книги из ГПНТБ / Венгеровский, Л. В. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы

Полагая, что отношение — = а, имеем:

2.Схема сравнения токов (рис. 8). В схеме принят

что А£ = £ пст— £ Эт > 0 . В соответствии с законами Кирхгофа можно написать:

■^1 + Ai =

I i R i — / н£ н—£эт — 0;

I 1R1 + I2Rz—Е эт—£ нст= 0.

"S — ---------- Э -

L

Рис. 8. Схема сравнения токов

го

П р и R / R H= a

2 + а N2

Рак Рвх Д£/£зТ

Из равенств (8) и (10) следует, что при R — R„ на­ пряжение на входе регулятора составляет V3 от разно­ сти напряжений ДЕ. Если же входное сопротивление регулятора R m = R u велико по сравнению с сопротив­ лениями R, то напряжение на входе регулятора стре­ мится к АЕ — для схемы сравнения напряжений и к ве-

Рис. 9. Схемы сравнения: а — токов; б — напряжений

личине Д£/2 — для схемы сравнения токов, т. е. в этом случае схема сравнения напряжений в два раза чувст­ вительней схемы сравнения токов.

Что касается отношения мощности эталонного источ­ ника Рэт к мощности Рвх регулятора, то из равенств

(9) и (11) следует, что при прочих равных условиях это отношение получается значительно большим в схеме сравнения токов. Несмотря на эти недостатки, схема сравнения токов имеет одно решающее преимущество. В ней £ эт, £ ист и Uвхупт имеют общую точку, что об­ легчает устранение помех.

Сравнение сигналов можно производить как во внеш­ них цепях регулятора, например на специальных ре­ зисторах, включенных на входе регулятора, так и не­ посредственно в самих усилительных каскадах регуля­ тора, например при подаче сравниваемого напряжения на дифференциальный входной каскад регулятора.

21

Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. Первый способ удобен тем, что обеспечивает хорошую взаимозаменяемость и универсальность последующих каскадов регулятора. Второй способ, хотя и сужает за­ дачи регулятора в целом, но позволяет сократить число каскадов схемы, увеличивая надежность устройства и одновременно уменьшая его размеры. Именно это-преи­ мущество второго способа привело к тому, что в простей­ ших схемах стабилизаторов напряжения не применяется практически сравнение во внешних цепях регулятора. Для ПСН, однако, сравнение во внешних цепях оправ­ дано необходимостью получения высоких точностей вы­ ходных напряжений и требуемой высокой серийноспособностью стабилизаторов.

В качестве примера на рис. 9 приведены две схемы сравнения ПСН, в которых в качестве усилителя по­ стоянного тока {УПТ) применен операционный усили­ тель, а в качестве ИЭС — параметрический стабилиза­ тор на кремниевом стабилитроне.

Усилительно-преобразовательное устройство

УПУ служит для усиления сигнала рассогласования, а иногда и его преобразования, необходимого для уп­ равления регулирующим элементом ПСН. УПУ, их проектированию и расчету посвящено много работ [21, 24].

Остановимся более подробно на УПУ, построенных с применением линейных интегральных микросхем типа 1УТ 401 и 1УТ 402, которые наиболее целесообразно использовать при проектировании ПСН. Принципиаль­ ная схема ИС типа 1УТ 401 приведена на рис. 10. Уси­ литель выполнен в одном кристалле кремния методом планарно-эпитаксиальной технологии и представляет собой трехкаскадный УПТ с дифференциальным входом. Микросхема состоит из 9 транзисторов. Транзисторы Т1 и Т2 образуют дифференциальный входной каскад, в эмиттерной цепи которого включен генератор тока, выполненный в виде стабилизатора тока на транзисторе ТЗ. Для компенсации влияния температуры на величину коллекторного тока транзистора ТЗ вследствие измене­ ния напряжения база — эмиттер используется транзи­ стор Т4 в диодном включении.

22

Транзисторы Т5 и Тб входят в состав промежуточ­ ного дифференциального каскада, осуществляющего даль­ нейшее усиление сигнала, и одновременно переводят симметричный выход дифференциального каскада в не­ симметричный.

Выходной каскад содержит генератор тока на тран­ зисторе Т8, который одновременно восстанавливает уро­ вень постоянной составляющей на оконечном транзи­

сторе T9, и транзистор 77, осуществляющий согласова­ ние второго каскада с выходным эмиттерным повтори­ телем T9.

К основным параметрам усилителя можно отнести следующие:

1. Номинальное значение напряжения питания,

+Е о и — Е 0.

2.Ток питания / п.

3.Коэффициент усиления А й в разомкнутом состоя­

нии при номинальном напряжении питания Е 0, который представляет отношение выходного сигнала Увых ко

23

соответственно токи смещения неинвертиругощего и ин­ вертирующего входов.

• 8. Смещение нуля усилителя по току А/ = / 01 —

— ^0217-„, £0, /„’ соответствующее определенным значениям Т’о. £о. ^о-

9.Номинальное выходное напряжение t/Bblx.

10.Выходной номинальный ток / ПЬ|Х.

11.Максимально допустимое синфазное напряже­

иобщим выводом микросхемы.

12.Максимально допустимое дифференциальное на­ пряжение t/д. доп — максимальное напряжение, прило­ женное между инвертирующим и неинвертирующим вхо­

ектирования и расчета ПСН с микросхемами знания основных параметров явно недостаточно. Необходимо иметь еще ряд таких параметров, которые отражали бы зависимость параметров микросхемы от изменения на­ пряжения питания, изменения окружающей темпера­

24

2) 1/^п — проводимость связи цепи питания с вход ной цепью, отражающая влияние изменения напряжения питания Е п на токи смещения усилителя / 01 и / 02:

5)Др е 12 (t) — временной дрейф смещения нуля уси­ лителя по напряжению.

6)у', , Y/0„ — абсолютные температурные коэффи­

Экспериментальные величины параметров, приведен­ ных выше, как основных, так и дополнительных для двух типов микросхем 1УТ401 и УТ1 402:

25

Задающее устройство и регулирующий элемент

ЗУ служит для задания требуемого значения регу­ лируемой величины, т. е. ее уровня. Действительное значение выходной величины должно уравниваться с тре­ буемым значением или приближаться к нему с заданной степенью точности.

Принципиально задание уровня выходной величины можно осуществить, подав задающее воздействие в лю-

бую точку замкнутого контура регулирования. Однако на практике обычно задающее воздействие приклады­ вают в тех точках контура регулирования, где оно

26

влияет достаточно сильно на выходную величину, В ПСН может быть два задающих устройства: одно ос­

Д ЗУ обеспечивает дополнительное задающее воздейст­ вие, позволяющее более точно выставить требуемую вы­ ходную величину.

Например, изменяя коэффициент передачи ИПУ, можно изменить сигнал, поступающий на вход устрой­ ства (сравнивающего), и таким образом изменить выход­ ную регулируемую величину. Аналогичным образом можно осуществить регулирование выходной величины изменением коэффициента передачи ПУЭС или подачей дополнительного регулируемого сигнала на ИПУ. В связи с тем, что задающее воздействие прикладывается в контуре регулирования в точках, где оно проходит на выход с большим коэффициентом влияния, ЗУ яв­ ляется и источником погрешности ПСН. Действительно, если ЗУ обладает заметной нестабильностью и изменяет свои параметры от дестабилизирующих воздействий, то нестабильность такого ЗУ проходит на выход ПСН и вносит существенную составляющую погрешности в пол­ ную погрешность выходной величины.

ЗУ должно удовлетворять следующим требованиям:

1.Обеспечивать необходимую точность уставки вы­ ходного напряжения ПСН.

2.Обеспечивать требуемый диапазон регулировки выходного напряжения.

3. Нестабильность от воздействия возмущений на ЗУ не должна превышать допустимой для данного ПСН.

РЭ служит для непосредственного регулирования выходной^.стабилизируемой величины с помощью регу­ лирующего воздействия, получаемого от УПУ. Регу­ лирующее воздействие как процесс регулирования пред­ ставляет собой входной сигнал, а регулируемая вели­ чина]!— выходной сигнал, т. е. объект регулирования имеет функциональное значение передаточного звена.

В теории автоматического регулирования систему обычно разбивают на два звена: объект регулирования и регулятор. В этом смысле к объекту регулирования ПСН следует отнести РЭ совместно с нагрузкой, а к регулятору — все остальное.

27

Изучение объекта регулирования позволяет опреде­ лить требования к регулятору ПСН, а так как объект регулирования является частью ПСН, то его характе­ ристики влияют на работу всего ПСН и, в первую оче­ редь, на точность. Это значит, что при проектировании

в

Рис. 11. Характеристика управления Р'Э

ПСН необходимо учитывать как характеристики на­ грузки, так и характеристики РЭ.

Объект регулирования как передаточное звено ха­ рактеризуется управляющей характеристикой и харак­ теристиками возмущения. Характеристика управления представляет собой связь между регулирующим воздейст­ вием и регулируемой величиной при установившемся

28

состоянии объекта регулирования. С учетом того, что такая характеристика может быть построена для каждой величины возмущения, которому подвергается объект регулирования, получается целое семейство характе­ ристик.

Например, на рис. 11 изображены характеристики управления РЭ с активной нагрузкой. Регулирующим воздействием является ток базы / Б транзистора П701А,

в

Рис. 12. Характеристика возмущения РЭ

а регулируемой величиной [/ВЬ1Х — напряжение на со противлении нагрузки. Возмущающими воздействиями являются изменение нагрузки и изменение напряжения на коллекторе регулирующего транзистора. Поэтому для каждого напряжения Uк свое семейство характери­

стик управления, соответствующих различным по ве­ личине сопротивлениям нагрузки Яя.

Характеристика возмущения представляет связь ме­ жду возмущающей и регулируемой величинами при уста­ новившемся состоянии объекта регулирования.

На рис. 12 приведена характеристика возмущения РЭ. Возмущающей величиной здесь является входное напряжение UBX, подаваемое на РЭ, а регулируемой —

29