книги / Транзисторные стабилизаторы напряжения

Продолжение табл. 1

транзистора
ДТ808А	КТ7809А	ГТ804А	ГТ804Б	ГТ804В	ГТ806А	ГТ806Б	ГТ806В	ГТ806Г
—	—	5/100	4/140	3,5/190	_	—	—	—
50/4	50/4	3/0,5	3/0,5	3/0,5	10/0,5	10/0,5	10/0,5	10/0,5
3	5	10	10	10
6	2	5	5	5	—	—	—	—
10—50	15—100 20—50		20—50	20—50	10—100 10—00		10—100	10—100
7	5
—	—	100	140	190	—	—	. —	—
120	140	100	140	190	75	100	120	50
4	4	2	2	2	1,5	1,5	1,5	1,5
10	3	10	10	10	15	15	15	15
4	1,5	2	2	2	2	—	—	—
5	—	1,2	1,2	1,2	—	—	—	—
50	40	15	15	;15	30	. 30	30	30
+150	+140	+65	1+65	+65	+65	+65	+65	+65
—60	—60	—25	—25	*-25 .	—25	—25	—25	—25
2,5	2,5	9	2	2	2	2	2	5
—	—	40	40	40	—	—	—	' —

ний	р-П'р, германий

ров (на рис. 8,в эти транзисторы нумеруются справа налево). По­ этому при одинаковых сопротивлениях резисторов падения напряже­ ния на них получаются разными, и, следовательно, напряжение между транзисторами распределяется неравномерно. Устранить та­ кую неравномерность можно соответствующим выбором сопротивле­

ний резисторов делителя напряжения RI >IR2 > ...							>Rn.
' Последовательно	можно соединять			и	составные транзисторы.
		При этом влияние их базовых токов
		на	распределение				напряжения				меж­
		ду транзисторами уменьшается.
			Одним из эффективных							способов
		повышения			надежности работь!						ста­
		билизаторов			напряжения				и	увеличе­
		ния их выходной мощности является
		уменьшение мощности, выделяемой на
		регулирующем				транзисторе. В случае
		последовательного					включения				регу­
		лирующего			транзистора				и	нагрузки
		стабилизатора				уменьшение				мощно­
		сти,	выделяющейся				в	регулирующем
		транзисторе,				достигается				за	счет
		включения		параллельно и					последова­
Рис. 9. Распределение	на­	тельно с ним вспомогательных рези­
		сторов. При этом выделяющаяся мощ­
пряжений в составном тран­		ность распределяется						между допол­
зисторе.		нительным		резистором				и	регулирую­
		щим транзистором. Последовательное

включение дополнительного резистора наиболее целесообразно в слу­ чае мощного составного транзистора (рис. 9).

Особенностью такого составного транзистора является относи­ тельно большое падение напряжения на мощном транзисторе, намно- го превышающее его паспортное напряжение насыщения ^кэмин- Мощный транзистор 7*, не может быть введен в режим насыщения по следующим соображениям. Для того чтобы через базу транзистора 7*! протекал ток, необходимо, чтобы /Э2 = / ш . Но для того чтобы эмиттерныи ток транзистора Т2 132 имел необходимое направление,

напряжение коллектора транзистора Т2 должно быть отрицательным относительно его эмиттера. Это напряжение Т/КЭ2 в составном тран­ зисторе равно напряжению t/KB1 транзистора Тг. Когда ток /Э2= / ш достигает значения, при котором Тг входит в режим насыщения, на­ пряжение £/кш и равное ему напряжение UK32 приближаются к нулю

и транзистор Тг начинает закрываться. Это приводит к уменьшению токов коллектора и эмиттера Г2, а следовательно, и тока базы Тх. Получающаяся в итоге отрицательная обратная связь исключает возможность насыщения транзистора 7V

Таким образом, без принятия особых мер падение напряжения на мощном регулирующем транзисторе Тх будет равно

^КЭ1 — и къ2 + и вЭ2 + ^БЭ1 = ^КЭ1мин +

что значительно больше падения напряжения на транзисторе в ое' жиме насыщения. v

22

Практически Шр$ составляет единицы вольт при тройном состав­

ном транзисторе. В то же время для обеспечения режима стабили­ зации в наихудших случаях сочетания входного и выходного на­ пряжений (соответственно минимальное и максимальное значения) падение напряжения на мощном транзисторе составного регулирую­ щего транзистора должно лишь незначительно превышать падение напряжения на нем в режиме насыщения. Следовательно, в состав­ ном регулирующем транзисторе, приведенном на рис. 9, при токах нагрузки порядка нескольких ампер за счет напряжения ДС/рэ

выделяется дополнительная мощность порядка десяти ватт. Снижения величины Л£/РЭ можно достигнуть, включив в кол­

лекторную цепь мощного транзистора дополнительный резистор R (см. рис. 8,о). Его сопротивление может быть определено по фор­ муле

R (Uвх.мин — ^н.макс — ^КЭ мииН^н.макс>

где i/^эцнн— падение напряжения на мощном транзисторе в режиме его насыщения при токе коллектора, равном / н.макс-

Недостатком включения дополнительного резистора в коллектор­ ную цепь транзистора является некоторое увеличение внутреннего сопротивления источника питания.

Шунтирование регулирующего транзистора постоянным резисто­ ром Rm (см. рис. 7,6) позволяет облегчить его тепловой режим. Однако этот метод пригоден в тех случаях, когда нагрузка постоян­ на или возможен частичный (но не полный) сброс ее, т. е. / в.м и н <

< / я < / н.макс. Сопротивление	дополнительного резистора выбирает­
ся таким, чтобы ток шунта	составлял 0,6—0,8 от минимального
тока нагрузки, т. е.
Ап — ^КЭ макс/^ш =		-S* 0,8) /н.мин»

Шунтирование регулирующего транзистора обеспечивает сниже­ ние мощности, выделяющейся на нем, до величины

Р К — ^кэ (4 — ^кэ/^ш)•

Недостаток шунтирования регулирующего транзистора — сниже­ ние коэффициента стабилизации схемы.

В нерегулируемых стабилизаторах напряжения параллельного типа регулирующий элемент питается постоянным выходным напря­ жением. Дополнительный резистор R в коллекторной цепи регули­ рующего транзистора (см. рис. 7,в) позволяет существенно снизить выделяющуюся на нем мощность. Назначение резистора R в этом случае аналогично назначению шунта в схеме по рис. 7,6 и заклю­ чается в ограничении тока, протекающего через регулирующий тран­ зистор. Однако в данном случае эффективность использования по­ следовательно включенного дополнительного резистора не ухудша­ ется при изменении тока нагрузки (или даже полном его сбросе), но ухудшается при значительном изменении выходного напряжения. Это может выражаться в ограничении допустимого диапазона тока нагрузки при уменьшении выходного напряжения.

При постоянном выходном напряжении оптимальное сопротив­ ление дополнительного резистора R ^ R B и максимальная мощность, выделяющаяся на регулирующем транзисторе, Рк макс = £/н/и/4.

23

ис т о ч н и к и ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЙ

Кисточнику опорного напряжения предъявляются весьма жест­ кие требования, так как любое абсолютное изменение его напряже­ ния приводит к такому же изменению выходного напряжения стаби­ лизатора. В качестве источника опорного напряжения в компенса­ ционных стабилизаторах напряжения обычно применяются параме­ трические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах.

Впараметрических стабилизаторах напряжения для стабилиза­

ции используется нелинейная вольт-амперная характеристика по­ лупроводниковых элементов. Схема простейшего параметрического стабилизатора приведена на рис. 10. Такой стабилизатор представ­ ляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного рези-

%

Рис. 10. Параметрический
стабилизатор напряжения.	Рис. 11. Вольт-амперная
	характеристика стабили­
	трона.

стора Re и нелинейного сопротивления, в качестве которого обычно

используется	кремниевый стабилитрон. Вход делителя подключен
к источнику	входного напряжения [/„*, выход — к нагрузке Ra,

на которой необходимо иметь стабилизированное напряжение С/н- Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 11. Стабилитроны могут проводить ток в обоих направлениях — прямом и обратном. При приложении напряжения прямой поляр­ ности стабилитроны ведут себя подобно обычным кремниевым дио­ дам с несколько более крутой вольт-амперной характеристикой. Обычно эта ветвь характеристики является нерабочей, однако в ря­ де случаев такой режим работы стабилитрона может быть исполь­ зован (например, в целях температурной компенсации опорного на­

пряжения).

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевого ста­ билитрона может быть условно разбита на три области: малой проводимости, предпробойную и область пробоя (высокой прово­ димости). Параметры и свойства стабилитрона в области малойпроводимости идентичны характеристикам обычного кремниевого диода. Наличие предпробойной области на вольт-амперной харак­ теристике связано с развитием пробоя в р-п переходе. Участок обратной ветви вольт-амперной характеристики с высокой проводи­ мостью является основным рабочим участком кремниевого стаби­ литрона.

Обычно ветвь обратного тока • (рабочую ветвь) характеристики стабилитрона изображают при ином расположении координатных

94

осей (рис. 12). При этом рабочий участок характеристики получает­ ся пологим. Для этого участка характерна практическая независи­ мость напряжения на кремниевом стабилитроне Ucт от тока / ст, протекающего через него. Напряжение Ucт называется напряжением стабилизации.

Другим важным параметром стабилитрона при работе его в области устойчивого пробоя является дифференциальное сопротив­ ление Га- Оно определяет наклон вольт-амперной характеристики стабилитрона в этой области

Гс т :—-A U a /А /с т ,

где At/ст — изменение напряжения стабилизации при изменении то­ ка, протекающего через стабилитрон, на величину А/Ст (рис. 12).

Рис. 12. Рабочая ветвь	Рис.	13. Зависимость	диф­
вольт-амперной характе­	ференциального сопротивле­
ристики стабилитрона.	ния	стабилитрона от	Ucт

И Iот-

Дифференциальное сопротивление в области пробоя у кремние­ вых стабилитронов зависит от напряжения пробоя и от тока стаби­ лизации (рис. 13). Для одного и того же стабилитрона дифферен­ циальное сопротивление с ростом тока стабилизации уменьшается.

Интерес представляют температурные характеристики стабили­ тронов. Использование кремниевого стабилитрона в источниках опорного напряжения и в стабилизаторах напряжения требует зна­

ния	температурного	изменения	(дрейфа) напряжения стабилизации
Uст.	Известно, что	кремниевые	стабилитроны с Ucт > 6 В имеют

положительный	температурный коэффициент напряжения (ТКН),
стабилитроны с	U a < 5 В — отрицательный ТКН, у стабилитронов
с 5 В < £ /с т< 6	В ТКН при определенных токах приближается к ну­

лю. Поэтому для получения опорных напряжений с хорошей темпе­ ратурной стабильностью желательно использовать низковольтные стабилитроны.

Принцип стабилизации напряжения, основанный на нелинейных свойствах кремниевых стабилитронов, рассмотрим на примере про­ стейшего стабилизатора (см. рис. 10). Для этого построим вольт-

25

амперные характеристики стабилитрона (кривая 1 на рис. 14) и нагрузки, считая ее линейным резистором (прямая 2 на рис. 14). Так как нагрузка и стабилитрон включены параллельно, то для по­ строения суммарной характеристики необходимо для каждого про­ извольно выбранного значения напряжения сложить соответствую­ щие ему значения токов /н и / стРезультирующая кривая 3 пред­ ставляет собой зависимость ^н = /(/н+/ет) .

Рис. 14. Работа параметрического стабилизатора при изменении входного напряжения.

Построение вольт-амперной характеристики балластного рези­ стора Яб проведем с учетом того, что ток, протекающий через ре­

зистор,	равен сумме	токов / н+ /с т » а	суммарное	падение	напряже­
ния на	резисторе Яб	и нагрузке Яв	равно входному напряжению.
В связи , с этим характеристику резистора Яб (5				на рис.	14) необ­

ходимо строить из точки, соответствующей на оси ординат вход­

ному	напряжению UBX. Точка	А пересечения			этой	характеристики
		с суммарной характеристикой 3 опре­
	1-н +1щ	деляет	установившийся				режим		для
		данного входного напряжения.
								напря­
		При		изменении		входного
		жения	характеристика				резистора Яб
		перемещается			параллельно			самой
		себе. Поэтому, как видно из рис. 14,
		при изменении			входного напряжения
		от Uвх.мин до ^вх.макс точка А бу­
		дет перемещаться вдоль кривой 3 от
		точки С до точки В. При этом изме­
		нение	выходного напряжения					стаби­
		лизатора		значительно меньше					изме­
		нения	входного		напряжения.			наклон
Рис.	15. Эквивалентная схе­	Очевидно,			чем	меньше
		вольт-амперной			характеристики				ста­
ма параметрического стаби­		билитрона, тем меньше изменение вы­
лизатора напряжения.		ходного напряжения на нагрузке при

26

воздействии дестабилизирующих факторов. Иными словами, диффе­ ренциальное сопротивление стабилитрона гст определяет стабилизи­ рующие свойства простейшего параметрического стабилизатора.

Для определения основных характеристик параметрического стабилизатора составим эквивалентную схему (рис. 15). Стабили­ трон в ней представим источником э. д. с., равной Uст, и внутрен­ ним сопротивлением, равным дифференциальному сопротивлению стабилитрона гстДля определения коэффициента стабилизации со­ ставим уравнение, описывающее связь между изменениями входного и выходного напряжений: Д1/вх= (А /Ст + А / н)/?б+А С /н, г д £ Д/Ст=

= Д£/н/Гст> AIB — AUn/R B.

Коэффициент стабилизации определится как

„	'	RQ t RQ \ Un
Лст ~ д а д *	[l +	Ra + r CT J uBX•

Так как дифференциальное сопротивление стабилитрона мало и справедливо соотношение /?б/тст> I+ R O/RB, то коэффициент ста­ билизации можно с достаточной точностью определить по формуле

* сг^ г сти вх ‘

Для определения выходного сопротивления стабилизатора соста­ вим уравнение, отражающее связь между изменением тока нагрузки и напряжением на ней при неизменном входном напряжении. Изме­ нение тока нагрузки на А/н вызывает соответствующее изменение тока стабилитрона на Д/Ст, причем так как входное напряжение остается неизменным, то согласно эквивалентной схеме изменение

' напряжения на нагрузке определяется изменением падения напря­

жения	на	балластном	резисторе	AUB= ( A I n—Д/Ст)#б. Подставив
вместо	Д /с т	его значение AUBfrCi		и разделив обе части равенства
на Д/н, после промежуточных преобразований получим:
		р	_AUH	гст/?б
			4/и	гс1 + Яб = г" -

Таким образом, дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет основные стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора напряжения.

Коэффициент полезного действия параметрического стабилиза­ тора определяется по формуле

„ _________

^вх(/вх+/ст) •

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) простейших параметрических стабилизаторов определяется ТКН используемого стабилитрона. Наиболее распространенные в радиолюбительской практике стабилитроны (с Uст>-6 В) имеют обычно положительный ТКН, т. е. при повышении температуры напряжение стабилизации увеличивается, а при понижении — уменьшается. Однако эти изме­ нения относительно невелики (0,5—1% на 10°С).

Источники опорного напряжения в виде параметрических стаби­

лизаторов на кремниевых	стабилитронах	могут	быть выполнены
при выходных напряжениях	от нескольких	вольт	до нескольких со-

27

^СТ

Тип ста­ билитрона

в

при /ст, мА

рмакс

и

о

мВт

я

ё

гст

Ом мА/ст, при

			Т а блиЦа 2
ипр		/ст>м+
		при Гс =
		=25°С
			ТКН, 10*
			%/°с
	<		(МВ/°С)
в	5
	о,
	я
	*-*	S	макс
	6
	я

2С107А	0,63—0,77	10	—	—	12	10	_	—	1	100	(2)
2С113А	,1,17—1,43	10				10			1	100	(-3 )
2С119А	1,7—2,1	10	—	—	15 10 — —. — —						(—4')
КС133А	3—3,7	10	300	50	65	10	1	50	1	100	( - 5 , - 6
КС139А	3,5—4,3	10	300	50	60	10	1	50	3	70	—10,0
КС147А	4 ,1 -5 ,2	10	300	50	56	10	1	50	3	58	—9, -f-1
КС156А	5,1—6,1	10	300	50	46	10	1	50	3	55	- 5 , + 5
КС162А	5,8^—6,6	10	150	50	35	10	_	—	3	22	—6
КС168В	6,3—7,1	10	150	50	28	10	—	—	3	20	+ 5
КС170А	6,65—7,85	ю	150	50	20	10	—	—	3	20	+ 1
Д808	7—8,5	5	280	50	6	5	1	50	3	33	+ 7
Д809	8—9,5	5	280	50	10	5	1	50	3	29	+ 8
Д810	9 -10,5	5	280	50	12	5	1	50	3	26	+ 9
Д8И	10—12	5	280	50	15	5	1	50	3	23	+ 9,5
Д813	11,5—14	5	280	50	18	5	1	50	3	20	+ 9,5
Д814А	7—8,5	5	340	20	6	5	1	50	3	40	+ 7
Д814Б	8—9,5	5	340	20	10	5	1	50	3	36	+ 8
Д814В	9—10,5	5	340	20	12	5	1	50	3	32	+ 9
Д814Г	10—12	5	340	20	15	5	1	50	3	29	+ 9,5
Д814Д	11,5—14	5	340	20	18	5	1	50	3	24	+ 9,5
Д818А	9—11,25	10	300	50	25	10	—	—	33	33	+ 2,3
Д818Б	6,75—9	10	300	50	25	10	_	_	3	33	—2,3
Д818В	7,2—10,8	10	300	50	25	10	_	_	3	33	+ 1,1
Д818Г	7,65—10,35	10	300	50	25	10	_	—	3	33	+ 0,6
Д818Д	8,55—9,45	10	300	50	25	10	_	_	3	33	± 0,2
Д818Е	8,55—9,45	10	300	50	25	10	_	—	3	33	+0,1
2С213Ж	12,3—13,7	4	125	35	40	4	_	_	—	—	+9,5
2С215Ж	14,2—15,8	2	125	35	70	2	_	—	—	—	+ 10
2С216Ж	15,1—16,9	2	125	35	70	2	_	—	—	—	+ 10
2С218Ж	17—18	2	125	35	70	2	—	_	—	—	+10
2С220Ж	19—20	2	125	35	70	2	_	—	—	—	+ 10
2С222Ж	20,9—23,1	2	125	35	70	2			__/	—	+ 10
2С224Ж	22,8—25,2-	2	125	35	70	2	—	—	—	—	+ 10
2С291А	86—96 "	1	250	35	700	1 —		—	—	—	+ 10

П:р имечание. Обозначеше параметров стабилитронов: UCT—напряжение ста­ билизации; С/пр—прямое напряжение стабилитрона; ^ст.макс>^ст минсоответственно максимально и минимально допустимые токи стабилизации; /■ ’—дифференциальное сопротивление стабилитрона; ^макс—максимально допустимая рассеиваемая мощность стабилитрона.

28

тен вольт. Однако получить любое желаемое опорное напряжение U0 в этом случае не удается. Его приходится выбирать в пределах напряжений стабилизации стабилитронов, выпускаемых промышлен­

ностью.

В табл. 2 приведены основные характеристики стабилитронов и стабисторов, которые могут использоваться в источниках опорно­

го напряжения.

Стабисторы — это диоды, которые в режиме стабилизации на­ пряжения работают на прямой ветви (в отличие от стабилитронов) вольт-амперной характеристики. Напряжение стабилизации UCi ста­ бисторов обыщю лежит в пределах от долей до единиц вольт.

Большинство стабилитронов требует применения специальных мер по компенсации их ТКН специальными элементами. Однако в настоящее время выпускаются и термокомпенсированные стабили­ троны (например, типа К.С211). При необходимости получения боль­ шого опорного напряжения кремниевые стабилитроны гножно со­ единить последовательно, в этом случае напряжение стабилизации будет равно сумме напряжений последовательно соединенных ста­ билитронов. Следует иметь в виду, что дифференциальное сопро­ тивление такого источника опорного напряжения равно сумме гст отдельных стабилитронов. С увеличением сопротивления балластно­ го резистора Re коэффициент стабилизации простейших параме­ трических стабилизаторов увеличивается, но при этом приходится повышать напряжение источника питания UBX- В этом случае к. п. д. стабилизатора становится очень низким. Поэтому на прак­ тике отношение UBX/U 0 не выбирают больше 3—5, при этом можно получить коэффициент стабилизации порядка 10—50. Большие ко­ эффициенты стабилизации можно получить, последовательно соеди­ няя несколько подобных стабилизаторов. При этом входное напря­ жение Uвх каждого последующего стабилизатора принимают равным выходному напряжению предыдущего стабилизатора. Общий коэф­ фициент стабилизации при таком соединении равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных стабилизаторов.

СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ

Назначение схемы сравнения — определить отклонение выход­ ного напряжения от установленного номинала и передать это откло­ нение на вход усилителя по цепи обратной связи. Схема сравнения обычно содержит источник опорного напряжения, измерительный элемент и элемент сравнения.

В современных стабилизаторах напряжения наибольшее приме­ нение получили схемы сравнения, совмещенные с усилителем посто­ янного тока (усилителем сигнала рассогласования или его входным каскадом) и источником опорного напряжения. В качестве источни­ ка опорного напряжения применяются обычно параметрические ста­ билизаторы напряжения на кремниевых стабилитронах. Типовые схемы сравнения выполняют обычно на одном или двух транзисто­ рах и различаются в основном вариантами включения стабили­ тронов.

Рассмотрим основные варианты включения стабилитронов в схе­ мах сравнения. В зависимости от требуемого соотношения между опорным и выходным напряжением можно выделить три наиболее характерных случая: UB> U 0, UB = U0, US<_U0.

29

Если требуемое напряжение йа нагрузке Ua>U0, применяются схемы сравнения с делителем выходного напряжения. Существует несколько вариантов таких схем. В схеме на рис. 16,а источник опорного напряжения U0 ^стабилитрон Д ) включен в базовую цепь

усилительного транзистора	Г2, а в схеме	на рис. 16,6 — в эмиттер-
ную цепь транзистора Гг.	Недостатком	включения стабилитрона

в цепь базы является необходимость в дополнительном источнике питания. Поскольку изменение базового тока транзистора Г2 в про-

Рис. 16. Схемы сравнения для и л > и 0-

цессе стабилизации значительно меньше соответствующих изменений эмиттерного тока, опорное напряжение в первой схеме будет гораз­ до стабильнее. Выходное и опорное напряжения в данных схемах связаны соотношением

и н = (U0 + UЭБ2У п »

где п — коэффициент передачи делителя Rx—Ra, n = i? 2/(/?i+ # 2). Изменяя коэффициент п (например, с помощью потенциометра,

включенного вместо Ri и /?2), можно регулировать выходное на­ пряжение. Однако при этом делитель в 1/я раз ослабляет напряже­ ние рассогласования, подаваемое на вход транзистора Г2. Это не­ выгодно из-за ухудшения точности стабилизации выходного напря­ жения стабилизатора при воздействии дестабилизирующих факторов.

Для увеличения динамического значения коэффициента я без изменения его статической величины (а она определяет напряжение Uн) необходимо уменьшить сопротивление «верхнего» плеча делите­ ля по переменному току или увеличивать R2. Тогда напряжение рас­ согласования будет передаваться на вход усилителя постоянного тока с минимальным ослаблением. Простейшим способом увеличения динамического значения коэффициента п является шунтирование резистора Ri конденсатором большой емкости (пунктир на рис. 16,а).

30