент стабилизации может быть положительным иди отрицательным. Для уменьшения мощности, рассеиваемой транзистором VT3, включается резистор R7. Сопротивление этого резистора определяется постоян­ным током нагрузки. Ток же, связанный с изменением сопротивле­ния нагрузки, протекает через транзистор VT3.

Высоковольтный стабилизатор на ОУ. Высоковольтный стаби­лизатор напряжения (рис. 16.44) имеет коэффициент стабилизации более 103. Он рассчитан на токи до 0,1 А. В качестве усилительного элемента применен ОУ, питающее напряжение которого поднято на уровень 100 В. Для предотвращения неисправности стабилизатора желательно входное напряжение повышать плавно до нужного значения.



                                          Рис. 16.45

Высоковольтный стабилизатор. Высоковольтный стабилизатор (рис. 16.45) имеет на выходе £00 В. При токе нагрузки 0,1 А вход­ное напряжение должно равняться 300 В. Схема обладает коэффи­циентом стабилизации более 104. Это достигается тремя видами ослабления пульсаций. С помощью стабилитронов VD1 — VD3 уста­навливается опорное напряжение 250 В. Для уменьшения внутрен­него сопротивления стабилитронов включен конденсатор С1, кото­рый совместно с резистором R1 образует фильтрующую цепь. Ос­новной стабилизирующей схемой являются ОУ и регулирующие транзисторы VT1 и VT2. С помощью стабилитронов VD5 и VD6 напряжение на входе ОУ уменьшается до единиц вольт. На этом уровне происходят изменения выходного напряжения. Опорное на пряжение также лежит в этом диапазоне. Все изменения выходно­го напряжения умножаются на коэффициент усиления ОУ и посту­пают на вход регулирующих транзисторов, которые сглаживают эти изменения.

Глава 17

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразователи напряжения служат для преобразования постоянного напряжения в переменное или в постоянное напряжение другого уровня. Преобразователи находят применение в различных электронных приборах с питанием от аккумуляторов и батарей.


Их могут применять в устройствах, заменяя несколько стабилизирован­ных источников одним преобразователем.

Преобразователи переменного напряжения используют для по­лучения высоковольтных источников питания. В этих преобразова­телях осуществляется умножение переменного напряжения в не­сколько раз.

Существуют трансформаторные и резистивно-конденсаторные преобразователи. В основу преобразователя положен генератор, собранный по схеме симметричного мультивибратора или блокинг-генератора. Наибольшее распространение получила трансформатор­ная схема преобразователя. Преобразователи, собранные по такой схеме, обеспечивают мощность до 500 Вт. Резистивно-конденсатор­ные преобразователи являются маломощными (менее 10 Вт). В трансформаторных преобразователях транзисторы генератора мо­гут быть включены по схеме с ОБ, с ОЭ и с ОК. Чаще всего при­меняется схема с ОЭ. Эта схема позволяет получить большой КПД при малых напряжениях входного источника питания. Схема с ОК нашла применение в тех случаях, когда требуется установка тран­зисторов на общий радиатор.

При определении основных параметров преобразователей необ­ходимо знать ток и мощность нагрузки. Эти два параметра позволя­ют определить входное напряжение преобразователя и коллектор­ный ток переключающих транзисторов. Входное напряжение долж­но быть меньше половины максимально допустимого напряжения на транзисторах. Коллекторный ток открытого транзистора нарастает во времени вследствие изменения намагничивающего тока трансформатора. Время, в течение которого транзистор находится в от­крытом состоянии, определяется неравенством Iк<h21эIБ. Если сердечник трансформатора имеет прямоугольную петлю гистерезиса с максимальной индукцией Вн (гаусс) и сечением 5 (см2), то пре­образователь с питанием от напряжения £ и с числом витков кол­лекторной обмотки W будет иметь частоту f=E/4WsBH108 (Гц).

Включение корректирующих элементов в ОУ можно найти в гл. 1.

1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ



Выпрямительные мосты на интегральных микросхемах. Схемы выпрямительных мостов приведены на рис. 17.1. Обратный ток диодов равен 100 мкА. Среднее прямое напряжение при макси­мальном токе составляет 1,2 В. Максимально допустимое импульс­ное обратное напряжение равно 50 В. Средний прямой ток равен 500 мА.



                                                          Рис. 17.1

Выпрямительный мост. Выпрямитель на большие напряжения требует включения группы последовательно соединенных диодов (рис. 17.2, а), а при больших токах — группы параллельно соеди­ненных диодов (рис. 17.2, б). Последовательное включение требует учета обратного сопротивления диодов. Разброс обратных сопро­тивлений диодов ведет к неравномерному распределению обратного напряжения между ними. Для нормализации обратных сопротивле­ний включают параллельные резисторы: для германиевых — 50 кОм, для кремниевых — 200 кОм. При параллельном включении диодов ток протекает в основном через диод с меньшим прямым сопро­тивлением. Для выравнивания на­грузок диодов необходимо вклю­чать последовательно с диодом добавочное сопротивление.



                                          Рис. 17.2



                   Рис. 17.3

Выпрямитель напряжения. От источника переменного напряже­ния (рис. 17.3) можно получить три источника с постоянным на­пряжением. Напряжение -f-8 В образуется при двухполупериод-ном выпрямлении. Источник на­пряжения + 16 В образуется при удвоении переменного напряже­ния. Для получения напряжения — 8 В применена схема удвоения, в которой конденсатор С4 заря­жается от одной полуволны. Он не перезаряжается, как это проис­ходит в схеме удвоения.

Стабилизированный выпрямитель. Двухполупериодный выпря­митель (рис. 17.4) собран на диодах VD1 и VD2 и конденсаторах С1 и С2. Через диоды конденсаторы заряжаются до напряжения 60 В. Выходное напряжение формируется в результате открывания транзисторов VT1 и VT2 отрицательными импульсами, которые по­ступают с обмотки трансформатора.


Отрицательные полуволны ог­ раничиваются стабилитроном на уровне 40 В. Через транзисторы протекает ток почти прямоугольной формы. Выходной ток выпрями­теля 300 мА.

2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Коллекторный преобразователь. Преобразователь (рис. 17.5) построен по схеме трансформаторного мультивибратора. Первичные обмотки W1 и W2 включены в коллекторные цепи транзисторов.



          Рис. 17.4

 

Одна обмотка W3 ПОС управляет работой обоих тран­зисторов. Когда на конце обмотки W3 формируется отрицательный импульс, открывается транзистор VT1. В это время положительный сигнал в начале обмотки W3 закрывает транзистор VT2 и проходит через диод VD3. При смене полярности сигналов на этой обмотке состояние транзисторов изменится. Резистор R2 служит для ограни­чения базового тока. Резистор R1 открывает оба транзистора для первичного запуска схемы. Включение диода VD2 в цепь питания защищает преобразователь от случайного изменения полярности пи­тающего источника. Для пермаллоевого сердечника обмотки W1 и W2 имеют по 75 витков. Базовая обмотка W3 имеет 9 витков. Чис­ло витков базовой обмотки следует согласовать с сопротивлением нагрузки.



       Рис. 17.5                                              Рис. 17.6

Эмиттерный преобразователь со стабилизацией. Преобразователь (рис. 17.6} собран по схеме блокинг-генератора с эмиттернон ОС. Запуск схемы обеспечивают резисторы R1 и R4, которые открывают транзисторы VT1 и VT2. Для стабилизации амплитуды выходного прямоугольного сигнала базовый сигнал отрицательной полярности проходит через диод VD2 (VD4) и ограничивается на стабилитроне VD5. В результате переменное напряжение в эмиттерных обмотках WI не зависит от входного напряжения. Схема преобразователя может работать на частотах свыше 10 кГц.

Преобразователь с общим запуском. В схеме преобразователя (рис. 17.7, а) транзисторы включены в режиме с ОЭ. Для запуска генератора применяется цепочка Rl, VD2. При включении питания диод VD2 закрыт. На базы транзисторов через резистор R1 приложено напряжение Е. Транзисторы открываются, ив схеме воз­никают колебания.


С возникновением колебаний резистор R2 не входит в цепь ПОС. Для ограничения базового тока включен рези­стор R2. В цепь ПОС включен диод VD2. При E=25 В на базовой обмотке возникает сигнал с амплитудой 3 В. При изменении Е ча­стота генератора меняется по линейному закону (рис 177 б) Эта зависимость получена на ферритовом сердечнике при 2 В/виток.



                                           Рис. 17.7                                              Рис. 17.8



          Рис. 17.9

Эмиттерный преобразователь с раздельным запуском. Преоб­разователь напряжения (рис. 17.8) собран по схеме двухтактного блокинг-генератора с нагрузкой в цепи эмиттера. Для запуска гене­ратора существуют две цепочки Rl, VD1 и R2, VD4 С включением питания через базовую цепь течет ток E/R1(R2). Этот ток запуска­ет генератор. Базовая обмотка ПОС поддерживает колебания. Тран­зисторы работают в режиме переключения. При закрывании тран­зистора в эмиттерной обмотке возникает импульс напряжения, ко­торый значительно превышает предельно допустимое напряжение база — эмиттер. Для защиты переходов включены диоды VD2 и VD3, которые открываются под действием этого импульса. Падение напряжения на диодах достаточно для закрывания транзисторов.

Стабилизация амплитуды в эмиттерном преобразователе. Преоб­разователь (рис. 17.9) совмещает две функции: генерацию прямо­угольных импульсов и стабилизацию амплитуды сигнала. Для вы­полнения функций стабилизации амплитуды выходного сигнала ба­зовая обмотка по числу витков превышает эмиттерную обмотку в 1,2 — 1,5 раза. В результате напряжение в базе транзисторов боль­ше эмиттерного напряжения. Под действием импульса отрицатель­ной полярности в базе транзистора открывается диод VD2 (VD3), который пропускает этот сигнал на стабилитрон. Стабилитрон нор­мализует амплитуду базового сигнала. Независимо от напряжения питания (от 22 до 30 В) на базе существует сигнал с амплитудой 20 В. Запуск генератора осуществляется цепочкой Rl, VD4. Для за­щиты преобразователя от изменения полярности питающего напря­жения служит диод VD1.



3. ДВУХКАСКАДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Преобразователь с трансформаторным усилителем мощ­ности. Преобразователь (рис. 17.10) состоит из задающего генера­тора (транзисторы VT4 и VT5) и усилителя мощности (транзисто­ры VT1 и VT2). Усилитель мощности имеет ПОС через обмотку W3. Для управления транзисторами VT1 и VT2 выходной сигнал генератора снимается через эмиттерные повторители (транзисторы VT3 и VT6).



                               Рис. 17.10

Двухкаскадный преобразооатель. Задающий генератор преобра­зователя (рис. 17.11) построен на транзисторах VT1 и VT2 и тран­сформаторе Tpl. Для запуска генератора служит цепочка Rl, VD1 При включении питания минусовое напряжение проходит через диод VD2 и через резистор R1 поступает на базы транзисторов VT1 и VT2. Оба транзистора в проводящем состоянии. В схеме возника­ют прямоугольные колебания. Сигналы с обмотки W3 подаются на составной каскад усилителя мощности, выполненный на транзисто­рах VT3 — VT6. Транзисторы VT3, VT4 и VT5, VT6 параллельно ра­ботают на общую нагрузку. Обмотка трансформатора Tpl имеет сечение 2 см2, а обмотка трансформатора Тр2 — 12 см2.



                                          Рис. 17.11

 

Мостовая схема преобразователя. В мостовой схеме преобразо­вателя (рис. 17.12) одновременно открываются два транзистора-VT1, VT4 или VT2, VT3. На обмотке W1 формируется напряжение прямоугольной формы с амплитудой 50 В. Для запуска схемы слу­жит цепочка R4.VD1. При включении питания транзисторы VT2 и VT4 открываются и находятся в линейном режиме. Обмотка W1 для пермаллоевого сердечника имеет 150 витков, а базовые обмот­ки W2 по 10 витков.

Мостовой двухкаскадный преобразователь. Преобразователь (рис. 17.13) состоит из задающего генератора и двухтактного уси­лителя мощности. Генератор собран на трансформаторе Тр2 и транзисторов VT5 и VT6. Выходной сигнал прямоугольной формы подается в базы транзисторов, которые открываются в определен­ной последовательности. Одновременно в открытом состоянии на­ходятся транзисторы VT1 и VT4 или VT2 и VT3. На первичную об­мотку трансформатора Tpl прикладывается все напряже­ние питания.


На вторичной об­ мотке этого трансформатора существует сигнал прямо­угольной формы с амплитудой 80 В при W1 = W2.



                                          Рис. 17.12

Высоковольтный преоб­разователь. Преобразователь (рис. 17.14) построен по прин­ципу преобразования постоян­ного напряжения с независи­мым задающим генератором и усилителем мощности, собран­ным по мостовой схеме. Для обеспечения стабильности вы­ходного напряжения задающий генератор должен иметь срав­нительно высокую и стабильную когда транзистор VT3 закрыт, отрицательный потенциал проходит через транзистор VT3 и открывает транзистор VT4. В эмиттере транзистора VT4 появляется сигнал, равный напряжению источника питания. В результате конденсатор С4 заряжается через диод VD2 до напряжения Е. В следующий момент, когда в коллекторе тран­зистора VT2 будет нулевой потенциал, откроется транзистор VT5. Через этот транзистор и через диод VD1 конденсатор СЗ зарядится до напряжения Е. К концу второго сигнала мультивибратора кон­денсаторы СЗ и С4 будут заряжены до напряжения Е. На выходе будет напряжение 2Е. Следует заметить, что, если точку соединения конденсаторов СЗ и С4 принять за общую для последующей схемы, то в результате получим два источника питания разной полярности.



                          Рис. 17.13                                                                            Рис. 17.14



                                          Рис. 17.15

 

Делитель напряжения. Устройство (рис. 17.16) позволяет преоб­разовать источник напряжения Е в два источника разной полярно­сти. Напряжения источников питания могут выбираться в любой пропорции относительно Е. В сумме они должны давать напряже­ние Е. С помощью делителя R1 и R2 получается напряжение Е/2. Это напряжение подается на базу транзистора VT1, который явля­ется левым плечом схемы дифференциального усилителя. Второй вход усилителя соединен с общей (средней) точкой выходных ис­точников питания.


Несимметричные токи источников питания U1 и U2 стремятся сместить общую точку. В результате в коллекторе транзистора VT1 возникает напряжение разбаланса. Это напряже­ние усиливается транзистором VT3 и через эмиттерный повторитель VT4 подается на базы мощных транзисторов VT5 и VT6, которые выравнивают потенциал общей точки. Транзисторы не могут на­ходиться одновременно в открытом состоянии. Ток разбаланса про­текает через один транзистор.



                                          Рис. 17.16



       Рис. 17.17                                            Рис. 17.18

Делитель напряжения на составных транзисторах. Источник пи­тания 24 В с помощью ОУ (рис. 17.17) преобразуется в два источ­ника по 12 В. Выходные напряжения имеют противоположную по­лярность. Выходные напряжения могут подключаться к разным на­грузкам. Балансировка схемы осуществляется за счет ООС ОУ. Раз­ные выходные токи балансируются транзисторами. Конденсатор С1 позволяет значительно уменьшить уровень шумов на выходе и предотвращает возможность возникновения генерации.

Делитель напряжения на ОУ. Делитель напряжения (рис. 17.18) собран на транзисторе. В качестве балансирующего элемента ис­пользуется ОУ. Этот усилитель удобно использовать, когда напря­жение питания Е не превышает допустимого напряжения интег­ральной микросхемы: для К140УД1Б напряжение Е должно быть не более 25 В. С помощью высокоомного потенциометра R1 — = 100 кОм устанавливается необходимое отношение выходных на­пряжений U1 и U2. Сопротивление резистора R2 выбирается, исходя из нагрузочного сопротивления Rн2. Сопротивление этого резистора можно рассчитать по формуле R2 = 0,8Rн2(U1/U2). Сопротивление резистора R3 определяется по формуле



где h21Э — коэффициент передачи тока транзистора VT. Максимально допустимая мощность потребления нагрузками RH1 и RH2 будет оп­ределяться допустимой мощностью, рассеиваемой транзистором: P=UlU2(Rн1 + R2)/Rн1R2.



                                          Рис. 17.19                                                        Рис. 17.20



Двухполупериодный преобразо­ватель. Преобразователь (рис. 17.19) построен на симмет­ричном мультивибраторе, пере­менный сигнал которого детекти­ руется двухполупериодной схемой. Для увеличения мощности вы­ходного сигнала в каждое пле­чо мультивибратора включен со­ставной эмиттерный повторитель, который обеспечивает необходи­мый ток нагрузки.

Диодный умножитель напря­жения. Преобразователь (рис. 17.20) состоит из генера­тора, собранного на транзисторах, и диодно-конденсаторного умножителя напряжения. Частота генератора определяется Конденсатором С1 и резисторами R1 и R2. Выходной сигнал генератора проходит умножающую цепочку и заряжает конденса­тор С5. Умножитель рассчитан на выходной ток 10 мА Для увели­чения тока нагрузки необходимо поставить эмиттерный повтори­тель после генератора и увеличить емкости конденсаторов С2 — С4

Двухполупериодный диодный преобразователь. Преобразователь напряжения (рис. 17.21) состоит из мультивибратора (транзисторы VT3 и VT4), двух составных эмиттерных повторителей (транзисто-ры VT1 и VT2, VT5 и VT6) и выпрямительного моста (диоды VD1 — VD4). При работе мультивибратора сигналы прямоугольной формы с амплитудой 5 В через конденсаторы С1 и С2 поступают на выпрямитель. Поскольку импульсы положительной полярности попеременно приходят на выпрямительный мост то с левого то с правого плеча мультивибратора, на выходе диодов VD1 и VD3 будет положительное напряжение, равное 5 В. Относительно общей шины получается напряжение 10 В. Максимальный ток, отдаваемый преобразователем, будет определяться типом транзисторов эмиттер-ных повторителей.

Параллельно-последовательный умножитель. В основу схемы умножения (рис, 17.22) положен принцип параллельного заряда нескольких конденсаторов и последовательного разряда их на суммирующий конденсатор. Данное устройство осуществляет умно­жение на три.



                          Рис. 17.21



                          Рис 17.22

Задающий мультивибратор, собранный на транзисторах VT1 и VT2, формирует сигнал прямоугольной формы.


Для уменьшения выходного сопротивления генератора стоит составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT3 и VT4. Когда в коллекторе тран­зистора VT2 напряжение равно — 30 В, конденсатор заряжается через диод VD1. За это время заряжаются конденсаторы С4 и С5 через соответствующие диоды. При открывании транзистора VT2 на его коллекторе появляется нулевое напряжение. Напряжения на конденсаторах СЗ и С4 откроют транзисторы VT5 и VT6. В ре­зультате конденсаторы СЗ — С5 будут включены последовательно. Суммарное напряжение через диод VD4 будет приложено к конден­сатору Сб. Конденсатор С6 зарядится до утроенного напряжения источника питания. Поскольку вторая обкладка этого конденсато­ра подключена к питающему напряжению, то суммарное выходное напряжение будет больше 100 В На выходе умножителя можно получить любое другое напряжение, применяя различное число каскадов. Частота работы мультивибратора выбирается с учетом постоянной времени заряда конденсаторов С4 и С5 через резисто­ры R6 и R8

Трансформаторный параллельно-последовательный умножи­тель. Преобразователь напряжения (рис. 17.23) собран по схеме умножителя, который управляется внешним сигналом прямоугольной формы. Амплитуда переменного напряжения в базах транзи­сторов равна 3 В. Когда транзисторы VT1 — VT3 закрыты транзи­стор VT4 открыт. Конденсаторы С1 — СЗ одновременно заряжаются через диоды VD1 — VD6. При изменении состояния транзисторов конденсаторы С1 — СЗ будут включены последовательно. Диод VD7 откроется. На выходе возникнет импульс с амплитудой 200 В. До этого напряжения заряжается и выходной конденсатор. Частота следования управляющих сигналов равна 1 кГц.



                          Рис. 17.23

 

 

5. УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразователи с накопительными конденсаторами. Удвоители напряжения используют свойство накапливать и в те­чение некоторого времени сохранять электрический заряд Выходное напряжение схем (рис. 17.24, а, б) близко к удвоенному амплитуд­ному значению входного напряжения.


На рис. 17.24, в схема имеет выходное напряжение, равное удвоенному действующему значению входного. Емкости конденсаторов в удвоителях выбирают одинако­выми. Во всех удвоителях при действии положительной полуволны входного сигнала через соответствующий диод заряжается один конденсатор, а при действии отрицательной полуволны через другой диод — второй конденсатор. Эти заряды определяют напряжение Для высоковольтных умножителей применяют диоды: 2Ц101 А (1 кВ), 2Ц106А (4 кВ), 2Ц106Б (6 кВ), 2Ц106В (8 кВ): 2Ц106Г (10 кВ).



                                          Рис. 17. 24 (а — и)

 

По аналоговой структуре, что и удвоители, построены схе­мы для умножения в большее число раз. На рис. 17.24 г — е приведены схемы умножителей на 3, на рис. 17.24, ж — м — умножителей на 4, на рис. 17.24, н, n — умножителей на 6 и на рис. 1724 р — т — умножителей на 8.

Умножитель напряжения — интегральная микросхема К299ЕВ Микросхема (рис. 17.25) работает при входном напряжении до 1200 В. Максимальное выходное напряжение может достигать зна­чения 2 кВ, выходной ток — не более 0,2 мА. Для такого выходно­го тока напряжение пульсации составляет не более 100 В Интег­ральная микросхема работает на нагрузку 10 МОм. Максимальная частота входного напряжения 20 кГц.

 



                                          Рис 17.24 (к — т)



                               Рис. 17.25

Двухполупериодная схема умножения. Умножитель напряже­ния (рис. 17.26) состоит из двух симметричных схем. В одну схему входят элементы С1, С2, VD1, VD2, а во вторую — СЗ С4 VD3 VD4. Конденсатор С2 является общим. Он заряжается пульсирую­щим напряжением с удвоенной частотой.



                   Рис. 17.26



Содержание раздела

---

---