Добавил:
student_tipo Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
10
Добавлен:
12.02.2014
Размер:
877.57 Кб
Скачать

37. Импульсные сигналы (ИС).

ИС могут быть различной формы: прямоугольные, пилообразные, экспоненциальные и т.п.

Применение ИС обусловлено большим КПД ИУ, более высокой точностью, меньшей зависимостью от температуры, большей помехоустойчивостью, а также простотой представления информации в импульсной форме. На применении ИС основана цифровая вычислительная техника. Реальная форма прямоугольного импульса в общем случае имеет вид:

Параметрами импульсов являются:

  • амплитуда;

  • длительность импульса;

  • длительность фронта;

  • длительность среза;

  • спад вершины;

амплитуда импульса UMопределяет наибольшее значение напряжения ИС. Длительность импульсаtИ – это продолжительность импульса во времени. Чаще всего ее измеряют на уровне половины амплитуды 0,5UM. ИногдаtИопределяется на уровне 0,1UM. При малых продолжительностях фронта и среза длительность импульса определяют по его основанию. Длительности фронта и среза –tФиtС– характеризуют время нарастания и спада импульса. Как правило,tФиtС определяются промежутками времени, изменение напряжения импульса между уровнями 0,1UMи 0,9UM. спад вершины импульсаи его относительная величина/UMхарактеризуют уменьшение напряжения на плоской части импульса. Чем меньшеtФ,tС и, тем ближе форма импульса к идеальному и тем выше КПД ИУ.

Параметрами последовательности импульсов являются:

  • период их следования T;

  • частота повторения f;

  • длительность паузы tП;

  • скважность Q;

  • коэффициент заполнения ;

Периодом повторения Т называется интервал времени между одинаковыми точками двух соседних импульсов, например, между началами.

Частотой повторения fназывается количество импульсов в единицу времени. Она является величиной, обратной периоду повторения:.

tП – интервал времени между окончанием предыдущего импульса и началом последнего:.

Q– скважность:.

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения :.

38. Ключевой режим работы транзистора.

Основой схем импульсной и цифровой техники является транзисторный ключ, т.е. каскад на транзисторе, работающем в двух режимах: насыщенный (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт). Транзисторный ключ может быть построен по схемам с ОБ, ОЭ и ОК, однако, наибольшее распространение нашел ключ по схеме с ОЭ. Его схема с транзистором p-n-p-типа и выходные характеристики с линией нагрузки имеют вид:

Линия нагрузки аб описывается уравнением: . А точки ее пересечения с ВАХ транзистора определяют напряжение на элементах и ток в выходной цепи.

Рассмотрим режим отсечки транзистора.

Это есть режим запертого состояния, осуществляется подачей на его вход напряжения «+» полярности (UBX> 0. На рисунке а без скобок). При этом эмиттерный переход транзистора запирается и егоIЭ = 0, а через резисторыRKиRБпротекает обратный тепловой ток коллекторного переходаIK0. этому режиму на ВАХ соответствует точкаMЗ(рис. б). Значение токаIK0 является параметром режима отсечки. Чем он меньше, тем лучше. Величину запирающего напряженияUBX+выбирают из условия, чтобы при протеканииIK0 черезRБвыполнялось соотношение:

(1).

Рассмотрим режим насыщения транзистора (открытого состояния).

Он достигается подачей на вход транзистора напряжения противоположной полярности (UBX< 0, на рис. а в скобках) и заданием определенной величиныIБ. Этому режиму на ВАХ соответствует точка М0. при увеличении отпирающегоIБ( от нулевого значения) рабочая точка из положения МЗбудет перемещаться вверх по линии нагрузки,IК расти, а напряжениеUКЭ– уменьшаться. До некоторой величины (IБ нас) будет сохраняться пропорциональная связь междуIК иIБ:

(2),

где - статический или усредненный коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ (а не дифференциальный, характеризующий режим малого сигнала).

Полному открытию транзистора при iБ =IБ нассоответствует точка М0на ВАХ. При этом через него и через резисторRКпротекает ток:

(3),

где UКЭ наспадение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это напряжение в зависимости от типа транзистора лежит в пределах от 50млВ до 1В, поэтому можно считать, что:

(4).

Отсюда IБ, при котором транзистор полностью открыт и насыщен:

(5).

При дальнейшем увеличении IБостаточное напряжениеUКЭ насостается практически неизменным, т.к. все коллекторные характеристики приIБ>IБ наспроходят через точку М0. Режим работы открытого транзистора приiБ>IБ насназывается насыщенным, а отношениеS=IБ / IБ нас– коэффициентом насыщения транзистора. В режиме насыщения транзистор устойчив к воздействию входных помех и изменение коэффициента, например, с температурой. Коэффициент насыщения в связи с этим выбирается в пределах от 1,5 до 3.

39. Импульсный режим ОУ. Компараторы.

При использовании ОУ в импульсном режиме на его входы подаются напряжения, превышающие их при работе в линейном режиме, поэтому выходное напряжение ОУ в импульсном режиме равно его максимально возможной величине UВЫХ+ илиUВЫХ-.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого UВХс опорнымUОП.

Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине и полярности напряжение, а входное изменяется во времени. При достижении UВХуровняUОПпроисходит изменение полярности выходного напряжения ОУ. ПриUОП= 0 компаратор осуществляет фиксацию момента переходаUВХчерез 0. в этом случае его еще и называют «нуль органом».

На рис. а приведена схема компаратора, на рис. б – диаграммы его работы, на рис. в – передаточная характеристика компаратора.

Выходным напряжением ОУ U0является:U0=UВХ–UОП, поэтому приUВХ<UОП, т.е.U0< 0, выходное напряжение ОУ:UВЫХ=UВЫХ+, а приUВХ>UОП, т.е. приU0> 0 :UВЫХ= -UВЫХ-.

За счет большого коэффициента усиления ОУ малейшая разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, т.е. между UВХиUОП, приводит к скачкообразному изменению полярности выходного напряжения ОУ.

При изменении подключения входного и опорного напряжений по входам произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора (пунктир на рис. в).

40. Триггер Шмитта на основе ОУ.

Триггером Шмитта на основе ОУ называется компаратор с гистерезисом передаточной характеристики. Это устройство также называют «пороговым».

Триггер Шмитта на ОУ реализуется при охвате его ПОС-ю по неинвертирующему входу. Его схема и передаточная характеристика имеют вид:

Переключение триггера Шмитта в состояние UВЫХ- происходит при увеличенииUВХ до напряжения (порога срабатывания)UСР, а в состояниеUВЫХ+при уменьшенииUВХдо напряжения (порога отпускания)UОТП. Учитывая, чтоU0= 0 в моменты переключений, найдемUСРиUОТП:

откуда ширина зоны гистерезиса (на рис.в – UГ):

Если UОП=0, то напряжение

т.е. ширина зоны гистерезиса не изменилась, а UСРиUОТПимеют разный знак. Т.о., передаточная характеристика в этом случае имеет вид:

Такая схема является основной для построения генераторов импульсов на ОУ. Важнейшими параметрами ОУ, работающего в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного импульса напряжения.

41. Симметричный мультивибратор на основе ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы и имеющих 2 неустойчивых состояния. Мультивибраторы, как правило, используются в качестве задающего генератора, выходные импульсы которого несут какую-либо информацию. Информацией может служить частота импульсов или их период, длительность импульсов или их скважность, моменты формирования фронта или среза импульса.

Симметричным мультивибратором (СМВ) называется мультивибратор, генерирующий импульсы, длительность tИравна длительности паузtП. Основой СМВ на ОУ служит компаратор с ПОС и нулевымUОП.

Схема СМВ и диаграммы его работы имеют вид:

Автоколебательный режим работы создается за счет подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи, состоящей из резистора Rи конденсатораC.

Принцип действия СМВ: пусть в момент времени t0UC–UR1=U0> 0, тогдаUВЫХ= -UВЫХ-. На резистореR1 напряжение:

Отрицательное напряжение на выходе ОУ обуславливает экспоненциальный заряд конденсатора С через резистор Rс полярностью, указанной на рис. а без скобок. В момент времениt1напряжение на конденсаторе СUСдостигает величиныUR1и напряжениеU0 меняет полярность. Это обуславливает скачкообразное изменение полярности на выходе ОУ на положительную:UВЫХ= +UВЫХ+.UR1также меняет свою полярность:. В этом случаеU0< 0, а выходное напряжение поддерживается положительным.

С момента времени t1конденсатор С перезаряжается черезRот уровняна положительное напряжение под действием напряженияUВЫХ+.

В момент времени t2UCдостигаетUR1. При малейшем превышенииUСнадUR1напряжениеU0становится положительным, что вызывает смену полярности напряжения на выходе ОУ на отрицательную.

Далее процессы повторяются

Частота импульсов СМВ:

(1)

Процесс перезаряда конденсатора С через резистор Rпод действием источника напряжения в интервале [t1;t2 ] описывается уравнением:

(2) , где - постоянная времени перезаряда конденсатора С.

(3).

Подставляем значения напряжений в формулу (2):

(4).

Учтем, что в момент времени t2:, найдем длительность импульсаtИ =t2–t1:

, откуда:

(5), а частота импульсов:

Ток IKравен сумме приведенных к коллекторной обмотке трансформатора токов базы и нагрузки:

(2)

На этапе регенерации , гдеUWk– напряжение наWК,rBX– входное сопротивление транзистора, а. Подставим (2) в (1), с учетом формул дляIБиIНи найдем условие, необходимое для развития прямого блокинг-процесса:

(3)

Длительность фронта импульса, tФ=t2–t1в блокинг-генераторе составляет доли микросекунды. В течение интервала [t2,t3] =tИтранзистор находится в насыщении, т.е., аIК , протекающий черезWK, равен сумме трех составляющих: приведенного к коллекторной обмотке тока нагрузкии тока базы, а также тока намагничивания, т.е.(4).

обусловлен приложенным к обмотке напряжением EKформой петли гистерезиса сердечника и индуктивностьюLKобмоткиWK. ВеличинуLKвыбирают так, чтобы амплитуда. При этомизменяется почти по линейному закону, что обуславливает постоянство величиныUHв течениеtИ. В интервалеtИконденсатор С заряжается от цепи +WБ– общая шина – эмиттерный переходVT1 – С –R– (-WБ ).

IБубывает по экспоненциальному закону. Длительность импульса зависит от величинR,rBX,C,nБ,.

В момент времени t3транзистор выходит из насыщения, а в интервале [t3;t4] =tСРЕЗАприблизительно =tФРОНТАразвивается обратный блокинг-процесс, заканчивающийся запиранием транзистора. Закрытое состояние поддерживается запирающим напряжением конденсатора С, прикладывающимся черезRиWБкVT1.

При запирании VT1 наWKвозникает ЭДС самоиндукции, препятствующее уменьшению, диодVD2 открывается и энергия, запасенная в магнитном поле импульсного трансформатора рассеивается наR1.

Ток уменьшается с постоянной времениLK/R1 и в момент времениt5становится равным 0. величина выброса напряжения наWK:. ВеличинуR1 выбирают небольшой порядка десятков Ом из соображения сниженияUВЫБР.

Т.к. .

Без цепи VD2 –R1UВЫБРдостигает нескольких десятков Вольт. Транзистор вновь открывается, когдаUCприблизительно = 0.

Длительность паузы определяется емкостью конденсатора С и величиной суммарного сопротивления R+RБцепи разряда конденсатора.

БГ, как и МВ, может работать в режимах синхронизации, деления частоты и ждущем режиме. На его основе синтезирован «двухтактный БГ» или «генератор Роера».

42. Несимметричный мультивибратор на основе ОУ.

Он характеризуется тем, что длительность импульса не равна длительности паузы. Это достигается введением различных постоянных времени перезаряда во время импульса и паузы. Схема несимметричного мультивибратора и диаграмма его выходного напряжения имеет вид:

Различные постоянные времени получаются при введении неодинаковых по величине резисторов и, тогда при «+» полярностиUВЫХоткрыт диодVD1 и постоянная времени равна, а при «-» полярности ток приводит диодVD2 и.UВЫХпри<имеет вид, приведенный на рис. е. ДлительностиtП иtИвычисляются по уравнению (7) с подстановкойисоответственно, а частота по формуле:

. Регулировка скважности импульсов может осуществляться установкой переменного резистора вместо (на рис. д пунктиром). При этомtИ =const.

Дополнительный резистор RДнеобходим для ограничения выходного токаDA1 при= 0. Регулирование скважности при постоянной частоте импульсов может осуществляться по схеме(Ж):

+ =R

43. Одновибраторы на основе ОУ.

Одновибратором (ОВ) называется генератор импульсов прямоугольной формы с двумя состояниями, одно из которых неустойчивое, а другое – устойчивое.

Исходное состояние – устойчивое, в нем ОВ может находиться сколь угодно долго, поэтому его называют режимом ожидания, а ОВ еще и ждущим МВ (мультивибратором).

В неустойчивое состояние ОВ переходит при воздействии внешнего короткого запускающего импульса и находится в этом состоянии в течение длительности импульса tИ, определяющегося параметрами внешних навесных элементов (резисторов и конденсаторов), затем ОВ вновь переходит в устойчивое состояние. Наиболее распространенная схема ОВ и диаграммы его работы имеют вид:

Основой этой схемы служит схема по рис. а, который параллельно конденсатору С подключен к диоду VD1, за счет чего и создается ждущий режим работы. Для указанной на рис. з полярности подключения диодаVD1 запускающий импульс должен быть «+» полярности.

В исходном состоянии напряжение на выходе ОУ равно – UВЫХ, поэтому:

.

А напряжение UСравно падению напряжения на открытом диоде, т.е.UС приблизительно равно 0.

При подаче в момент времени t1запускающего импульса «+» полярности, ОУ переводится в состояние сUВЫХ=UВЫХ+, в этом случае, а конденсатор С начинает заряжаться через резисторRс полярностью, уже указанной на рис. з.

Напряжение UСасимптотически стремится к величинеUВЫХ+, но при малейшем повышении им напряженияUR1схема переходит в устойчивое состояние с напряжением на выходе ОУUВЫХ= -UВЫХ-. Под воздействием этого напряжения конденсатор С разряжается до нуля в интервале времени [t2 , t3], называемым временем восстановленияtВв исходное состояние. В течение длительностиtИнапряжениеUСизменяется по формуле:

(12), где .

В момент времени t2, т.е. по окончании импульса,, откуда находим длительность импульса:

(13)

В течение интервала [t2, t3]UСизменяется по формуле (2), где, а, откуда:

(14).

В момент времени t3,UС(t3) = 0, откуда:

(15).

При UВЫХ+=UВЫХ-, получим:

(16)

Сравним формулы (13) и (16), в них:

Для сокращения tBпараллельно резисторуRвводят цепочкуVD2 и в этом случае(разряда):или вводят транзистор, параллельно конденсатору С вместо диодаVD1.

44. Блокинг-генераторы.

Блокинг-генераторы предназначены для формирования импульсов тока прямоугольной формы, относительно большой величины (до 2А) и малой длительности (от единиц мкс до нескольких сотен). Они применяются в схемах развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, в схемах формирования управляющих импульсов тиристорами и т.д.

Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный глубокой ПОС с помощью импульсного трансформатора. Выходной импульс формируется при насыщенном состоянии транзистора, в котором он удерживается в течение длительности импульса цепью ПОС.

Срез импульса формируется при выходе транзистора из насыщения вследствие уменьшения тока базы, либо из-за увеличения тока коллектора. В соответствии с этим различают две разновидности блокинг-генераторов: с времязадающим конденсатором в цепи ПОС и с насыщающимся трансформатором. Наибольшее распространение нашел блокинг-генератор с конденсатором в цепи ОС, схема которого имеет вид:

Транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, ПОС осуществляется через вторичную базовую обмоткуWБс коэффициентом трансформацииnБ=WK/WБ, конденсатор С и резисторR, ограничивающие ток базы. РезисторRБнеобходим для создания цепи перезаряда конденсатора С и заданияIБв режиме покоя. Выходной сигнал снимается либо с коллектораVT1, либо, в случае необходимости потенциального разделения генератора и нагрузки, или изменения величины напряжения наRH, с нагрузочной обмоткиWH, связанной сWКкоэффициентом трансформации:nН=WK/WН. ДиодVD1 необходим для исключения попадания на нагрузку напряжения «-» полярности, возникающего при выключении транзистора. ДиодVD2 и резисторR1 защищают транзисторVD1 от перенапряжений.

Диаграммы работы блокинг-генераторов:

На интервале времени [t0,t1] транзистор закрыт, перенапряжение на его коллекторе равно –EK, напряжения на обмотках равны 0. этот режим транзистора определен запирающим напряжением на конденсаторе С, возникающим на нем во время формирования импульса. До моментаt1конденсатор перезаряжается от цепи. Общая шина +ЕК, обмоткаWБ, С,Rи – (- ЕК). В момент времениt1UCприблизительно = 0 и начинается отрываниеVT1. из-за наличия ПОС процесс отпиранияVT1 протекает лавинообразно и называется процессом регенерации или прямым блокинг-процессом. В момент времениt1напряжениеUБЭстановится отрицательным и начинают протекать токи базы и коллектора, аUКЭуменьшается по абсолютной величине, появляется напряжение на коллекторной обмоткеWK, оно трансформируется вWБ. За счет позировки обмоток (рис.а) наWБформируется напряжение, вызывающее увеличениеIБ. Его рост вызывает увеличениеIК, уменьшениеUКЭи увеличениеUWkиUWб. Процесс заканчивается в момент времениt2переходом транзистораVT1 в режим насыщения.

Для развития регенеративного процесса необходимо выполнить условие насыщения транзистора, т.е. (1).

45. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН). ГПН на одном транзисторе.

ГПН или генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначены для формирования напряжения соответствующей формы, которая используется для развертки электронного луча по экрану ЭЛТ (электронно-лучевых трубок) для получения временных задержек импульсов, модуляции импульсов по длительности и т.д.

Пилообразное напряжение (ПН) может формироваться как одной полярности, так и обеих, а также может быть как нарастающим, так и спадающим.

ЛИН характеризуется параметрами:

  • амплитудой UM;

  • длительностью рабочего хода tРХ;

  • длительностью обратного хода tОХ;

  • коэффициентом нелинейности (1),

где и- скорости изменения напряжения во времени, т.е. производные, соответственно в начале и в конце рабочего участка.

Наиболее распространено ввиду простоты реализации формирование ЛИН путем заряда и разряда конденсатора через резистор. В этом случае напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненциальному закону:

(2), где - постоянная времени зарядной цепи, которая выбирается намного больше времениtРХ.

Т.к. производная , то коэффициент нелинейностипо формуле (1) может быть найден по величинам тока через конденсатор в начале и в конце рабочего хода:

(3).

Принципиальная схема ГПН, использующего начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, и диаграммы напряжений имеют вид:

На интервалах паузы tПвходного напряжения диаграммы б. происходит разряд конденсатора С и поддержание на нем напряжения, близкого к 0, т.к. в течениеtПтранзисторVT1 находится в режиме насыщения за счетIБ, протекающего черезRБ.

Линейно изменяющееся напряжение формируется, когда транзистор заперт входным импульсом отрицательной полярности длительностью tPX. Для данной схемы.

Т.е. чем ниже использование напряжения источника питания, тем ниже нелинейность формируемого напряжения.

46. ГПН со стабилизацией тока заряда.

Для из (3), что необходимо задержать конденсатор постоянным во времени током. Для этого в цепи заряда конденсатора устанавливается токостабилизирующий элемент, выполняемый обычно транзистором, включенным по схеме с ОБ или ОЭ. Принцип стабилизации тока основан на свойствах коллекторных ВАХ транзистора, согласно которымIK, т.е. ток заряда, слабо зависит от напряженияUКБилиUКЭиIЭ=constилиIБ=const. Схемы со стабилизацией тока заряда позволяют полнее использовать напряжение питания. При этомUMблизко к ЕК, адостаточно мал.

Примером построения такого ГПН является схема:

В этой схеме с помощью стабилитрона VD1и резистораRЭзадается постоянный ток эмиттераVT2.

и соответственно ток заряда конденсатора С: .

В интервале tПтранзисторVT1 открыт и насыщен через резисторR1 и через него протекает токIK1=IK2, а напряжение на конденсаторе С близко к 0. При воздействии входного напряжения отрицательной полярностиVT1 заперт, токiCзар=IK2, алинейно увеличивается. Величина отношенияIK2/Cвыбирается из требований к значениюUM. ПриUMприблизительно равном ЕКполучаем:. При холостом ходе ГПН линейность выходного напряжения очень велика.

При подключении нагрузки часть зарядного тока будет ответвляться в цепь RH, причем с увеличениемUCэтот ток будет расти. Поэтому подключение нагрузки вызывает существенное снижение линейности напряжения и уменьшение амплитудыUM. Поэтому такие схемы применяют с высокоомной нагрузкой, либо подключают через эмиттерный или истоковый повторитель.

47. ГПН на основе ОУ.

В настоящее время генераторы с малым коэффициентом нелинейности (менее 0,01) и низкоомным выходом строятся на основе ОУ, включенных, как правило, по схеме интегратора. Одна из таких схем и диаграммы ее работы имеют вид:

В этой схеме выходное напряжение представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конденсаторе С. ОУ охвачен как ООС (R1,R2, источник Е0), так и ПОС (R3,R4, источник Е3). Управление работой ГПН осуществляется с помощью транзистораVT1cнапряжениемUКЭ насприблизительно = от 50 до 300 мкВ. При подаче на его базу входного импульсаUBXдлительностьюtП(рис. 2б) транзистор насыщается, конденсатор С разряжается практически до 0 в течение времени обратного ходаtOX(рис. г). В интервалеtPX=t2–t1ОУ работает в линейном режиме. При допущении, чтоUДИФ=U0= 0, имеем:U-=U+=UC. Тогда для протекающего по цепи ООС тока справедливо:, откуда:

(4).

Сумма токов в цепи ПОС равна нулю, поэтому (5). Подставим (4) в (5) с учетом того, что, получим:

(6).

Линейность UCзависит от соотношения сопротивлений резисторов, определяющих сомножитель приUCв (6). ПриR3 > (R1R4) /R2 иR3 < (R1R4) /R2 кривая напряженияUCполучается соответственно вогнутой или выпуклой формы, а приR2 /R1 =R4 /R3 (7) напряжение на конденсаторе изменяется линейно во времени:

(8)

Выражение (8) с учетом (7) имеет вид:

(9).

Отсюда следует, что для схемы на рис.2 ЕЗ>E0, поэтому получается нарастающее линейное напряжение.

48. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН). Классификация и параметры.

Для питания электронных устройств используются источники питания, к стабильности напряжения которых предъявляются высокие требования. Для удовлетворения этих требований в качестве источников электропитания электронной аппаратуры используют стабилизаторы напряжения. По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные. В первом типе ПСН используется постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Примером такого прибора является стабилитрон. Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке. По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия.

В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме и стабилизация выходного напряжения осуществляется непрерывно за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке изменением напряжения на РЭ.

В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом, режиме. В импульсном ПСН энергия поступает от источника прерывисто. При этом возможно 2 режима регулирования напряжения на нагрузке: 1. при постоянной частоте; 2. при постоянной длительности импульсов изменением их частоты.

Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием:

  • в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего транзистора;

  • более высокий КПД;

Недостатки:

  • большая величина пульсации UВЫХ;

  • большая сложность схемы;

  • плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки.

ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации, низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке, а во вторых – последовательно с ней.

Параметрами ПСН являются:

1. коэффициент стабилизации КСТ, показывающий во сколько раз отношение приращения напряжения на выходе ПСН меньше вызвавшего его относительно приращения напряжения на входе..

2. Выходное сопротивление RВЫХ, характеризующее величину изменения выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки:приUBX=const.

3. Дрейф выходного напряжения и тока, возникающий при неизменных величинах как UВХ, так иIВЫХ.

Как правило, величина дрейфа соотносится либо с температурой, либо со временем работы стабилизатора и измеряется как приращение UВЫХилиIВЫХв заданном диапазоне температур или за единицу времени.

4. Коэффициент КПД. Он характеризует собой отношение мощности, выделяемой нагрузке в номинальном режиме к мощности, потребляемой из сети: .

5. Допустимый диапазон регулировки выходного напряжения и тока, внутри которого сохраняется заданная степень их стабилизации. ;

6. Коэффициент пульсации выходного напряжения, равный отношению амплитуды пульсаций к среднему значению UВЫХ:.

49. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.

По сравнению с параметрическими компенсационные ПСН имеют более высокий коэффициент стабилизации и меньшее выходное сопротивление. Их принцип действия основан на том, что изменение напряжения на нагрузке усиливается и подается на РЭ, препятствующий изменению напряжения на нагрузке.

Структурные схемы параллельного и последовательного компенсационных ПСН имеют вид:

На структурных схемах:

  • РЭ – регулирующий элемент;

  • У – усилитель постоянного тока;

  • RH– нагрузка;

  • ИОН – источник опорного напряжения, т.е. это источник неизменного во времени и с широком интервале температур напряжение;

  • RБ– баластный резистор.

Общий принцип действия стабилизатора напряжения заключается в воздействии на РЭ управляющей схемы, состоящей из усилителя У и источника ИОН. В функцию усилителя входит усиление разности напряжения на RHи ИОН и подача усиленного сигнала на РЭ.

В схеме параллельного стабилизатора напряжения (СН) стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется, как и в параметрическом СН, путем изменения напряжения на RБза счет изменения тока РЭ. При неизменном входном напряжении постоянству напряжения нагрузки соответствует постоянство напряжения наRБ. Изменению тока нагрузки от 0 доIHmaxсоответствует изменение тока РЭ отIHmaxдо 0.

В схеме последовательного СН стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением напряжения на РЭ, т.е изменением сопротивления РЭ, а ток РЭ равен IH.

Наличие РЭ в обеих схемах СН обуславливает потери энергии в них. Сравним эти схемы по КПД, исходя из одинаковых условий работы по UBX,UНиIH, а также учитывая, что потеря энергии в усилителе и ИОН значительно меньше, чем вRБи РЭ. Для параллельного СН определяющими являются потери вRБи РЭ, т.е.

.

Для последовательного СН определяющими являются потери в РЭ:

, т.е. на величину UBXIPменьше, чем в схеме параллельного СН.

Т.о., КПД последовательных СН существенно выше, чем параллельных. В связи с этим последовательные СН нашли большее распространение. Достоинством параллельных СН является их некритичность к перегрузкам по току и КЗ в нагрузке. В настоящее время разработано большое количество схем электронной защиты от КЗ и перегрузок для последовательных СН.

50. Простейший транзисторный стабилизатор.

Схема простейшего последовательного компенсационного СН имеет вид:

В этой схеме роль ИОН выполняет стабилитрон VD1, а роль сравнивающего РЭ выполняет транзисторVT1. Выходное напряжениеUH=UCT–UЭБ.

эквивалентная схема

При отсутствии дестабилизирующих факторов транзистор работает в активном режиме, напряжение UЭБсоставляет 0,1 – 0,3 В для германиевых и приблизительно 1В для кремниевых транзисторов, т.е.UHприблизительно равноUCT.

Принцип действия СН следующий:

Пусть UHуменьшилось. В этом случае напряжениеUЭБ, равноеUСТ-UH, увеличивается, ток базы повышается,UКЭуменьшается на столько, чтоUHувеличивается до первоначального значения.

Аналогично работает схема при повышении UH.

Параметры СН определим с помощью его схемы замещения.

1. выходное сопротивление – оно равно выходному сопротивлению эмиттерного повторителя и при достаточно больших rKиRБсоставляет:.

2. коэффициент стабилизации по напряжению можно рассчитать по следующей приближенной формуле: .

Отношение , где- коэффициент использования входного напряжения. С его учетом получаем:. И для рассмотренной схемы КСТ Uприблизительно равняется от 150 до 300.

  1. КПД стабилизатора напряжения: .

Для реальных схем IRБ<<IH, поэтому. Величина сопротивленияRБрассчитывается по формуле:.

51. Построение регулирующих элементов ПСН.

Рассмотренная схема простейшего ПСН используется на токе нагрузки до 300мА. При больших токах нагрузки возникают трудности получения больших коэффициентов стабилизации, т.к. приходится уменьшать сопротивление RБ, а коэффициент(мощность транзисторов) сравнительно мал.

Усиление тока УПТ (усилитель постоянного тока) достигается применением составных транзисторов.

IБVT1:

при

Эта схема имеет недостаток, заключающийся в достаточно большом напряжении UКЭ3:UКЭ3=UКЭ1+UБЭ2+UБЭ3, что обуславливает большие потери в транзистореVT3.

Для уменьшения этих потерь применяют схему симметричного РЭ:

Для симметричного РЭ: UКЭ3=UКЭ1+UБЭ2 может достигать минимального значения в 1 – 1,5 В, чем достигается значительное повышение КПД ПСН по сравнению с несимметричной схемой РЭ.

52. Стабилизаторы напряжения на основе ОУ.

Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор.

Принципиальная схема ПСН на основе ОУ имеет вид:

РЭ выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУDA1.

Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитронеVD1, служащему источником опорного напряжения. С делителяR3,R4,R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базеVT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включенииVT1 по схеме с ОЭ.

Резистор R1 служит для ограничения выходного тока ОУ, а с помощью резистораR4 можно регулировать выходное напряжение ПСН.

На входе стабилизатора включается конденсатор С1большой емкости для сглаживания пульсации входного напряжения при условии питания его от выпрямителя.

Работа приведенной схемы осуществляется следующим образом: потенциал эмиттера VT1 равен выходному напряжению, следовательно, для нормальной работы транзистораVT1 потенциал его базы должен быть выше на 0,6 – 1 В, чем выходное напряжение. В результате питание ОУ должно быть на 2 – 3 В больше потенциал базы и на 3 – 5 В больше выходного напряжения. Поэтому плюс питания ОУ подключен не к стабилизированному плюсу выходного напряжения, а к плюсу входного напряжения, которое также должно быть выше выходного на 3 –5 В, что обуславливает достаточно большие потери на РЭ.

Вторая причина подключения «+» питания ОУ не к «+» выходного напряжения заключается в том, что при этом стабилизатор не запустится, т.к. без питания ОУ не выдает выходного напряжения и транзистор VT1 остается запертым. В номинальном режиме, когда выходное напряжение равно заданному, напряжение между выходами ОУ приблизительно равно 0. предположим, что выходное напряжение по какой-либо причине уменьшилось. Напряжение на неинвертирующем входе, равное напряжению стабилизацииVD1, останется практически неизменным, а на инвертирующем входе уменьшится, т.е. его потенциал станет ниже потенциала на неинвертирующем входе.

Отрицательное приращение напряжения на инвертирующем входе усиливается операционным усилителем и инвертируется, поэтому изменение выходного напряжения ОУ имеет положительный знак, т.е. потенциал базы VT1 увеличивается, токи базы, коллектора, эмиттера возрастают,UКЭпадает, а выходное напряжение стабилизатора увеличивается до прежнего заданного значения.

Аналогично происходит стабилизация выходного напряжения при его повышении, только приращения токов и напряжений имеют противоположный знак. Для дополнительного сглаживания пульсаций параллельно делителю R3 –R5 устанавливают конденсатор емкостью в несколько десятков мкФ. Из условияU0= 0 в номинальном режиме работы ПСН найдем величину выходного напряжения:

Из схемы ПСН видно, что регулирование выходного напряжения не может быть ниже UОП, т.к. в этом случаеVD1 перестанет стабилизировать напряжение.

53. Двухполярные ПСН на основе ОУ.

Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН, построенных по рассмотренной схеме:

Для такого сдвоенного ПСН необходимы потенциально развязанные обмотки трансформатора и 2 выпрямительных моста, т.е. аппаратурные затраты достаточно велики. Несколько снизить их позволяет построение второго ПСН по схеме стабилизации минусовой шины питания.

В таком ПСН стабилизация напряжений положительной и отрицательной полярностей осуществляется независимо, т.к. при снижении одного из напряжений второе остается неизменным. Такое регулирование имеет недостаток: в этом случае общая шина перестает быть средней точкой выходного напряжения, т.е. половиной общего суммарного выходного напряжения. От такого недостатка избавлены ПСН, построенные по схеме «ведущей – ведомой». Такая схема имеет меньшие аппаратурные затраты и позволяет одним переменным резистором регулировать одновременно обе полярности выходного напряжения.

Эта схема отличается от предыдущей тем, что у нижнего по схеме ведомого ПСН отсутствует ИОН, а делитель в цепи инвертирующего входа состоит из двух одинаковых по величине резисторов, включенных на полное выходное напряжение. В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 –R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о.,UДИФ2=U02= 0. При уменьшении отрицательногоUВЫХ2потенциал инвертирующего входаDA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтомуUВЫХDA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются,UКЭVD2 падает, аUВЫХувеличивается до номинального значения.

При уменьшении положительного UВЫХ1из-за внешних факторов или за счет регулировки резисторомR4 потенциал средней точки делителяR7 –R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУDA2. его выходное напряжение становится более отрицательным. В результатеUБЭ2падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, аUКЭ2возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителяR7 –R8 не станет равным 0. это произойдет приUВЫХ1=UВЫХ2.

54. Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ в нагрузке.

Перегрузки по току в полупроводниковых ПСН возникают при недопустимом снижении сопротивления нагрузки и при КЗ выхода стабилизатора. При этом ток через РЭ увеличивается до недопустимой величины и он выход из строя. Впоследствии из строя могут выйти ОУ, выпрямитель, трансформатор. Для предотвращения выхода из строя элементов стабилизатора в его схему вводится защита по току. Структурная схема защиты имеет вид:

На схеме:

  • RS1 – шунт (датчик тока);

  • УПТ – усилитель постоянного тока;

  • ИУ – исполнительное устройство;

Работа защиты осуществляется следующим образом: в номинальном режиме работы стабилизатора через сопротивление нагрузки и шунт RS1 протекает токIHном, не превышающий величины тока защитыIЗ(установлен).

В УПТ ток через RS1 или пропорциональные ему падения напряжения наRS1 сравниваются с величинойUЗилиIЗи превышение тока черезRS1 надIЗвызывает появление сигнала на выходе УПТ и срабатывание ИУ, которое либо разрывает цепь нагрузки, выключая РЭ, либо подзапирает регулирующий транзистор. Т.о., защита может осуществляться двумя способами: 1. полное обесточивание нагрузки, т.е. отсечка тока нагрузки; 2. ограничение тока нагрузки на определенном уровне.

В качестве элементов защиты, как правило, используются полупроводниковые элементы и иногда электромагнитные реле.

Схема стабилизатора с защитой по второму способу имеет вид:

Защита с ограничением тока основана на форме входной характеристики кремниевого транзистора, имеющей вид:

Точка перегиба входной характеристики UПОР(пороговое) характеризует напряжение между базой и эмиттером, выше которого наблюдается быстрый рост тока базы, поэтому при превышении токомIHзначениеIЗ=UПОР/RS1,IБначинает резко увеличиваться,VD2 входит в насыщение, при которомUКЭ2приблизительно = 0, и шунтирует эмиттерный переходVT1 в запирающем направлении, поэтомуIЭVT1 не может превышать заданной величиныIЗ. В качествеVT2 необходимо выбирать кремниевый транзистор с частотными свойствами не хуже, чем уVT1. элементыRS1 иVT2 могут быть включены в общую шину питания.

Полное запирание РЭ по первому способу защиты можно осуществить, если базу VT1 подключить к общей шине стабилизатора через очень малое сопротивление. При этом в качестве элемента защиты можно использовать тиристорVS1 (транзисторный триггер). Схема будет иметь вид, изображенный пунктиром.

Соседние файлы в папке Экзамен распечатано