Аналоговый коммутатор с памятью

При сборе аналоговой информации и ее последующем преобразовании в цифровую часто бывает необходимо зафиксировать значение аналоговой переменной в некоторый момент времени. Это вызвано тем, что некоторые устройства могут давать непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования.

Если выходное напряжение аналогового коммутатора в состоянии «включено» точно равно входному напряжению, а в состоянии «выключено» выходное напряжение остается равным тому, каким оно было в момент выключения, то такой аналоговый коммутатор называется аналоговым коммутатором с памятью или устройством выборки – хранения (УВХ). Эти устройства входят в состав аналого-цифровых преобразователей, могут выполняться с использованием операционных усилителей или в виде отдельной интегральной микросхемы (например, КР1100СК2).

В качестве запоминающего элемента в УВХ используется конденсатор. Работа УВХ состоит из двух этапов. На этапе выборки через замкнутый последовательный ключ конденсатор заряжается до величины входного напряжения. На этапе хранения при разомкнутом ключе напряжение на конденсаторе остается неизменным, если будет отсутствовать разрядный ток утечки.

В режиме выборки основным параметром УВХ является время выборки. Временем выборки называется интервал времени, в течение которого образуются выборочные значения напряжения на запоминающем конденсаторе.

В режиме хранения основным параметром УВХ является скорость изменения выходного напряжения, которая характеризует погрешность УВХ в режиме хранения. Обычно этот параметр определяется скоростью разряда запоминающего конденсатора , где  - суммарный ток утечки. Спад выходного напряжения определяет время хранения напряжения с заданной погрешностью.

Время выборки зависит в основном от скорости заряда запоминающего конденсатора. Поэтому чем меньше емкость запоминающего конденсатора и меньше сопротивление цепи заряда, тем меньше время выборки. Однако при малой емкости запоминающего конденсатора уменьшается время хранения, так как происходит быстрая потеря заряда за счет разряда запоминающей емкости токами утечки. В этом случае компромиссным решением является применение двухкаскадных УВХ (рис. 3.18).

В этой схеме УВХ1 является быстродействующей устройством с малым временем выборки, что обеспечивается относительно небольшой емкостью конденсатора С₁. УВХ2 обеспечивает большое время хранения за счет установки конденсатора С₂, имеющего существенно большую емкость.

Рис. 3.18

При переходе от режима выборки к режиму хранения основными параметрами УВХ являются: апертурное время и погрешность переключения. Апертурное время представляет собой интервал времени, в течение которого сохраняется неопределенность между образовавшимся выборочным значением сигнала и моментом времени к которому оно действительно относится. Это время иногда называют апертурной задержкой. Переход от режима выборки к режиму хранения происходит при подаче соответствующего сигнала управления. Этот сигнал управления через паразитные емкости наводит помехи на запоминающий конденсатор и изменяет результат выборки. Это изменение результата выборки называется погрешностью переключения.

При переходе от режима хранения к режиму новой выборки основным параметром является время установления, которое характеризует длительность переходного процесса, после поступления управляющего сигнала, разрешающего выборку.

Таким образом, основными требованиями, которым должна отвечать схема УВХ, являются:

- минимальное время выборки, обеспечиваемое при сопротивлении источника входного сигнала и сопротивлении замкнутого ключа, равном нулю;

- максимальное время хранения, обеспечиваемое бесконечно большим сопротивлением разомкнутого ключа.

В связи с этим для реализации базовой схемы УВХ целесообразно использовать для коммутации запоминающей емкости последовательный ключ на полевом транзисторе (рис. 3.9), на входе и выходе которого установлены операционные повторители. Такая схема УВХ приведена на рис. 3.19.

Рис. 3.19

Первый повторитель на операционном усилителе DA1 устраняет влияние сопротивления источника входного сигнала на заряд запоминающей емкости в режиме выборки. Второй повторитель на DA2 устраняет влияние сопротивления нагрузки на разряд запоминающей емкости в режиме хранения. Кроме того, для уменьшения токов утечки в качестве DA2 следует выбирать операционный усилитель, у которого входной каскад выполнен на полевых транзисторах.

Уменьшение погрешностей, обусловленных наличием операционных усилителей (смещение нуля, дрейф входного тока, температурный и временной дрейфы) осуществляется введением общей отрицательной обратной связи (рис. 3.20), охватывающей всю схему – с выхода DA2 на вход DA1.

Рис. 3.20

Когда ключ находится в состоянии «включено», потенциал выхода DA1 устанавливается таким, что U_вх=U_вых. При этом напряжение смещения, возникающее из-за наличия ключа и операционного усилителя DA2, сводится к нулю. Диоды VD2 и VD3 в этом состоянии схемы заперты. При запирании ключа выходное напряжение остается неизменным. Резистор R₁ и диоды VD2 и VD3 предотвращают насыщение операционного усилителя DA1 в этом состоянии схемы. Эта цепь необходима для того, чтобы нормировать время выборки при замыкании ключа.

Глава 4. Источники вторичного электропитания

4.1. Классификация и структура источников

вторичного электропитания

Вторичные источники электропитания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. Вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество – от генераторов, аккумуляторов и т.д. Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя. Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники, поскольку надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вторичный источник электропитания. В дальнейшем будем называть источники вторичного электропитания просто источниками питания.

Основной характеристикой источника питания является внешняя или нагрузочная характеристика (рис. 4.1), представляющая собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки  источника питания.
	Рис. 4.1

Нагрузочная характеристика имеет рабочий участок от  до , в пределах которого .

Основными параметрами источника питания являются:

- номинальные значения напряжения  и тока ;

- рабочий диапазон по напряжению  и по току ;

- выходная мощность ;

- коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности ;

- температурный диапазон , в котором обеспечивается получение номинальных значений напряжения  и тока ;

Наиболее доступным первичным источником питания является силовая сеть переменного напряжения 220В, 50Гц. Типичная структурная схема вторичного источника при питании его от такой сети представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Обычно трансформатор является понижающим. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения, получаемого с выхода выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения (стабилизирует напряжение) на нагрузке, вызванные изменением напряжения питающей сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Источник питания с такой структурой называется источником питания без преобразования частоты. Такие источники питания используются достаточно широко, но их все чаще заменяют источниками с преобразованием частоты. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты объем сердечника трансформатора , работающего на частоте 50Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются достаточно большими.

Структура источника питания с преобразованием частоты приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3

В этих источниках питания напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1. На выходе сглаживающего фильтра 1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью так называемого инвертора. Инвертор представляет собой устройство, осуществляющее преобразование низкочастотного напряжения в высокочастотное напряжение (обычно используют частоты в десятки килогерц). Затем напряжение передается через стабилизатор, трансформатор, выпрямитель 2 и сглаживающий фильтр 2. Так как трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его габариты и вес, а также вес и габариты сглаживающего фильтра 2 оказываются существенно меньшими, чем в схеме без преобразования частоты. В качестве активных приборов в инверторе используются транзисторы (биполярные или полевые) или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

Источники питания с преобразованием частоты широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают, как правило, значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты.

Рассмотренные структуры источников питания предусматривают получение одного значения номинала выходного напряжения. Некоторые устройства электроники требуют для своей работы нескольких значений номиналов питающего напряжения. В этом случае осуществляется разветвление рассмотренных структур, которое может быть выполнено на любом из структурных элементов. Для примера на рис. 4.4 приведена схема, в которой разветвление осуществляется за счет использования входного понижающего трансформатора с несколькими вторичными обмотками.

Рис. 4.4

Основным структурным элементом, обеспечивающим выходные параметры и характеристики источника питания, является стабилизатор.

По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы – это устройства, в которых стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется в результате перераспределения напряжений между линейным и нелинейным элементами стабилизатора. В качестве нелинейного элемента в параметрических стабилизаторах используются электронные приборы, обладающие ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой.

Компенсационные стабилизаторы – это устройства, содержащие цепь отрицательной обратной связи, по которой сигнал об изменении напряжения на выходе стабилизатора подается на регулирующий элемент. Стабилизация напряжения на нагрузке в таких стабилизаторах осуществляется за счет соответствующего изменения тока, протекающего через регулирующий элемент.

По способу включения регулирующего элемента по отношению к нагрузке компенсационные стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В последовательных компенсационных стабилизаторах регулирующий элемент и нагрузка включаются последовательно по отношению к входному напряжению, а в параллельных регулирующий элемент подключается параллельно нагрузке.

По способу регулирования компенсационные стабилизаторы различаются на непрерывные и импульсные. В непрерывных стабилизаторах через регулирующий элемент непрерывно протекает постоянный ток, величина которого определяется мгновенным значением сигнала об изменении напряжения на выходе стабилизатора. В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент поочередно переключается управляющим сигналом об изменении напряжения на выходе стабилизатора из открытого состояния в закрытое и наоборот. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется за счет регулирования соотношения между продолжительностями нахождения регулирующего элемента в открытом и закрытом состояниях.

Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами.

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению – отношение относительных приращений напряжения на входе и выходе стабилизатора при постоянной нагрузке:

,

где ,  – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки, соответственно  и  – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

2. Выходное (внутреннее) сопротивление стабилизатора , равное отношению приращения выходного напряжения  к приращению тока нагрузки  при неизменном входном напряжении:

.

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности:

.

4. Температурный коэффициент стабилизатора, определяемый отношением приращения  выходного напряжения стабилизатора под действием изменения температуры окружающей среды  к этому приращению и номинальному значению выходного напряжения:

.

Суммарная нестабильность выходного напряжения, определяющая качества выходного напряжения стабилизатора в статическом режиме определяется как: .

Для стабилизаторов с интегральными схемами, особенно для интегральных микросхем стабилизаторов в качестве наиболее важных статических параметров используются коэффициенты нестабильности по входному напряжению и по току нагрузки:

- коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения (%/В)

,

где  – приращение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением напряжения на входе ;

- коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки (%/А)

,

где  – приращение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением тока нагрузки на .

4.2. Параметрические стабилизаторы

В параметрических стабилизаторах напряжения используются нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую вольтамперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 4.5).

Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 4.6. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно.

Рис. 4.5	Рис. 4.6

Действительно, входное напряжение распределяется между балластным резистором  и стабилитроном (рис. 4.6):

,

где - падение напряжения на балластном резисторе  от протекания токов стабилитрона  и нагрузки .

Так как напряжение на стабилитроне  в соответствии с вольтамперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от  до , то приращение входного напряжения  равно приращению напряжения  на резисторе . Так как ток нагрузки  остается при этом неизменным, то , т.е. при изменении входного напряжения на значение  ток стабилитрона изменяется на значение .

Предположим, что нагрузка изменилась, например, уменьшилось сопротивление резистора , что привело к увеличению тока нагрузки. Так как при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока , то увеличение тока  влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 4.6) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона  на рабочем участке вольтамперной характеристики, поскольку  всегда существенно меньше

,       

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне , а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон . Записав  и учитывая, что , найдем коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора:

.

Из этого выражения следует, что с ростом сопротивления  увеличивается коэффициент стабилизации. Однако при заданных параметрах , ,  сопротивление  однозначно определяется из выражения

,

где - номинальный ток стабилитрона (рис. 4.5).

Увеличить сопротивление  можно, лишь повысив напряжение , а это, в свою очередь, приводит к уменьшению величины . Поэтому коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения не превышает 50. Для повышения величины  можно применять каскадное включение стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки .

Одной из основных характеристик параметрического стабилизатора на полупроводниковом диоде является, как и для ключевых схем ограничителей и выпрямителей, зависимость «вход-выход»  (рис. 4.7). Передаточная характеристика  содержит начальную область, которая близка к линейной и аппроксимируется прямой I.

	Рис. 4.8
Рис. 4.7	Рис. 4.9

Прямая I может быть получена путем анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой стабилитрон заменяется эквивалентом (рис. 4.8). Рабочим участком характеристики «вход-выход» стабилизатора является участок от  до , на котором , аппроксимирующийся прямой II. Этот участок характеристики строится в результате анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой стабилитрон заменяется эквивалентом (рис. 4.9). Для обоих участков характеристики «вход-выход» в большинстве схем .

Приведенная на рис. 4.10 нагрузочная характеристика стабилизатора  также имеет рабочий участок от  до , на котором  и для которого , а для участка, где , схема теряет свои стабилизирующие свойства.

Рис. 4.10

Изменение окружающей температуры приводит к изменению выходного напряжения стабилизатора, которое зависит от - температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитрона, применяемого в схеме.

Средний температурный коэффициент напряжения стабилизации определяется отношением изменения напряжения стабилизации в процентах к абсолютному изменению температуры

.

Стабилитроны с напряжением стабилизации меньше 5В имеют отрицательный температурный коэффициент, а стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В - положительный.

Параметрический стабилизатор со стабилитроном, работающим на участке пробоя обратной ветви вольт-амперной характеристики, имеет эквивалентную схему, приведенную на рис. 4.11.
	Рис. 4.11

Поскольку во время работы стабилизатора могут меняться входное напряжение , напряжение стабилизации  и ток нагрузки , то полное изменение выходного напряжения определяется как

.                      (4.1)

Тогда относительное изменение выходного напряжения оценивается коэффициентом нестабильности , где - номинальное выходное напряжение.

С учетом эквивалентной схемы рис. 4.11 и соотношения  частные производные в уравнении (4.1) могут быть найдены через элементы схемы, что приводит выражение (4.1) к виду

.

Если , тогда , где в  и  могут быть учтены температурные и временные изменения входного напряжения и напряжения стабилизации.

Так, для учета температурной нестабильности вольтамперной характеристики стабилитрона при изменении температуры на  можно записать , где .

В реальных схемах параметрических стабилизаторов для повышения коэффициента стабилизации вместо балластного резистора  (рис. 4.6)

используется токостабилизирующий двухполюсник (рис. 4.12), который может быть реализован как на полевых, так и на биполярных транзисторах.
	Рис. 4.12

Стабилизация тока в этой схеме достигается за счет глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой резистором  в цепи истока. Падение напряжения на резисторе  от протекания тока  равно по абсолютной величине напряжению затвор – исток . Учитывая, что стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывается выражением , где  - ток стока при ;  - напряжение затвор-исток при отсечке тока , можно записать

.

Для обеспечения хорошей стабилизации тока сопротивление  должно быть по возможности большим, так как при увеличении  возрастает внутреннее сопротивление транзистора, определяемое формулой , где  - дифференциальное сопротивление сток – исток, значение которого лежит в диапазоне от 80 до 100 кОм. При использовании такого двухполюсника коэффициент стабилизации напряжения, обеспечиваемый параметрическим стабилизатором, может достигать 10⁴.

4.3. Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в таких устройствах достигается за счёт изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи, являющегося функцией выходного напряжения. При построении схем компенсационных стабилизаторов используют как дискретные элементы, так и интегральные схемы: ОУ и специализированные микросхемы интегральных стабилизаторов, например микросхемы серии К142ЕН.

Компенсационные стабилизаторы, как указано ранее, в зависимости от способа включения регулирующего элемента по отношению к нагрузке могут быть последовательными (рис. 4.13) и параллельными (рис. 4.14).

Рис. 4.13	Рис. 4.14

Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа по принципу действия представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки  и регулирующего элемента РЭ, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора в схеме сравнения СС сравнивается с эталонным (опорным) , формируемым источником опорного напряжения ИОН. Возникающий при этом разностный сигнал рассогласования усиливается усилителем постоянного тока У и воздействует на регулирующий элемент РЭ таким образом, чтобы выходное напряжение достигло эталонного уровня. При положительном сигнале рассогласования  внутреннее сопротивление РЭ возрастает, падение напряжения на нём увеличивается и соответственно уменьшается выходное напряжение, стремясь к значению . При отрицательном сигнале рассогласования , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нём уменьшается, что приводит к возрастанию выходного напряжения. В качестве источника опорного напряжения  обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки.

В компенсационном стабилизаторе параллельного типа (рис. 4.14) регулирующий элемент РЭ подключен параллельно нагрузке . Последовательно с ними включается балластный резистор . Разностный сигнал рассогласования , формируемый схемой сравнения СС, усиливается с помощью усилителя У и воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток таким образом, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения .

Коэффициент стабилизации компенсационных стабилизаторов последовательного типа достигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усилителя У. Однако следует учитывать, что при увеличении коэффициента усиления и достижении им определенного значения схема стабилизатора может самовозбудиться.

Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов обоих типов имеет значение порядка нескольких Ом или даже долей Ом.

Коэффициент полезного действия стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резисторе  расходуется дополнительная мощность.

Недостатком компенсационных стабилизаторов последовательного типа является их критичность к перегрузкам. При коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу РЭ прикладывается все входное напряжение и резко увеличивается ток через него, что может привести к выходу РЭ из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схему тем или иным типом схемы защиты от перегрузок.

Не смотря на указанный недостаток наибольшее применение находят компенсационные стабилизаторы последовательного типа (рис. 4.13).

Принципиальная схема простейшего компенсационного преобразователя последовательного типа приведена на рис. 4.15.

	Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VT1. Транзистор VT2 выполняет функции схемы сравнения и усилителя постоянного тока. Источник опорного напряжения реализован в виде параметрического стабилизатора на стабилитроне VD и резисторе .
Рис. 4.15

При увеличении  выходное напряжение возрастает по абсолютной величине, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения . Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение  уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падения напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор , определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения . Коэффициент стабилизации схемы при абсолютно стабильном напряжении  и без учета влияния делителя напряжения  определяется выражением

,                                                           (4.2)

а выходное сопротивление , где  - дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики.

Если  не стабилен, то его колебания передаются через резистор  на базу регулирующего транзистора VT1 и уменьшают коэффициент стабилизации схемы в  раз, где . Увеличение  снижает величину , но может привести к нарушению условия нормальной работы стабилизатора:

,                                                                               (4.3)

которое вытекает из очевидного равенства .

Согласно равенству (4.3), увеличение тока базы  транзистора VT1 на величину  вызывает уменьшение на такую же величину тока коллектора  транзистора VT2. Так как ток базы связан с током нагрузки соотношением , то при увеличении сопротивления  ток  может оказаться больше, чем ток , что нарушает условие (4.2).

Делитель напряжения  включается в выходную цепь стабилизатора для обеспечения возможности ручной плавной регулировки выходного напряжения. В этом случае выходное напряжение стабилизатора

.                                    (4.4)

Ток через делитель  выбирают не более чем на порядок больше тока базы транзистора VT2, поскольку дальнейшее увеличение тока делителя за счет уменьшения сопротивлений  нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению коэффициента полезного действия схемы. С учетом этого ограничения выражение (4.4) принимает вид

.

При включении делителя напряжения коэффициент стабилизации, определяемый формулой (4.2), уменьшается в  раз, так как во столько раз уменьшается приращение входного тока транзистора VT2, соответствующее приращению выходного напряжения . Записав приращение входного тока без делителя, когда ,  и с делителем , где коэффициент деления , а , можно найти значение величины .

Рассмотренная схема стабилизатора обеспечивает коэффициент стабилизации  и выходное сопротивление . Существенным недостатком схемы является необходимость наличия дополнительного стабильного источника . Для устранения этого недостатка резистор  может быть подключен непосредственно к зажиму . Однако, как указывалось ранее, это приведет к уменьшению коэффициента стабилизации в  раз. Одним из способов повышения коэффициента стабилизации и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора является применение в качестве регулирующего элемента составного транзистора VT11 – VT12 (рис. 4.16). В этой схеме коэффициент стабилизации увеличивается в число раз, равное коэффициенту усиления по току  дополнительного транзистора VT12 и может достигать нескольких тысяч, а выходное сопротивление стабилизатора составляет сотые или тысячные доли ома. Сопротивление  служит для обеспечения нормальной работы составного транзистора, а конденсатор  образует цепь гибкой отрицательной обратной связи для устранения возможности самовозбуждения усилителя постоянного тока на VT2.

Рис. 4.16

Для дополнительного повышения коэффициента стабилизации в этой схеме вместо резистора  может быть установлен токостабилизирующий двухполюсник (рис. 4.12).

Еще одним широко применяемым способом увеличения коэффициента стабилизации и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора является использование в качестве схемы сравнения и усилителя сигнала рассогласования дифференциальных каскадов или операционных усилителей. Простейшая схема стабилизатора с операционным усилителем приведена на рис. 4.17

Рис. 4.17

Выбор операционного усилителя для такой схемы осуществляется из условий:

,                                        (4.5)

,                                       (4.6)

где  и  - параметры транзистора VT1,  и  - предельные значения выходного напряжения и тока операционного усилителя,  и  - предельные значения выходного напряжения и тока стабилизатора.

Если условие (4.5) не выполняется, то в качестве усилителя нельзя использовать операционный усилитель или следует изменить исходные данные для выбора операционного усилителя. Если не выполняется условие (4.6), то в качестве регулирующего элемента следует использовать составной транзистор, тогда , где  и  – коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов, входящих в состав составного регулирующего элемента. Сопротивление балластного резистора  выбирается в соответствии с выражением: . Расчёт сопротивлений делителя на резисторах  производится для крайних положений движка. При крайнем верхнем положении движка выходное напряжение стабилизатора имеет минимальное значение . При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально .

Коэффициент стабилизации схемы определяется по выражению

,

где  и  - параметры физической эквивалентной схемы транзистора VT1, - коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером транзистора VT1, - справочное значение коэффициента передачи напряжения ОУ, - коэффициент деления напряжения делителем на резисторах . Выходное сопротивление схемы .

Недостатком всех схем компенсационных стабилизаторов напряжения последовательного типа является возможность выхода из строя транзистора регулирующего элемента при коротком замыкании нагрузки. Защиту от короткого замыкания выхода стабилизатора можно ввести, добавив в схему токоограничивающий транзистор VT2 и измерительный резистор  (рис. 4.18).

	Обычно стабилизатор рассчитывается на максимальный ток нагрузки , при превышении которого падение напряжения на  возрастает до пороговой величины , что обеспечивает открывание транзистора VT2.
Рис. 4.18

Через коллектор VT2 ток с выхода операционного усилителя в этом режиме отводится от базы VT1, что обеспечивает ограничение роста тока нагрузки величиной . Величина измерительного резистора  определяется по соотношению .

Помимо статических параметров компенсационные стабилизаторы в системах электропитания характеризуются и динамическими параметрами, поскольку основным назначением стабилизатора как замкнутой системы автоматического регулирования является подавление возмущений, поступающих как со стороны входной цепи, так и со стороны потребителя энергии (нагрузки).

К основным динамическим параметрам стабилизатора относятся:

1. Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения (коэффициент сглаживания) , где ,  - амплитуды переменной составляющей соответственно на входе и выходе стабилизатора при синусоидальной форме пульсации входного напряжения;

2. Максимальное перерегулирование d или наибольший выброс  (рис. 4.19) ; 3. Длительность переходного процесса (время установления - tуст) принято определять как время, за которое процесс входит в пределы,
	Рис. 4.19

ограниченные отклонением ± 5% от номинального значения выходного напряжения  (рис. 4.19).

Так как компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия является замкнутой системой автоматического регулирования, то все показатели качества его выходного напряжения связаны с параметрами частотной характеристики разомкнутого контура регулирования. Передаточная функция, характеризующая связь входного и выходного напряжений стабилизатора может быть представлено в виде:

,                 (4.7)

где  – петлевое усиление, операторное изображение коэффициента передачи разомкнутого контура регулирования; ,  – соответственно операторные изображения коэффициентов передачи регулирующего элемента со стороны входного воздействия и со стороны управляющего по цепи обратной связи воздействия на выход стабилизатора с учётом выходного сопротивления усилителя У;  – операторное изображение коэффициента передачи схемы сравнения СС без учёта влияния входного сопротивления усилителя У;  – операторное изображение коэффициента усиления усилителя У с учётом выходного сопротивления схемы сравнения, но без учёта влияния входного сопротивления регулирующего элемента РЭ.

Пренебрегая единицей в знаменателе выражения (4.7) и учитывая, что коэффициент стабилизации определяется для постоянных составляющих напряжений, можно записать выражение для коэффициента стабилизации через статические коэффициенты передачи структурных звеньев схемы, изображенной на рис. 4.13:

,

где , , ,  – коэффициенты передачи соответствующих звеньев стабилизатора по постоянному току.

Аналогичные рассуждения позволяют получить выражение для определения комплексного коэффициента сглаживания для гармонических колебаний: , в соответствии с которым для некоторой частоты  коэффициент сглаживания с учётом того, что , имеет вид:

.

Выходное сопротивление стабилизатора также определяется с учётом петлевого усиления:

,                                                               (4.8)

где  – собственное выходное сопротивление регулирующего элемента РЭ. В зависимости от того, для какого режима определены величины, входящие в выражение (4.8), можно вычислить значение  для постоянной и переменной составляющих.

Параметры переходных процессов однозначно связаны с видом частотной характеристики контура регулирования.

Если логарифмическая амплитудно-частотная характеристика петлевого усиления стабилизатора соответствует характеристике, приведённой на рис. 4.20, то на выходе стабилизатора наблюдается колебательный переходной процесс (рис. 4.19) с установившейся
	Рис. 4.20

погрешностью выходного напряжения , где – выходное сопротивление замкнутого контура стабилизатора напряжения.

4.4. Стабилизаторы постоянного тока

Стабилизаторы постоянного тока, как и стабилизаторы напряжения, могут быть параметрическими и компенсационными.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока могут быть использованы упомянутые ране токостабилизирующие двухполюсники (рис. 4.12).

В компенсационных стабилизаторах постоянного тока последовательно с нагрузкой  включается эталонный резистор , напряжение на котором стабилизируется с помощью компенсационного стабилизатора напряжения. Таким образом, при изменении нагрузки  ток, протекающий через нее, останется неизменным.

На рис. 4.21 приведен один из вариантов схемы компенсационного стабилизатора тока. Сигнал рассогласования  усиливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2, и воздействует на регулирующий элемент – транзистор VT1. Обобщая, можно сказать, что для стабилизации постоянного тока может
	Рис. 4.21

быть использована любая схема компенсационного стабилизатора напряжения, в которой нагрузка  включена вместо одного из сопротивлений делителя напряжения на входе схемы сравнения.

4.5. Импульсные стабилизаторы напряжения

В рассмотренных компенсационных стабилизаторах напряжения непрерывного типа в качестве регулирующего элемента используется транзистор, работающий в линейном режиме. Такой режим работы определяет значительные величины мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе. В связи с этим компенсационные стабилизаторы непрерывного действия имеют относительно низкий КПД, не превышающий обычно 60%.

Решение проблемы уменьшения потребляемой стабилизатором мощности связано с переводом регулирующего элемента (транзистора) из линейного режима в ключевой (отсечка - насыщение). В регулирующем элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая на нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через регулирующий транзистор, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, близок к нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях, рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю. Применение импульсного режима работы регулирующего транзистора позволяет повысить КПД стабилизатора до 80% и уменьшить его массу и габариты, так как при малой рассеиваемой мощности регулирующего транзистора, работающего в импульсном режиме можно не применять массивные теплоотводящие радиаторы. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели импульсных стабилизаторов.

Ясно, что изменение режима работы регулирующего элемента требует радикального изменения концепции регулирования выходного напряжения. На рис. 4.22 приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа, иллюстрирующая принцип его действия.