Предисловие

Настоящее пособие составлено в соответствии с програм­мами курсов "Электропреобразовательные устройства" и "Элек­тропитание устройств и систем связи" для студентов заочной формы обучения направлений 654200 ("Радиотехника") и 654400 ("Телекоммуникации"), специальностей 200700 "Радиотехника" и 201000 "Многоканальные телекоммуникационные системы" и пред­назначено для использования в качестве учебно-методиче­ского материала при выполнении контрольной работы и при само­стоятельном изучении части теоретического курса.

Предполагается, что настоящее пособие – это первая часть серии учебно-методического материала, посвященного вопросам разработки функциональных узлов источников вторичного элек­тропитания и электропреобразовательных устройств. Необходи­мость подобного издания продиктована недостаточной обеспечен­ностью литературой по теме в библиотечных фондах университета.

В пособии основное внимание уделено вопросам расчета ли­нейных и импульсных стабилизаторов, приведены методики и примеры расчета параметрических, компенсационных и импульс­ных стабилизаторов. Несмотря на то, что наибольшее распростра­нение в практическом применении имеют интегральные стабилиза­торы, необходимо, чтобы будущие специалисты умели проводить расчет узлов электропитания, построенных на дискретной эле­ментной базе. Это даст возможность лучшего понимания вопросов построения разрабатываемых узлов электронной техники. Базовые методики расчета позволят достаточно просто проводить расчеты устройств и на основе интегральной техники, грамотно учитывать влияние различного рода дестабилизирующих факторов на работу устройств.

При подготовке учебного пособия были использованы мате­риалы монографий известных специалистов в области построения источников вторичного электропитания, таких как А.И. Иванов-Цыганов, Ю.И. Коняев, В.Г. Костиков, Г.С. Найвельт, Г.Н. Сизых и др.

1. Стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием

1.1. Параметрические стабилизаторы

1.1.1. Общие положения

Электропитание маломощной аппаратуры с небольшим пре­делом изменения тока потребления обычно осуществляется от па­раметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опор­ного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах на­пряжения и тока.

Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применя­ются элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Одним из таких элементов является кремниевый стабили­трон, ВАХ которого показана на рис. 1.1.

Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 1.2. В этой схеме при изменении входного напряжения U_вх на ±U_вх ток через стабилитрон VD изменяется на I_ст, что приводит к незначи­тельным изменениям напряжения на стабилитроне (на ±U_н), сле­довательно, и на нагрузке. Значение U_н зависит от U_вх, сопро­тивления ограничивающего резистора R₀ и дифференциального со­противления стабилитрона r_ст. Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН на рис. 1.2 [5]:

K_ст1 = (U_вх / U_н)(U_н / U_вх)  (U_н / U_вх)(R₀ / R_н). (1.1.1)

Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Рис. 1.2. Схема однокаскадного параметрического стабилизатора

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в ос­новном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. На рис. 1.3 приведены зависимости U_ст маломощных стабилитронов от напряжения стабилизации для различных токов стабилизации I_ст. Из графиков видно, что при увеличении I_ст дифференциальное со­противление уменьшается и достигает минимального значения для стабилитронов с напряжением стабилизации (68) В.

Температурный коэффициент напряжения _н стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температуры. На рис. 1.4 приведена зависимость U_н от напряжения стабилизации. Для приборов с U_ст>5,5 В при повыше­нии температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (VD₂, VD₃ на рис. 1.5), у которых температурный ко­эффициент напряжения отрицательный. Однако при этом возрас­тает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопро­тивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направле­нии r_диф, которое зависит от выбранного типа диода и режима его ра­боты. Необходимо отметить, что термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение r_ст и пониженный коэффициент стаби­лизации.

Рис. 1.3. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от тока стабилизации

Рис. 1.4. Зависимость температурного коэффициента стабилитронов от напряжения стабилизации

Если требуется повышенная стабильность выходного напря­жения ПСН, то может быть применена двухкаскадная схема стаби­лизатора (на рис. 1.6). Предварительная стабилизация напряжения в нем, осуществляемая с помощью элементов R₀₁, VD₁ и VD₂, по­зволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения:

Kст2к = Kст1Kст2  (Uн / Uвх)R0Rн / [(rVD1 + + rVD2)(rVD3 + rVD4 + rVD5)],

(1.1.2)

где K_ст1, K_ст2  коэффициенты стабилизации первого и второго кас­кадов; r_VD, r_VD2, r_VD3, r_VD4, r_VD5  дифференциальные сопротивле­ния диодов и стабилитронов VD₁VD₅.

Рис. 1.5. Схема параметрического стабилизатора напряжения с термо­компенсирующими диодами

Рис. 1.6. Схема параметрического двухкаскадного стабилизатора

Температурный уход напряжения на нагрузке и внутреннее со­противление двухкаскадного ПСН такие же, как в схеме на рис. 1.5.

Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения достигается за счет значительного ухудше­ния КПД. Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 1.7 за счет применения в ней источника тока, выполненного на транзисторе VT, стабили­троне VD1 (вместо которого могут быть включены два диода, по­следовательно соединенных в прямом направлении) и резисторах R_Э и R_Б. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон VD₂ и тем самым резко уменьшить отклонения напря­жения на нагрузке при больших изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 1.2.

Рис. 1.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения с токоста­билизирующим двухполюсником

Рис. 1.8. Схема параметрического стабилизатора с эмиттерным повторителем

Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать тран­зистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в ба­зовой цепи, то мощность нагрузки может быть увеличена (рис. 1.8). При этом коэффициент стабилизации ПСН равен

K_ст =  / (1 + r_ст / R₀)  (U_н / U_вх), (1.1.3)

а внутреннее сопротивление

r_н = (R_i + r_ст / h_21Э) / (1 + ), (1.1.4)

где  = 1/[r_стU_н/(R₀U_ст)+(r_ст+r_Б+r_Э h_21Э)/r_К  r_ст/R₀]; R_i  (r_Э+r_Б/h_21Э); r_Б, r_Э, r_К, h_21Э  соответственно сопротивления базы, эмиттера, кол­лектора и коэффициент передачи тока в схеме ОЭ транзистора.

Такой ПСН при U_ст > 5,5 В по температурному уходу усту­пает стабилизаторам, приведенным на рис. 1.5 и 1.6.

В интегральных микросхемах широкое применение находит схема стаби­лизатора, в которую вместо гасящего резистора R₀ включен полевой транзистор (рис. 1.9, а). Такой стабилизатор имеет меньшую нестабильность по входному напряжению. Транзи­стор используется для имитации большего сопротивления измене­ниям тока.

Рис. 1.9. Схема параметрического стабилизатора с полевым транзистором

Так, сопротивление промежутка сток-исток транзистора эк­вивалентно сопротивлению для переменного тока:

R_0эк = 1/g_си,

где g_си — проводимость сток-исток транзистора.

Из-за малого наклона выходных характеристик полевого транзистора проводимость g_си мала и эквивалентное сопротивление переменному току оказывается очень большим, а коэффициент не­стабильности по входному напряжению — малым:

k_E  r_i g_си

Сопротивление промежутка сток-исток постоянному току много меньше соответствующего дифференциального сопротивле­ния, и поэтому в такой схеме при меньших потерях мощности по­лучают лучший коэффициент нестабильности.