Параметрические стабилизаторы напряжения

На выходе выпрямителя напряжение может изменять свою величину в зависимости от колебания напряжения сети изменения величины нагрузки. В тех случаях, когда для питания устройств промышленной электроники требуются источники питания стабильных напряжений, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизаторы постоянного напряжения.

Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение на нагрузке с требуемой степенью точности при изменении дистабилизирующих факторов, называют стабилизаторами напряжения. Стабилизаторы напряжения подразделяют на две группы – параметрические и компенсационные.

Параметрическими стабилизаторами напряжения называют устройства с нелинейными элементами (стабилитронами, дросселями и др.), параметры которых с изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке остается почти неизменным по величине (рисунок 22, а).

Основным параметром стабилизаторов напряжения является коэффициент стабилизации напряжения и выходное сопротивление.

В общем случае под коэффициентом стабилизации напряжения понимают отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе стабилизатора.

где

,

где  и  – номинальное значение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение приращения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его приращению тока нагрузки при постоянном входном напряжении, а также при неизменных других дистабиллизирующих факторах

Знак минус показывает, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение (напряжение на нагрузке Uн) уменьшается и наоборот.

По точности поддержания стабилизируемой величины различают стабилизаторы: низкой точности – нестабильность выходной величины более 2,5%; средней точности – нестабильность от 0.5 до 2,5%; высокой точности – нестабильность от 0,1 до 0,5%; прецизионные – нестабильность менее 0,1%.

а) параметрический стабилизатор                  б) мостовая схема Рисунок 22

Работа схемы, при повышении входного напряжения . Несколько возрастает напряжение на стабилитроне и резко увеличивается ток  протекающий через стабилитрон. Этот ток, протекающий также через балластный резистор , обуславливает увеличение падения напряжения на нем, а напряжение на нагрузке практически не изменяется.

Снижение напряжения  приводит к уменьшению тока  и падения напряжения на резисторе , в результате чего напряжение на нагрузке  сохраняет опять практически неизменный уровень.

В приведенной схеме последовательно с стабилитроном включен терморезистор. Поскольку полупроводниковый стабилитрон обладает положительным температурным коэффициентом, а терморезистор – отрицательным, при таком включении достигается температурная компенсация изменений выходного напряжения.

Коэффициент стабилизации подобных схем обычно составляет ±2%.

Однако коэффициент стабилизации мостовых схем (рисунок 22, б) значительно выше обычных.

Простейшие схемы стабилизаторов на стабилитронах имеют существенные недостатки: сравнительно низкий коэффициент стабилизации; возможность стабилизации при малых токах нагрузки; низкий к.п.д.; отсутствие регулировки выходного напряжения, большое выходное сопротивление.

ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы

Классификация и условное обозначение биполярных транзисторов изображена на рисунке 23 в виде схемы.

Рисунок 23

Полупроводниковый прибор, работа которого зависит от носителей заряда – электронов и дырок, отсюда название “биполярный”. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения технологии также подразделяются на: дрейфовые, диффузионные, планарные сплавные, меза и др.

С точки зрения используемого полупроводникового материала транзисторы делятся на: германиевые, кремниевые и арсенидо–галиевые.

По сравнению с электронной лампой транзистор обладает следующими преимуществами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность, высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора – ограниченные мощность и рабочее напряжение, большая чувствительность к изменению температуры и меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к коротким замыканиям и искрениям.

Рисунок 24

Биполярный плоскостной транзистор состоит из трех областей и двух переходов: p – n – p или n – p – n (рисунок 24)

Электроды транзистора Э, Б, К причем Э и К имеют одинаковый тип проводимости, а база разделяющая эммитер и коллектор – противоположный.

В типичных условиях транзистор подключен к источнику постоянного тока таким образом, что переход эмиттер – база (эмиттерный переход [ЭП]) смещен в проводящем направлении, а переход коллектор–база (коллекторный переход [КП]) в обратном направлении. При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где они являются неосновными носителями. Движение дырок в процессе инжекции через ЭП создает ток эмиттера . Толщина базы очень мала, поэтому дырки в процессе диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Большая их часть не успевает рекомбинировать с электронами базы и втягивается ускоряющим электрическим полем в область коллектора. Происходит экстракция дырок под действием обратного напряжения из базы в коллектор (через КП). Движение дырок в процессе экстракции из базы в коллектор создает ток коллектора .

Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу дырок рекомбинирует в области базы с электронами, количество которых пополняется из внешней цепи источника . За счет этого в цепи базы протекает ток базы . Он очень мал из–за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда–электронов. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы невелико.

Ток коллектора  создают дырки, приходящие от эмиттера, его значение (несколько миллиампер) зависит непосредственно от напряжения смещения на переходе эмиттер–база (обычно 0,7 В) и мало зависит от напряжения, смещенного в обратном направлении, на коллекторном переходе . От напряжения  зависит как ток эмиттера , так и ток базы (обычно несколько десятков микроампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора зависит от малого тока базы, т.е. малые изменения тока базы вызывает большое изменение тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзистора. 

База является электродом, управляющим током через транзистор, т.к. меняя напряжение между базой и эмиттером, можно управлять плотностью тока – инжекцией, а, следовательно, и экстракцией. 

Пример: Переход база–эмиттер смещен в положительном направлении . Переход коллектор–база смещен в обратном направлении, для этого между коллектором и базой существует напряжение смещения около 10 – 20 В. Между базой и эмиттером находится источник управляемого синусоидального сигнала несколько десятков милливольт (рисунок 25, а,б).

а)                                                                          б) Рисунок 25

Ток коллектора составляет обычно несколько миллиампер и при изменении тока базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на несколько миллиампер. При сопротивлении нагрузки в цепи коллектора, равным нескольким килоомам, диапазон мгновенных изменений падения напряжения на этой нагрузке составит несколько вольт.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению, определяемый как отношение  изменения напряжения на сопротивлении нагрузки к изменению напряжения в цепи базы.

Коэффициент усиления по току, определяемый отношением изменений (приращений) токов т.е. несколько миллиампер для тока коллектора и несколько десятков микроампер для тока базы  составит ~ 100. Следовательно, коэффициент усиления мощности, равный произведению, коэффициента усиления по напряжению на коэффициент усиления по току, будет равен нескольким тысячам 5000.