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

Выражение (41) позволяет рассчитать температурную составляющую погрешности ПСН от ЗУ, если известен абсолютный температурный коэффициент переменного резистора ЗУ.

Выражение для относительной температурной по­ грешности ПСН при наличии относительного темпера­ турного коэффициента переменного резистора ЗУ будет

Формула (42) дает возможность рассчитать темпера­ турную погрешность ПСН от ЗУ по необходимой разре­ шающей способности ЗУ, а (43) по требуемому диапазону регулировки. Из выражений (42) и (43) можно сделать важный вывод, что температурная погрешность ПСН от ЗУ при выбранных элементах схемы и выходном на­ пряжении ПСН зависит только от требуемой разрешаю­ щей способности ЗУ или от диапазона регулировки вы­ ходного напряжения и совершенно не зависит от места включения ЗУ в основном контуре ПСН.

Выражение (31) показывает, что определение темпе­ ратурного коэффициента напряжения ПСН сводится к определению температурных коэффициентов напряже­ ния Гипу, Гиэс, Глуэс. Гулу, Грэ, Гзу соответству­ ющих звеньев контура ПСН.

Обычно предприятия, выпускающие электронные эле­ менты, в технических условиях на эти элементы указы­ вают температурный коэффициент элемента, имея в виду изменение его основного параметра от температуры. Так,, например, в паспорте на кремниевые стабилитроны приводится величина ТКН, на резисторы — температур­ ного коэффициента резистора и т. д. Поэтому при опреде­ лении температурных коэффициентов звеньев ПСН же­ лательно использовать известные температурные коэф­ фициенты элементов, входящих в схему звена.

Будем рассматривать любое звено структурной схемы ПСН, как устройство, представляющее совокупность

50

элементов, связанных различными функциональными зависимостями, т. е. если работа звена описывается функцией от различных параметров:

^ вы х = / ( ^ в х . R l , I I , U i , . . - , Un),

TO

а если параметры функционально зависят от темпера­ туры:

На основании выражения (44) можно записать выра­ жение для составляющей изменения выходного сигнала от температуры:'

откуда температурный коэффициент напряжения звена

зующие степень влияния конкретного параметра эле­ мента на выходное напряжение звена. Коэффициенты влияния для каждого конкретного звена могут быть до­ статочно просто рассчитаны по схеме последнего или могут быть измерены отдельно, при макетировании звена, например, по методике, приведенной в [191.

51

9. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭЛЕМЕНТЫ ПСН: РЕЗИСТОРЫ, СТАБИЛИТРОНЫ, ТРАНЗИСТОРЫ

ИМИКРОСХЕМЫ

Всостав схемной реализации рассматриваемого класса ПСН могут входить резисторы постоянные и пе­ ременные, полупроводниковые диоды и кремниевые ста­ билитроны, транзисторы и микросхемы. Рассмотрим зависимость их основных параметров от температуры.

Резисторы. Как известно, полное сопротивление по­ стоянных и переменных, а также установленное сопро­ тивление переменных резисторов изменяется вследствие изменения температуры. Относительное изменение со­ противления резистора при изменении температуры на 1°С принято называть температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который может быть определен из следующего соотношения:

, _ Rt — Rq

Н т° ~ т°о) ’

где R T — сопротивление резистора, измеренное при тем­ пературе Т°] R 0 — сопротивление резистора, измерен­

ное при температуре Tq.

ТКС проволочных резисторов, выпускаемых отечест­ венной промышленностью, зависит от ТКС применяемых резистивных проволок и в большинстве случаев лежит

в пределах от 10-10~4 — (3—5)-10_6 град~1. Ниже при­ ведены величины ТКС для некоторых типов проволоч­ ных резисторов, наиболее часто применяемых в ИПУ,

ИЭС, СУ, ПУЭС, ЗУ, ПСН.

52

Кремниевые стабилитроны. Температурный коэффи­ циент напряжения (ТКН) кремниевых стабилитронов обычно выражают в абсолютных или относительных ве­ личинах, причем под абсолютным ТКН понимают про­ изводную от напряжения стабилизации по температуре при постоянном токе через стабилитрон:

а под относительным ТКН — отношение абсолютного ТКН к напряжению стабилизации, выраженное в про­ центах:

Исследованию и анализу ТКН различных стабили­ тронов посвящено множество работ [4, 15, 27]. Ниже приведены ТКН для стабилитронов, наиболее употре­ бительных в ПСН:

Транзисторы. Зависимость параметров транзисторов определяется тремя факторами.

1. Изменением тока неосновных носителей коллек­ торного перехода /,<0.

2. Смещением входных характеристик влево при увеличении температуры.

3. Изменением коэффициента усиления а. в схеме с общей базой.

Приращение тока неосновных носителей Д /ко вычис­

ров; определяем изменение тока коллектора:

^к = ^ко + °^ э-

Изменение тока коллектора транзистора Д /к зависит также от его схемы включения, а изменение тока неос­

53

новных носителей Д /ко зависит только от температуры.

д /ко тока коллектора при изменении тока неосновных носи­

телей на Д/

Теперь допустим, что при увеличении температуры ток эмиттера короткозамкнутого транзистора увели­ чился на Д /э . При этом коллекторный ток транзистора,

включенного в данную схему, возрос на ДГ . Тогда ко­ эффициент нестабильности N " транзистора от измене-

Д/"к

ния эмиттерного тока: N" = ---- — . Д/э

Иногда нестабильность эмиттерного тока заменяют нестабильностью напряжения, приложенного к базе. Тогда

Д/t

N"

ДU ,

Изменение напряжения, действующего на базе, мо­ жет быть вычислено по следующей формуле:

АТ

273 {E3- U БО)

где UB0 — напряжение смещения; Е3 — ширина запре­

эффициента усиления а с изменением температуры ра­ вен отношению приращения тока коллектора короткозамкнутого транзистора Д/"' з к приращению тока кол­

лектора Д / к от изменения а транзистора, включенного в данную схему, т. е.

Д/„

ЛГ

Д/t

54

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмит­ тером Р можно записать так:

Продифференцировав уравнение (47) по / к и перейдя к бесконечно малым приращениям, получим:

АР

+ ^КО

откуда

А/К= . АР(/ Б + / К0)-

Тогда

М'" = ___ А/|<-3____

д Р ( ' б + ' ко) '

Полный прирост тока в транзисторе от температуры

А /к = А /к + А/^ + Д/£ = ЛГД/К0 +

+ N"AUБ-\- N'"A$ (/Б + / ко) •

Здесь А /к0, AUG, Ар определяются самим транзисто­

ром, а коэффициенты N ' , N " , N'" зависят еще и от эле­ ментов схемы. Следовательно, к минимуму можно свести лишь коэффициенты, а приращения параметров транзи­ стора А /ко, АЛ/Б, Ар зависят только от диапазона тем­

ператур, в котором работает транзистор.

Микросхемы 1УТ 401 и 1УТ 402. Зависимость пара­ метров микросхем от температуры исследуем, используя эквивалентную схему (рис. 14).

В соответствии с эквивалентной схемой можно запи­

55

Подставив в это уравнение значения для входных токов / вх1 и / вх2 из системы (48) при Еп = Е п и Un^.=О и решив его относительно входного напряжения ее, по­ лучим:

1 + 2R/rBX

нуля по напряжению, приведенное к эквивалентному

щения вызваны различными технологическими факто­ рами, изменениями температуры, времени, напряжения питания и другими дестабилизирующими воздействиями.

Составляющая смещения нуля по напряжению с уче­

Здесь еЕе0 — начальное смещение нуля по напряжению, определенное при заданных температуре, напряжении питания и в определенный момент времени. Аналогично токовая составляющая смещения нуля определится:

о /

где еее0 — начальное смещение нуля по току при задан­ ных значениях температуры, напряжения и времени.

56

Выражения (51), (52) с учетом (50) можно преобразо­ вать к виду:

Тогда выражение для температурного дрейфа микро­ схемы, приведенного ко входу, можно записать так:

Выражение (54) показывает, каким образом можно измерить смещение микросхемы по напряжению е12. Для этого нужно закоротить оба входа усилителя на землю, измерить выходное напряжение и разделить его

вЕ/гвх как е12/гвх. Аналогичным образом можно изме­ рить дрейфы е12 и А/. Зная конкретные значения дрей­ фов, легко определить по формуле (53) полный темпера­ турный дрейф микросхемы. Ниже в качестве примера приведены расчетные значения полного температурного дрейфа для микросхем 1УТ 401 и 1УТ 402 при двух зна­

Из рассмотрения температурной зависимости элемен­ тов, используемых при реализации ПСН, видно, что в широком диапазоне температур даже элементы с наи­ меньшими температурными коэффициентами не могут обеспечить требуемой точности 0,01 — 0,1% при низких выходных напряжениях ПСН. Это значит, что при про­ ектировании ПСН необходимо добиваться в первую оче­ редь уменьшения температурной погрешности.

57

10. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПСН

Уравнение (45) показывает, что добиться уменьшения температурной погрешности ПСН можно тремя спосо­ бами: уменьшением температурных коэффициентов эле­ ментов; уменьшением коэффициентов влияния b и су­ жением температурного диапазона АТ.

Первый способ подразумевает применение элементов с малым температурным коэффициентом и создание схем температурной компенсации. Второй — проектирова­ ние схем, в которых коэффициенты влияния имеют ми­ нимальное значение. Третий — создание систем термостатирования для элементов, имеющих максимальный температурный коэффициент и большой коэффициент влияния.

Так, температурная компенсация элементов есть не что иное, как схемное осуществление регулирования по возмущению — температуре. Проектирование схем, в ко­ торых коэффициенты влияния имеют минимальное зна­ чение, сводится в основном к введению глубоких местных отрицательных обратных связей, а также к установке элементов с большим температурным коэффициентом в такие точки схемы, где малое значение имеет коэффи­ циент влияния. Применение систем термостатирования не что иное, как использование для дополнительной ста­ билизации возмущения контура КДСВ.

Схемные решения температурной компенсации и их расчет достаточно широко и полно изложены в [12, 17, 28], поэтому здесь нет необходимости на них останав­ ливаться. Следует заметить, однако, что применение схем температурной компенсации увеличивает внутрен­ нее сопротивление компенсированного элемента; кроме того, осуществление полной высокоточной компенсации при большой амплитуде изменения температуры — за­ дача чрезвычайно сложная, имеющая теоретическое решение, но требующая на практике специального ин­ дивидуального подбора и для серийного изготовления мало пригодна. Несмотря на это, схемы с частичной тем­ пературной компенсацией находят широкое применение.

Рассмотрим применение систем электрического термо­ статирования (СЭТ), хотя по вопросам расчета и проек­ тирования СЭТ также имеется достаточно литературы

58

[1, 3, 13]. Выбор температуры статирования в СЭТ оп­ ределяется требованиями на временную стабильность ПСН. Это связано с тем, что увеличение температуры окружающей элемент среды сильно увеличивает его вре­ менные дрейфы. Поэтому в ПСН, к которым предъяв­ ляются жесткие требования временной стабильности, следует применять СЭТ с полупроводниковыми термо­ батареями, которые могут обеспечить температуру ста­ тирования для термостатируемых объектов, близкую к нормальной. Авторами была разработана СЭТ на по­ лупроводниковых термобатареях для термостатирования стабилитрона ИЭС и УПУ ПСН. СЭТ состоит из термостата, сконструированного на базе серийно выпу­ скаемых термомодулей ТБМ-2М и бесконтактного ре­ гулятора на транзисторах. Принципиальная схема двух­ позиционного регулятора приведена на рис. 19.

Измерительно-преобразовательное устройство 1 с дат­ чиком температуры R r выдает на вход импульсного усилителя 2 однополярные импульсы, амплитуда кото­ рых пропорциональна отклонению температуры внутри термостата от заданного уровня термостабилизации. Уси­ ленные импульсы интегрируются цепью 3, и постоянная составляющая результирующего напряжения подается на триггер с эмиттерной связью 4. В зависимости от уровня входного сигнала триггер формирует П-образ- ные импульсы с крутыми фронтами, длительность ко­ торых определяется инерционностью системы термостатирования. Сформированными импульсами управляется ключевой усилитель мощности 5, производящий в со­ ответствии с переданной информацией реверс тока че­ рез исполнительный элемент — термобатарею.

Измерительно-преобразовательное устройство 1 пред­ ставляет симметричный балансный транзисторный кас­ кад, объединенный с мостовой измерительной схемой и запитываемый синфазно по цепям базы и коллектора однополярными импульсами. Особенностью каскада яв­ ляется отсутствие паразитного базового тока вследствие одностороннего ограничения его термокомпенсирован­ ным стабилитроном, включенным в схему так, что об­ щая точка коллекторных цепей транзисторов и диаго­ нали измерительной цепи соединена с его анодом. Такая схема имеет малый дрейф нуля, выходной сигнал пере­ менного тока, пониженные мощности рассеяния транзи-

59