1.2.3. Графический расчет режима работы силового элемента

В схемах стабилизаторов в наиболее тяжелых условиях рабо­тают транзисторы, входящие в силовую цепь. Тяжелые условия ра­боты связаны с тем, что, во-первых, именно в этих элементах га­сится избыток мощности источника по отношению к мощности, потребляемой нагрузкой, и, во-вторых, их режиму работы свойст­венно непостоянство падения напряжения и тока. Все остальные элементы схемы стабилизатора могут питаться от уже стабилизи­рованного источника напряжения, а проходящий по ним ток неве­лик. Поэтому к выбору и определению режима работы транзистора, входящего в силовую цепь стабилизатора, следует подходить осо­бенно внимательно.

Электрический расчет любой сложной схемы стабилизатора содержит и два отличающихся по методике этапа. Один из них за­ключается в том, что на характеристиках нелинейного элемента (силового транзистора) находят ту область, в которой перемеща­ется рабочая точка (расчет режима). В данном случае широко при­меняют графические методы решения. Когда эта область найдена, можно с той или иной степенью приближения заменить нелинейный элемент линейной схемой замещения. Другой этап расчета заклю­чается в том, что на основе выбранной схемы замещения рассчиты­вают соотношения между изменениями выходного напряжения и приращениями дестабилизирующих факторов. Тут основное применение находят методы расчета линейных электрических цепей.

Из расчета режима работы можно получить сведения о диа­пазоне изменения напряжений и токов, в которых стабилизатор обеспечивает требуемую стабильность, а также о тепловом режиме самого элемента, что важно для обеспечения его целостности. Про­ведем графический расчет режима работы силовой цепи для про­стейших схем с последовательным включением транзистора (рис. 1.23).

а б
Рис.1.22. Простейшая силовая цепь компенсаци­онного стабилизатора с последовательным вклю­чением регулирующего элемента	Рис.1.24. Нестабильность входного напряжения

Нестабильность входного напряжения удобно задать двумя нагрузочными характеристиками источника Е₁, соответствующими, допустим, максимальному E_max и минимальному E_min значениям подводимого к выпрямителю переменного напряжения (рис. 1.24). Напряжение коллектор-эмиттер силового транзистора VT₁ равно разности между входным напряжением Е₁ и стабилизированным напряжением U. Отложив на входных характеристиках транзистора (зависимость тока коллектора I_К от напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ для различных токов I_Б базы влево от нулевой точки напряже­ние U (его можно считать в первом приближении постоянным), проведем прямую (рис. 1.25). От этой прямой отложим вправо на­пряжение Е₁, считая ток выпрямителя I_в равным сумме коллектор­ного тока I_К и тока I_с, потребляемого стабилитроном. Для схемы на рис. 1.23, а

Iв = Iу + Iс  IК

(1.2.17)

и для схемы рис. 1.23, б: I_в = I_K.

Рис. 1.25. Графический расчет режима работы компенса­ционного стабилизатора

Выполненное построение привело к наложению выходной характеристики источника Е₁ на характеристики транзистора, при­чем оси первой смещены влево на U и вниз на I_с. Ток стабилитрона обычно мал, и приближенно его можно считать нулевым.

Если провести две горизонтальные прямые, соответствую­щие токам I_н max и I_н min (ток нагрузки практически равен току кол­лектора), то можно определить область (заштрихована на рис. 1.25), в которой перемещается рабочая точки при изменениях входного напряжения и тока нагрузки.

На основе приведенного построения можно сделать следую­щие выводы:

 получить заданное напряжение U можно и при меньшем, чем в рассмотренном ранее примере (рис. 1.25), напряжении источ­ника Е₁, так как перемещение рабочей области влево еще не приво­дит к попаданию в нее участка характеристик транзистора, соот­ветствующего насыщению, и он работает в активной области;

 хотя правый верхний угол рабочей области и не выходит за пределы, ограничиваемые допустимой мощностью рассеяния на коллекторе, запас по мощности мал. Смещение влево рабочей об­ласти повышает запас, так как приводит к уменьшению напряже­ния на транзисторе;

 как показывает сравнение напряжения U_КЭmax с макси­мально допустимым напряжением между коллектором и эмиттером U_КЭдоп, запас по напряжению достаточен;

 по полученному диапазону изменения тока базы транзи­стора, являющегося током нагрузки опорного стабилитрона, можно правильно выбрать тип стабилитрона.

При оценке изменений тока базы необходимо обратить вни­мание на то, чтобы выбранный режим получался при положитель­ных токах базы транзистора, так как транзистор в данной схеме работает успешно лишь при открытом эмиттерном переходе. Кроме того, уменьшение напряжения источника E₁ возможно лишь в том случае, когда он является автономным, т.е. питает только ис­следуемый стабилизатор, и до тех пор, пока левый верхний угол рабочей области не подойдет вплотную к участку характеристики транзистора, соответствующему насыщению.

Построение рабочей области получилось простым, так как выходное напряжение было принято постоянным. Это допущение оправдывается, так как в результате построений найден такой ре­жим работы транзистора, при котором он успешно выполняет свои функции, т.е. поддерживает практически постоянным выходное напряжение. Для этого рабочая область должна на характеристиках транзистора целиком помещаться в активной области.

В схеме стабилизатора с параллельным включением регули­руемого резистора (рис. 1.26) в отличие от рассмотренной схемы с последовательным включением силовой транзистор подключен к в

Рис. 1.26. Компенсационный стабилизатор с параллельным включением регулирующего элемента

ыходной цепи, где напряжение по­стоянно. Это приводит к тому, что на характеристиках транзистора поло­жение рабочей точки при разных входных напряжениях и токах опре­деляется уже не областью, а линией, называемой траекторией. Прибли­женное определение траектории про­изводится просто при идеальном ис­точнике опорного напряжения, т.е. без учета обратной связи, соз­даваемой внутренним сопротивлением стабилитрона.

Для приближенного построения траектории рабочей точки разобьем схему на линейную и нелинейную части (рис. 1.27, а). Транзистор находится практически под постоянным напряжением

Uт = U  Eоп.

(1.2.18)

Это напряжение и определяет положение траектории на ха­рактеристиках транзистора (линия АВ на рис. 1.27, б).

Примерная вольтамперная характеристика выделенного не­линейного двухполюсника I_К + I_Б + I_д = f(U) в силу сделанных при­ближений превращается в вертикальную прямую АВ (рис. 1.27, в), причем ток коллектора всегда можно считать намного большим суммы токов базы транзистора I_Б и делителя I_д:

IК >> IБ + Iд,

(1.2.19)

что позволяет по вертикальной оси откладывать один ток коллектора.

На этой характеристике, как и на характеристике стабили­трона, можно найти две граничные точки, соответствующие мак­симальному и минимальному режимам, и тем самым определить рабочий участок. Максимальный ток коллектора получится при E_max и I_н min, а минимальный  при E_min и I_н max (точки М и N на рис. 1.27, в).

б

в

а

Рис. 1.27. Приближенное построение траектории рабочей точки силового

элемента в схеме с параллельным включением регулирующего элемента

Если в максимальном и минимальном режимах ток коллек­тора не выходит за допустимые для выбранного транзистора пре­делы, то стабилизатор успешно работает в определенном усло­виями задачи диапазоне изменений тока нагрузки и входного на­пряжения. Оценочные формулы для предельных режимов работы транзистора

IКmax = (Emax  U) /R3  Iнmin, IКmin = (Emin  U) / R3  Iнmax,

(1.2.20)

полученные на основе такого приближенного построения, позво­ляют в большинстве случаев правильно выбрать транзистор и на­пряжение Е для заданных пределов изменения тока нагрузки.

Необходимо отметить, что характеристики транзистора сме­щаются при изменении температуры p-n-переходов. Поэтому пра­вильную оценку пригодности выбранного транзистора и его ре­жима можно дать только в том случае, когда графические построе­ния выполнены и для максимальной, и для минимальной темпера­туры p-n-переходов.