4 курс (заочка) / Учебные материалы / ЭУиСТ лабораторный практикум

Как известно, выходные характеристики определяют три возможные области работы

транзистора:

1.Активную область, расположенную справа от линии 00` и выше харак-

теристики, соответствующей току базы =0. В этой области переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном.

2.Область, ограниченную осью абсцисс и характеристикой =0 и соответствующую работе транзистора в режиме отсечки транзистора (разомкнутый ключ). Оба перехода смещены в обратном направлении.

3.Область насыщения, расположенную между осью ординат и линией 00` и соответствующую работе транзистора в режиме насыщения (ключ замкнут). Оба перехода смещены в прямом направлении.

3.2. Схема Дарлингтона.

Мощные транзисторы обладают, как правило, невысоким коэффициентом передачи тока. В связи с этим для управления ими требуются импульсы значительной мощности,

Рис. 5. Схема составного транзистора: а – схема Дарлингтона; б – комплементарная схема Дарлингтона (схема Шиклаи).

поэтому часто в качестве переключающего элемента применяют соединение транзисторов называемое составным транзистором Дарлингтона.

Схема Дарлингтона собирается из двух транзисторов. Усиление по току составного транзистора приблизительно равно произведению коэффициентов усиления каждого транзистора в отдельности , т.е.

=.

При подачи отпирающего импульса на базу транзистора оба транзистора должны перейти в режим насыщения. Транзисторы ведут себя, как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . Учитывая это свойство, между базой и эммитером транзистора обычно включают резистор R. Этот резистор предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов и .

Рис. 5 в. Схема Дарлингтона с направлениями токов.

Рассмотрим параметры схемы Дарлингтона на примере схемы на рис. 5 в. При работе транзисторов в линейном режиме запишем для : ; .

Для транзистора :

.

Учитывая, что для данной схемы , предыдущее выражение можем переписать следующим образом . Зная, что значение можем легко пренебречь единицей и записать .

В остальном транзистор Дарлингтона ведет себя точно также как и обычный транзистор, только с большим усилением по току .

Все выше сказанное справедливо и для комплементарной схемы Дарлингтона (схемы Шиклаи).

44

3.3.Схема сравнения в релейном стабилизаторе.

Схема сравнения является обязательным элементом каждого компенсационного стабилизатора. Ее назначение выявить величину отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного номинала, в случае необходимости усилить ее и передать в следующий узел цепи обратной связи.

На рис. 6 приведена схема усилителя постоянного тока на дифференциальном усилителе. Дифференциальный усилитель обычно используется для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В нашем случае происходит сравнение изменявшегося выходного напряжения снимаемого с резистора c напряжением на ,

+

триггер

-

Рис.6. Дифференциальный усилитель в импульсном стабилизаторе с двухпозиционным управлением.

которое поступает с источника опорного напряжения. Усиленная разница поступает далее на триггер.

3.4.Триггер Шмитта.

Вкачестве релейных элементов в стабилизаторах постоянного напряжения находят широкое применение триггеры на транзисторах. На рис. 7 (а-б) изображена схема с эмиттерной связью (триггер Шмитта) и характеристика. Триггер может находиться в одном из двух устойчивых состояний. В первом состоянии

транзистор закрыт, а - открыт и насыщен. Переход триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро (лавинообразно) при воздействии

определенной величины на базу транзистора . Существуют две критические величины сигнала, при которых происходит срабатывание и отпускание триг-

45

Выходной сигнал, используемый для управления ключевым транзистором, снимается с коллектора транзистора триггера. Таким образом, отпирает и запирает транзистор , который, в свою очередь воздействуют на схему управления регулирующим транзистором.

Условие насыщения транзистора обеспечивает резистор , а для увеличения быстродействия триггера параллельно резистору иногда включают конденсатор С.

4.ОПИСАНИЕ СТЕНДА.

Внастоящей работе исследуется импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, построенный на базе однотактного преобразователя типа ПН (с понижением напряжения). Силовая часть стабилизатора (рис.8 а) содержит:

- регулирующий элемент VT, выполненный на биполярном транзисторе, работающий в режиме переключения;

- выходной LCD фильтр нижних частот;

- нагрузку, подключаемую параллельно конденсатору выходного LCD фильтра.

Висследуемом стабилизаторе используется двухпозиционный (релейный) способ управления регулирующим элементом, для чего в состав схемы управления введено пороговое устройство – триггер Т с двумя устойчивыми состояниями. Выходной сигнал триггера через устройство согласования Д (драйвер) управляет работой регулирующего элемента (переводит регулирующий транзистор из состояния насыщения в состояние отсечки и наоборот). Сигнал на вход триггера подается с выхода стабилизатора через схему сравнения СС и усилитель постоянного тока УПТ, так что стабилизатор работает в режиме автоколебаний.

Рассмотрим работу стабилизатора в предположении идеальности всех его элементов. При переводе VT в режим насыщения диод VD закрыт и

оказывается под обратным напряжением равным входному напряжению U0. При этом к обмотке дросселя L будет приложено напряжение равное (U0 - UН), под действием которого дроссель будет запасать энергию, а его ток нарастать по линейному закону. Когда увеличивающийся ток дросселя станет больше тока нагрузки начнется заряд конденсатора С и увеличение выходного напряжения, что будет приводить к увеличению напряжения на входе УПТ и, следовательно, к уменьшению напряжения на входе триггера Т.

47

Рис. 8. Структурная схема релейного стабилизатора (а), временная диаграмма напряжения на входе фильтра (б).

Когда напряжение на входе Т достигнет значения его порога отпускания, триггер через драйвер обеспечивает перевод VT в выключенное состояние. При этом ЭДС самоиндукции дросселя обеспечивает включение диода VD, так что к обмотке дросселю будет приложено напряжение, равное выходному напряжению UН, под действием которого дроссель будет отдавать ранее запасенную энергию в нагрузку, а его ток будет уменьшаться по линейному закону. Когда убывающий ток дросселя станет меньше тока нагрузки начнется разряд конденсатора С и, следовательно, уменьшение выходного напряжения стабилизатора. При этом напряжение на входе триггера Т начнет увеличиваться и при достижении порога его срабатывания он через драйвер обеспечит перевод VT во включенное состояние.

Регулирующий элемент VT8, работающий в режиме переключения, преобразует входное напряжение постоянного тока U0 в последовательность однополярных прямоугольных импульсов, подаваемых на вход LCD фильтра (рис. 8 б), который в свою очередь выделяет интегральную (среднее значение) составляющую этой последовательности прямоугольных импульсов. Так, например увеличение напряжения на входе стабилизатора приводит к уменьшению длительности открытого состояния регулирующего элемента, т.е. к уменьшению длительности tИ прямоугольных импульсов на входе фильтра при практически неизменной длительности паузы tП , что и обеспечивает стабилизацию среднего значения выходного напряжения.

К достоинствам импульсных стабилизаторов и в частности исследуемого

регулирующем элементе при той же выходной мощности стабилизатора, а, следовательно, более высокий КПД и существенно меньшие габариты радиатора охлаждения (в случае его применения) регулирующего элемента. В низковольтных стабилизаторах (при выходных напряжениях в единицы вольт и менее) с целью повышения КПД вместо диода в LCD фильтре используются полевые транзисторы, т.е. от традиционных преобразователей переходят к так называемым синхронным преобразователям. Габариты и масса дросселя и конденсатора выходного фильтра стабилизатора будут тем меньше, чем при прочих неизменных параметрах будет выше частота коммутации регулирующего элемента. В настоящее время в импульсных стабилизаторах частота переключения регулирующего элемента может быть равной нескольким сотням кГц.

Схема электрическая принципиальная исследуемого релейного стабилизатора, также регулируемого выпрямителя, обеспечивающего питание этого стабилизатора, представлена на рис. 9.

Рис.9. Схема электрическая принципиальная исследуемого стабилизатора.

Выпрямитель выполненный по традиционной схеме содержит: силовой трансформатор Т1, двухполупериодную схему выпрямления на диодах VD1 и VD2 и Г-образный фильтр нижних частот (L1, C1). Регулирование величины выходного напряжения U0 этого выпрямителя осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора АТ, подключение которого к сети переменного тока производится с помощью тумблера Q1. Определение значения выходного напряжения и тока, потребляемого стабилизатором от регулируемого выпрямителя, осуществляется с помощью вольтметра U0 и амперметра I0.

49

Силовая часть самого стабилизатора представлена мощным биполярным транзистором VT8 типа n-p-n (регулирующий элемент) и выходным фильтром нижних частот – (дроссель L2, конденсатор C4 и диод VD7). Подключение и отключение нагрузки производится тумблером Q2. Регулирование значения тока нагрузки осуществляется переменным сопротивлением RH. Для определения формы кривых тока элементов силовой части и значения и формы напряжений в различных точках схемы стабилизатора введены токовые шунты RШ и контрольные гнезда Г1-Г8.

УПТ выполнено по дифференциальной схеме на транзисторах VT1, VT2. Пороговое устройство Т выполнено по схеме триггера Шмитта на транзисторах VT3, VT4. Для стабилизации напряжения питания УПТ, Т, эталонного источника и части элементов драйвера в схему введен параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD3 и резисторе R1. Эталонный источник выполнен на стабилитроне VD4 и резисторах R2…R4. Напряжение эталонного источника (напряжение на резисторе R3) подается на неинвертирующий вход УПТ. На инвертирующий вход УПТ подается напряжение с резистора R18. Выходное напряжение УПТ, являющееся входным напряжением для триггера Шмитта, снимается с коллектора транзистора VT2 (напряжение между точкой Г2 и коллектором VT2). Уменьшение напряжения на резисторе R18 (при неизменном напряжении на резисторе R5) приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора VT2 и, следовательно, к увеличению напряжения на входе триггера. При достижении напряжения на входе триггера значения порога срабатывания транзистор VT3 переходит в состояние насыщение, а транзистор VT4 в состояние отсечки. В свою очередь напряжение на резисторе R18 является функцией выходного напряжения стабилизатора. Действительно изменение напряжения на выходе стабилизатора приводит к изменению напряжения на нижнем плече (на резисторе R22) выходного сравнивающего делителя R20… R22, входящего в состав схемы сравнения. Поскольку параллельно резистору R22 подключен вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VT9 и резисторах R18, R19, то изменение напряжения на R22 вызывает соответствующее изменение коллекторного тока VT9 и, следовательно, изменение напряжения на резисторе R18.

Уменьшение выходного напряжения стабилизатора ниже определенного уровня или полное его отсутствие, что имеет место при пуске стабилизатора, приводящее к переводу транзистора триггера VT4 в состояние отсечки, вызывает перевод транзисторов драйвера VT5 и VT6 также в режим отсечки. В результате создается цепь базового тока для транзистора VT7 (+U0→RШ→переход эб VT7→диоды VD5, VD6→резисторы R15, R16→- U0→+U0) и перевод его в состояние насыщения, что в свою очередь приводит к переводу силового транзистора VT8 в режим насыщения. Далее начинается процесс увеличения тока дросселя L2 и, как было показано ранее, увеличение выходного напряжения. Увеличение выходного напряжения стабилизатора вызывает уменьшение напряжения на входе триггера и при достижении порога отпускания транзистор VT3 триггера переходит в состояние отсечки, а транзистор VT3 в состояние

50