- •Лекция 1 Задачи курса
- •Элементы физики полупроводников
- •P-n переход, структура, работа.
- •Лекция 2 Статические характеристики диодов
- •Лекция 3 Динамические параметры p-n перехода
- •Полупроводниковые диоды.
- •Выпрямительные диоды.
- •Стабилитроны и стабисторы.
- •Светодиоды.
- •Фотодиоды.
- •Туннельные диоды.
- •Варикапы.
- •Лекция 4 Транзисторы.
- •Биполярные транзисторы.
- •Основные схемы включения транзистора.
- •Работа биполярного транзистора.
- •Лекция 5 Характеристики биполярных транзисторов.
- •Статические характеристики.
- •Модель биполярного транзистора Эберса - Молла.
- •Частотные свойства биполярных транзисторов.
- •Составные транзисторы.
- •Лекция 6 Униполярные (полевые) транзисторы.
- •Основные структуры полевых транзисторов.
- •Транзистор с изоляцией канала от затвора обратносмещенным p-n переходом.
- •Транзисторы структуры металл - диэлектрик - полупроводник (мдп).
- •Статические характеристики полевых транзисторов.
- •Лекция 7 Частотные свойства полевых транзисторов.
- •Некоторые особенности использования полевых транзисторов.
- •Тиристоры.
- •Лекция 8
- •2. Полупроводниковые устройства.
- •2.1. Усилительные устройства.
- •2.1.1. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с заземленным эмиттером.
- •Лекция 9
- •2.1.2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по току.
- •2.1. 3. Эмиттерный повторитель.
- •2.1.4. Дифференциальный усилитель.
- •2.2. Полупроводниковые источники стабильного тока.
- •Лекция 10
- •2.3. Обратная связь в усилителях сигналов.
- •2.3.1. Влияние обратной связи на свойства усилителя.
- •2.3.2. Разновидности обратной связи.
- •2 Рис. 74. Параллельная обратная связь..4. Частотные свойства усилителей.
- •Лекция 11
- •2.5. Операционный усилитель (оу).
- •2.5.1. Принципиальная схема, состав, функциональное назначение.
- •2.5.2. Основные параметры операционного усилителя.
- •2.5.3. Основные включения операционного усилителя.
- •Решающие элементы аналоговых вычислительных машин (авм).
- •Сумматор.
- •2.5.4.2.Интегратор.
- •Дифференциатор.
- •Решение дифференциальных уравнений.
- •Триггер Шмитта.
- •Лекция 12
- •3. Источники питания электронной аппаратуры.
- •3.1. Структурные схемы источников питания.
- •3.2. Выпрямители.
- •3.2.1. Однополупериодный выпрямитель.
- •3.2.2. Двухполупериодный выпрямитель.
- •3.2.3. Мостовой выпрямитель.
- •3.2.4. Выпрямители с умножением напряжения.
- •3.3. Фильтры.
- •Лекция 13
- •3.4. Стабилизаторы напряжения.
- •3.4.1. Компенсационные стабилизаторы.
- •3.4.2. Импульсный стабилизатор.
- •3.4.3. Источник питания с преобразованием частоты.
- •Лекция 14
- •4 Импульсная техника.
- •4.1 Импульсный сигнал, его характеристики.
- •4.2 Формирователи импульсных сигналов.
- •Лекция 15
- •4.3 Ключ на биполярном транзисторе.
- •Лекция 16
- •4.4 Процессы переключения ключа на биполярном транзисторе.
- •Лекция 17
- •4.5 Транзисторные ключи на полевых транзисторах.
- •4.6 Генератор импульсной последовательности (мультивибратор).
- •4.7 Триггер на биполярных транзисторах.
Лекция 13
3.4. Стабилизаторы напряжения.
Наиболее важным элементом блока питания является стабилизатор напряжения, на который возлагаются задачи поддерживать неизменным заданный уровень напряжения на нагрузке при наличии разнообразных дестабилизирующих факторов. Помимо основной задачи на стабилизаторы возлагаются ряд защитных функций: защита стабилизатора от перегрузки, защита стабилизатора от короткого замыкания в нагрузке и защита нагрузки от перенапряжения. Наибольшее распространение получили компенсационные стабилизаторы с параллельным или последовательным регулирующим элементом.
3.4.1. Компенсационные стабилизаторы.
Компенсационные стабилизаторы строятся по основной схеме состоящей в том, что между источником питания (напряжения) и нагрузкой располагают дополнительный элемент, на котором падает излишек напряжения источника. В дальнейшем при работе устройств это падение напряжения на дополнительном элементе изменяют таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось неизменным.
Н
Рис.
108. Структурная схема компенсационного
стабилизатора.
Стабилизаторы в своем составе имеют: нестабильный источник постоянного напряжения -- U1, регулирующий элемент -- РЭ, схему управления -- СУ, источник опорного напряжения -- Uоп и сопротивление нагрузки -- Rн. Нестабильный источник постоянного напряжения (U1) -- это вся предшествуюшая часть схемы источника питания: трансформатор, выпрямитель, фильтр. Регулирующий элемент (РЭ) -- это активный элемент, обычно в качестве которого используют транзистор. Схема управления (СУ) сравнивает напряжение на нагрузке с опорным напряжением, и в случае рассогласования вырабатывает управляющий сигнал для регулирующего элемента на поддержание неизменным напряжения на нагрузке.
Стабилизатор с последовательным регулирующим элементом компенсирует изменение напряжения на нагрузке изменением напряжения на регулирующем элементе.
Стабилизатор с параллельным регулирующим элементом компенсирует изменение напряжения на нагрузке изменением напряжения на дополнительном резисторе (Rдоб), а это возможно только при изменении тока проходящего через этот резистор. Ток через резистор Rдоб имеет две составляющие: ток нагрузки и ток регулирующего элемента, которым и осуществляется регулировка.
Если сравнить два стабилизатора (с последовательным и с параллельным регулирующим элементом) питающих одинаковую нагрузку, то получим различные КПД. Обозначим КПД стабилизатора с последовательным РЭ -- η1, а КПД стабилизатора с параллельным РЭ -- η2.
, .
Приведенные уравнения показывают, что стабилизатор с параллельным РЭ принципиально имеет меньший КПД. Применение стабилизаторов с параллельным РЭ ограниченно.
Р
Рис.
109. Эмиттерный повторитель - стабилизатор
напряжения
На базе напряжение стабилизировано, так как оно является напряжением стабилизации стабилитрона. В процессе работы сопротивление нагрузки изменяет свою величину, а это, при неизменном токе эмиттера транзистора VT1, приводит к изменению напряжения нагрузки. Напряжение база - эмиттер определяется соотношением Uбэ = Uб - Uэ и, следовательно, при уменьшении Uэ напряжение база - эмиттер возрастает и как следствие возрастает ток базы. Возрастание тока базы приводит к возрастанию тока эмиттера (нагрузки). Таким образом осуществляется регулирование напряжения на нагрузке.
Н
Рис.
110. График работы стабилизатора
напряжения.
При использовании компенсационных стабилизаторов применение фильтров нецелесообразно.
График показывает одну из важных особенностей стабилизаторов, состоящую в том, что входное напряжение должно быть примерно в два раза больше напряжения на нагрузке.
Основными параметрами стабилизатора являются: КстU -- коэффициент стабилизации по напряжению, rвых -- выходное сопротивление, η -- коэффициент полезного действия. Коэффициент стабилизации определяется соотношением , выходное сопротивление --rвых =∆(Uвх-Uвых) / ∆Iвых.
Для рассматриваемой схемы, учитывая пульсацию входного напряжения его действующее значение будет равно Uвх = 15в, коэффициент стабилизации -- . Как видим коэффициент стабилизации невысок, что объясняется малым усилением напряжения ошибки. Помимо малого коэффициента стабилизации эта схема обладает и другими недостатками. Так как регулирующий транзистор работает в линейном режиме в обязательном порядке выполняется соотношение ∆Iк = β*∆Iб, которое приводит к тому, что большие токи коллектора (нагрузки) требуют больших базовых токов. Базовый ток регулирующего транзистора является током нагрузки параметрического стабилизатора, состоящего из стабилитрона VD2 и резистора R1, c учетом всех его недостатков.
С
Рис.
111. Компенсационный стабилизатор с
операционным усилителем.
Выходной ток операционного усилителя определяемый разностью входных напряжений формирует ток нагрузки стабилизатора.
Обычно операционные усилители имеют защиту своих выходных каскадов и соответственно ограничение выходного тока на уровне 20мА. Это приводит к тому, что существенно ограничивается ток нагрузки. Выход из этого ограничения возможен двумя способами. Первый состоит в том, чтобы использовать операционные усилители с большими выходными токами, что приводит к удорожанию стабилизатора. Второй способ - это использование в качестве регулирующего составного транзистора (схема Дарлингтона).
Особенности работы стабилизатора с операционным усилителем показаны на рис. 112.
Пульсации выходного напряжения ∆Uвых = 4мВ при напряжении на нагрузке 9В. Коэффициент стабилизации Кст = 1020.
О
Рис.
112. График работы компенсационного
стабилизатора с операционным усилителем.
Д
Рис.113.
Стабилизатор с защитой от перегрузки
и короткого замыкания.
В режиме короткого замыкания нагрузки мощность рассеиваемая на регулирующем транзисторе взрастает почти в два раза, так как напряжение на нем возрастает до величины входного напряжения стабилизатора. Такой режим работы является аварийным. Чтобы защитить стабилизатор при коротком замыкании нагрузки необходимо уменьшать ток короткого замыкания. С этой целью в схему вводят стабилитрон D2 и резисторы R9,R10. Напряжение пробоя стабилитрона должно быть больше падения напряжения на регулирующем транзисторе в номинальном режиме работы и меньше входного напряжения, чтобы в номинальном режиме стабилитрон находился в непроводящем состоянии и не подключал указанную цепь, а в режиме короткого замыкания стабилитрон был пробит и ток базы ограничивающего транзистора задавался не операционным усилителем а резистором R10. Если выбрать R10 = 2,5коМ, то ток регулирующего транзистора станет равным примерно 0,6А, что в два раза меньше чем максимальный (ограниченный) ток регулирующего транзистора. Установка указанной цепи позволяет работать стабилизатору даже при коротком замыкании нагрузки.
Иногда последовательно со стабилитроном D2 включают светодиод и тогда при наличии короткого замыкания этот светодиод светится, индицирует короткое замыкание.
Рассмотренные схемотехнические решения позволяют построить стабилизатор напряжения с любыми необходимыми характеристиками. Однако у компенсационных стабилизаторов трудно получить коэффициент полезного действия более 50%. Это привело разработчиков источников питания к новым идеям в схемотехнике стабилизаторов напряжения.