8.12. Стабилизаторы тока и напряжения

В этом разделе рассмотрены модели стабилизаторов, приведенных в справочнике [30]; коэффициенты стабилизации в этой работе определяются отношением приращений входного (DUi) и выходного (DUо) напряжения (различные подходы к определению этого параметра рассмотрены в разд. 28.2). Следует заметить, что некоторые из рассматриваемых ниже устройств не отвечают заявленным характеристикам; во всяком случае, результаты моделирования таких устройств существенно отличаются от приводимых в [30]. В связи с этим элементы типа Ideal целесообразно заменять на модели реальных элементов (см. гл. 1), приводимых в описаниях каждой схемы.

1. Низковольтные источники опорного напряжения обеспечивают формирование опорного напряжения около 0,7 В на кремниевом и 0,35 В на германиевом биполярных транзисторах при температурных коэффициентах напряжения (ТКН) 0,3 и 1 %/град для первого и второго соответственно. Такие  источники используются в стабилизаторах тока дифференциальных каскадов операционных усилителей (см. разд. 7.5). Он представляет из себя параметрический стабилизатор (см. разд. 12.2), в котором в качестве стабилитрона используется транзистор Т в диодном включении (см. рис. 8.39, а). По данным [30] стабилизатор обладает внутренним сопротивлением менее 5 Ом, коэффициентом стабилизации около 1000 и температурным коэффициентом напряжения (ТКН) 0,3 и 1 %/град при использовании кремниевого и германиевого транзисторов соответственно. В качестве источника входного напряжения Ui используется функциональный генератор с параметрами на рис. 8.39, в. Длительность развертки осциллографа (0,02 с/дел) выбрана из условия, при котором на его дисплее умещается не более одного периода Ui (рис. 8.39, б).

                                                                                              а)                                    б)

                                                                                               в)                                             г)

Рис. 8.39. Низковольтные источники опорного напряжения

На рис. 8.39, г приведены две схемы низковольтных источников опорного напряжения на полевых транзисторах. Первый стабилизатор выполнен на одном транзисторе Т по схеме, напоминающей истоковый повторитель. Выходное напряжение стабилизатора определяется напряжением отсечки транзистора и его напряжением затвор-исток; коэффициент стабилизации и выходное сопротивление стабилизатора оценивается величинами 300 и 30 Ом. Вторая схема по существу представляет последовательное включение двух рассмотренных стабилизаторов: первая ступень выполнена на транзисторе Т1, вторая — на Т2. Стабилизатор характеризуется повышенным коэффициентом стабилизации (около 1000) и меньшим выходным сопротивлением (около 5 Ом). В качестве источника питания обоих стабилизаторов используется функциональный генератор с параметрами, указанными на рис. 8.39, в; характер осциллограмм Ui и Uo аналогичен показанным на рис. 8.39, б; для поочередного осциллографического контроля выходного напряжения Uo стабилизаторов используется ключ Х.

2. Низковольтные источники опорного напряжения на транзисторной модели стабилитрона, основанной на использовании двух транзисторов разной проводимости (рис. 8.40). Схема с фиксированным выходным напряжением Uo = 0,8 В (для германиевых транзисторов — 0,4 В) и внутренним сопротивлением 10 Ом выполнена на транзисторах Т1, Т2. Вторая схема (на транзисторах Т3 и Т4) позволяет устанавливать выходное напряжение в пределах 1—4 В за счет изменения сопротивления резисторов R2 или R3. Так, при R3 = 6,5 и 4 кОм выходное напряжение составляет 1,9 и 1,1 В. Настройки функционального генератора, характер осциллограмм Ui и Uo и назначение ключа Х аналогичны п. 1.

Рис. 8.40. Низковольтные источники опорного напряжения на транзисторном эквиваленте стабилитрона

3. Стабилизаторы тока основаны на принципе стабилизации напряжения на базе транзистора Т1 с помощью стабилитрона D1 (см. рис. 8.41). Ток стабилизации однотранзисторного варианта (на Т1 типа КТ203 и D1 типа КС147) приблизительно равен (U_СТ – U_БЭ)/R1, где  U_СТ, U_БЭ — напряжение стабилизации стабилитрона D1 и напряжение база-эмиттер транзистора Т1. Коэффициент стабилизации однотранзисторной схемы DUi/DI = 26; двухтранзисторной (на Т2 (КТ203), Т3 (КТ312) и стабилитронах D2, D3 (оба — типа КС147)) — более 57. Более высокий коэффициент стабилизации достигается благодаря дополнительной стабилизации токов, протекающих через стабилитроны; резистор R3 служит для повышения надежности запуска стабилизатора.

Настройки функционального генератора, характер осциллограмм Ui и Uo и назначение ключа Х аналогичны п. 1. Поскольку для двухтранзисторной схемы требуется более высокое напряжение питания, что является одним из ее недостатков, то при ее испытании необходимо увеличить амплитуду и смещение напряжения функционального генератора до 12—14 В. Для исследования зависимости выходного тока от сопротивления нагрузки Rn используется источник постоянного напряжения Е, подключаемый ключом Z, и амперметры In.

Рис. 8.41. Стабилизаторы тока

Трехтранзисторный вариант стабилизатора тока со следящей обратной связью (ОС) показан на рис. 8.42, на котором Т1, Т2 и Т5 — типа КТ203, Т3 и Т4 — типа КТ312, все стабилитроны — типа КС147. Следящая ОС осуществляется транзистором Т3. Например, при уменьшении Uo он приоткрывается (за счет увеличения напряжения база-эмиттер), что приводит к увеличению тока через Т2 и увеличению за счет этого Uo; увеличивающийся при этом ток Т1 дает обратный эффект за счет увеличения напряжения на стабилитроне D1 (и уменьшению напряжения база-эмиттер Т3), однако этот эффект незначителен вследствие известного свойства вольтамперной характеристики стабилитрона. Следует заметить, что рассматриваемое устройство является скорее стабилизатором напряжения, а не тока. По данным [30] (они приведены в графическом виде) при нагрузке Rn = 1 кОм и DUi = 4 B изменение выходного напряжения DUo = 5 мВ (при моделировании In = 3,6 мА, Uo = 3,6 В), т. е. коэффициент стабилизации по напряжению — 400; при изменении же нагрузки до 0,2 кОм — DUo = 0,5 В (при моделировании — 0,23 В (Uo = 3,83 В), In = 19,2 мА), т. е. эффект стабилизации тока практически отсутствует.

Рис. 8.42. Стабилизаторы тока и опорного напряжения

4. Стабилизаторы напряжения представлены в [30] в достаточно большом ассортименте. Рассмотрим наиболее оригинальные из них.

На рис. 8.42 представлен так называемый кольцевой стабилизатор опорного напряжения (на транзисторах Т4, Т5), выполненный на двух стабилизаторах тока и образующих кольцеобразную структуру взаимной стабилизации токов, протекающих через стабилитроны D2 и D3. Существенную роль для стабилизации выходного напряжения Uo играет резистор R1. При указанном на схеме сопротивлении R1 коэффициент стабилизации достигает 400; утверждается, что при R1 = 100 кОм он может быть увеличен до 10³, а при использовании термокомпенсированного стабилитрона типа Д818Е (при токе стабилизации 10 мА) — до 10⁵ при ТКН = 10^–6 В/град в диапазоне от –20 до +60°С.

Стабилизатор напряжения на транзисторах Т1 (КТ501) и Т2 (КТ704) (рис. 8.43, а) является примером простейшего компенсационного стабилизатора (более сложная схема рассмотрена в разд. 28.3). В этой схеме транзистор Т2 выполняет роль эмиттерного повторителя, а Т1 — усилителя рассогласования выходного напряжения Uо и напряжения на стабилитроне D1 (КС147 вместо Д814Г, использованного в [30]). Например, увеличение Uо приводит к уменьшению коллекторного тока Т1 и уменьшению падения напряжения на R2 и, следовательно, к соответствующему уменьшению Uо. Коэффициент стабилизации определяется коэффициентом усиления каскада на Т1 по постоянному току и, по результатам моделирования на компонентах типа Ideal, составляет около 20.

Вторая схема стабилизатора на рис. 8.43, а выполнена на транзисторах Т3, Т5 (КТ312), Т4 (КТ808) и Т6 (КТ203, совместно с диодом D3, резистором R8 и транзистором Т5 защищает стабилизатор от коротких замыканий). Источник опорного напряжения выполнен на транзисторе Т3 и стабилитроне D2 (КС147); опорное напряжение формируется на коллекторе Т3 и через эмиттерный повторитель на Т4 передается на выход. Имитация короткого замыкания производится переключением нагрузки Rn1 (нормальный режим) на Rn2 (короткое замыкание) через 0,15 с после включения с помощью таймера TD. При этом падение напряжения на R8 превышает напряжение двух p-n—переходов (диода D3 и база-эмиттер транзистора Т6), в результате чего последовательно открываются Т6, Т5, закорачивается выход источника опорного напряжения и напряжение на базе (и выходе) Т4 фиксируется на безопасном для него уровне (см. осциллограмму А и показания VA1 и VA2 на рис. 8.43, б).

Опорное напряжение на коллекторе Т3 при токе I_СТ стабилитрона D2 может быть определено как I_СТR5(R4/R6) (см. разд. 7.1), т. е. его стабильность определяется стабильностью I_СТ. Для определения условия, при котором это возможно, составим уравнение Кирхгофа для цепочки Ui-R3-D2-R5: Ui = (I_K + DI_СТ)R3 + U_D2 + DI_СТR5, откуда, переходя к приращениям, получим DI_СТ = (DUi – DU_D2  – DI_KR3)/(R3 + R5). Поскольку в идеальном случае  DI_СТ = 0, то с учетом того, что DUi >> DU_D2, искомое условие запишется как DUi = DI_KR3, которое автоматически, но не до желательной величины выполняется за счет приращения DI_СТR5 и дополнительно может достигнуто за счет подстройки коэффициента передачи каскада (R4/R6), например, подбором R6.

а)

б)

Рис. 8.43. Стабилизаторы напряжения

Контрольные вопросы и задания

1. Используя методику, изложенную в разд. 12.2, проведите проверку параметров (за исключением ТКН) стабилизаторов на рис. 8.39 и сопоставьте полученные результаты с приведенными выше по данным [30]. Для этого переведите осциллограф в режим ZOOM, на осциллограммах входного Ui и выходного Uо напряжений (рис. 8.39, б) с помощью визирных линеек выберите контрольные точки для отсчета Uo (VA1 и VA2), Ui (VВ1 и VВ2), DUi (VA1 – VA2) и DUо (VВ1 – VВ2).

2. Как видно из осциллограмм на рис. 8.39, б, зависимость Uo = f(Ui) получена, начиная с Ui = 8 В. Каким образом необходимо изменить настройки функционального генератора, чтобы можно было исследовать Uo = f(Ui), начиная, скажем, с Ui = 1 В?

3. Поскольку схемы стабилизаторов на рис. 8.39 и 8.40 выполнены на транзисторах типа Ideal, то результаты моделирования несколько отличаются от данных, приведенных в справочнике [30]. В связи с этим целесообразно заменить эти транзисторы на КТ312 (Т в схеме на рис. 8.39, а и Т2, Т4 — на рис. 8.40), КП103И (Т, Т1 и Т2 — на рис. 8.39, г) и КТ203 (Т1 и Т3 — на рис. 8.40). Порядок подготовки моделей промышленных образцов электронной техники приведен в гл. 1.

4. Для стабилизаторов на рис. 8.41 проведите исследования зависимостей коэффициента стабилизации тока от входного напряжения и сопротивления нагрузки (в диапазоне от 50 Ом до 3 кОм).

5. При исследовании двухтранзисторного стабилизатора на рис. 8.41 рекомендуется увеличить амплитуду и смещение напряжения функционального генератора до 12—14 В; в других случаях (см. п. 2) их нужно уменьшать. Почему эти параметры нужно менять на одну и ту же величину?

6. По данным [30], при уменьшении сопротивления нагрузки Rn до 200 Ом выходное напряжение кольцевого стабилизатора напряжения на рис. 8.42 изменяется на 30 мВ. Каким образом можно повысить его нагрузочную способность?

7. Исследуйте зависимость коэффициента стабилизации стабилизатора на рис. 8.43 от сопротивления резистора R6.