Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Параметрические стабилизаторы напряжения

2. Способы повышения коэффициента стабилизации параметрических СН

3. Компенсационные стабилизаторы напряжения

Библиографический список

Введение

Надёжная и точная работа радиоэлектронной системы, как аналоговой, так и цифровой, в значительной мере определяется качеством питающего напряжения. В связи с этим возникает потребность в разработке стабилизированных систем вторичного электропитания. В большинстве случаев в качестве первичного источника питания используется сеть 220 В 50 Гц. Поэтому система электропитания должна содержать выпрямитель, фильтр, трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку, и стабилизатор напряжения (СН) - непрерывный или импульсный, обеспечивающий радиоэлектронную аппаратуру энергией необходимого качества.

1. Параметрические стабилизаторы напряжения

Параметрические СН используются при малых токах нагрузки (120 мА) а также в качестве источников опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения (КСН). Для получения стабильного напряжения в этом случае используют элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Вид характеристики должен быть таким, чтобы падение напряжения на элементе слабо зависело от протекающего через него тока. В качестве таких элементов могут быть использованы стабилитроны, стабисторы и имеющие подобные характеристики устройства, выполненные на нескольких транзисторах, например диод Видлара - источник опорного напряжения на основе ширины запрещённой зоны.

Основная схема (простейшая) параметрического СН на основе стабилитрона приведена на рисунке 1.

а) б) в)

Рис. 1. Простейшие параметрические СН

Любой стабилизатор напряжения, в том числе и параметрический, можно охарактеризовать такими параметрами, как коэффициент стабилизации напряжения КСТ, коэффициент нестабильности по току нагрузки KI, температурный коэффициент напряжения Т:

; (1)

; (2)

, (3)

где UH, UH - напряжение на выходе СН и его изменение соответственно;

UВХ, UВХ - входное напряжение стабилизатора и его изменение соответственно;

IH, IH - ток, отдаваемый СН в нагрузку, и его изменение соответственно;

RВЫХ и RH - дифференциальное выходное сопротивление СН и сопротивление нагрузки соответственно;

Т - изменение температуры.

Отметим, что КСТ определяется при постоянном токе нагрузки, а KI - при постоянном входном напряжении.

Очевидно, что нестабильность при изменении тока нагрузки будет тем меньше, чем меньше выходное сопротивление СН по отношению к сопротивлению нагрузки.

Коэффициент стабилизации, выраженный через параметры компонентов параметрического СН (рис. 1а), имеет вид:

, (4)

где RБ - сопротивление балластного резистора (токостабилизирующего двухполюсника);

RСТ - дифференциальное сопротивление стабилитрона VD1.

Поскольку RБ >> RСТ, коэффициент нестабильности по току нагрузки можно представить следующим образом:

. (5)

Температурная нестабильность для таких схем, как представленная на рисунке 1а, определяется только температурными параметрами стабилитрона (справочные данные). Для прочих схем в общем случае нужно найти производную выходного напряжения по температуре. В частности, для схемы рисунка 1б выходное напряжение определяется суммой падений напряжений на стабилитроне и диоде. Температурный дрейф напряжения на диоде составляет примерно -2 мВ/оС. Если стабилитрон имеет положительный температурный дрейф, то результирующий дрейф выходного напряжения частично или полностью может быть скомпенсирован. В частности, таким образом, выполнен стабилитрон типа Д818Е - последовательно со стабилитроном включён p-n переход в прямом направлении.

Резистор R1 (RБ) выбирается из следующих соображений. Через резистор R1 протекает ток стабилитрона и ток нагрузки; при максимальном токе нагрузки через стабилитрон должен протекать минимальный ток, при котором обеспечивается ещё и стабилизация напряжения, поэтому:

. (6)

Можно легко убедиться, что сопротивление резистора R1 не может быть сделано достаточно большим, поэтому КСТ не будет превышать 20.

Для схемы рисунка 1б несколько выше будет выходное сопротивление, так как последовательно с дифференциальным сопротивлением стабилитрона включено ещё и дифференциальное сопротивление диода.

Существенно повысить коэффициент стабилизации параметрического СН можно, повысив дифференциальное сопротивление токостабилизирующего двухполюсника, применив в качестве него тот или иной источник тока, например, на полевом транзисторе (рис. 1в). В этом случае в выражение (4) вместо сопротивления RБ необходимо подставить дифференциальное сопротивление источника тока RИТ, которое может составлять 100 кОм и более. Коэффициент стабилизации такого параметрического СН может достигать 1000 и более.

Для повышения нагрузочной способности параметрического СН можно использовать эмиттерный повторитель, как это показано на рисунке 2. Вполне очевидно, что влияние изменения тока нагрузки в этой схеме ослаблено в ( + 1) раз в сравнении с ранее рассмотренными схемами параметрических СН. С другой стороны, выходное сопротивление схемы рисунка 2 может быть сделано существенно меньше, особенно при увеличении тока нагрузки:

, (7)

где rЭ = Т / IН - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора.

Выходное напряжение для такого стабилизатора:

UН = UСТ - UБЭ, (8)

где UСТ - напряжение стабилизации стабилитрона VD1.

Следует помнить, однако, что, если напряжение стабилитрона имеет положительный температурный дрейф, результирующий температурный дрейф напряжения на нагрузке будет положительным. При отрицательном температурном дрейфе напряжения стабилизации возможна частичная компенсация температурного дрейфа выходного напряжения стабилизатора и даже изменение его знака.

Выбор резистора R1 должен быть подчинён условию:

. (9)

Сравнивая выражения (6) и (9), можно заметить, что сопротивление балластного резистора во втором случае можно сделать существенно больше при прочих равных условиях со схемами рисунков 1а и б, поэтому и коэффициент стабилизации последней схемы рисунка 2 будет несколько выше, чем у схем рисунков 1а и б.

Можно предложить следующий порядок моделирования схем параметрических СН.

1. Выбрав стабилитрон типа КС156А (или любой другой из имеющихся в Spice-библиотеке моделей), для тока нагрузки 10 мА и входного напряжения 10 В рассчитать параметры резисторов R1 для схем рисунков 1а и б. Воспользовавшись справочными данными, оцените КСТ, КI и Т для этих схем. Указание: в справочнике для стабилитрона обычно приводится параметр Т. Для схемы рисунка 1б необходимо найти в этом случае температурный дрейф напряжения стабилитрона UСТ /T (воспользовавшись выражением (3)), затем прибавить к нему или вычесть температурный дрейф диода:

Рис. 2. Повышение нагрузочной способности параметрического СН

dUД / dT -2 мВ/оС.

1.1. По директиве «Dc Sweep» проведите моделирование схем при фиксированном токе нагрузки 15 мА для определения КСТ. Целесообразно обе схемы ввести в один файл, подключить к одному источнику входного напряжения и провести моделирование для вариации UВХ в пределах 20 % от номинального напряжения. В этом случае можно выводить графики зависимости для разных схем в одной системе координат, что позволит легко сравнивать характеристики двух схем. Указание: для определения КСТ в командной строке меню «Add Trace» можно записать:

(dV<узел входа>/dV< узел выхода>) / (V< узел выхода>/ V<узел+ + входа>).

В этом случае на график будет выведена зависимость КСТ от изменения входного напряжения.

В этом же режиме (на другом графике) можно найти дифференциальное сопротивление стабилитрона, записав в командной строке меню «Add Trace» выражение для производной:

dV<узел выхода> / dI(D1).

Сравните полученные в результате моделирования данные с расчётными и между собой, сделайте выводы. Примечание: cледует помнить, что, если расхождение экспериментальных результатов (или результатов моделирования) не выходит за пределы 10 %, расчётные данные можно признать вполне удовлетворительными.

1.2. Проведите моделирование по директиве «DC Sweep» при вариации температуры от -60 до 125 оС по аналогии с нахождением КСТ, записав в командной строке меню «Add Trace» выражение для Т по определению (3). Сравните характеристики двух схем, объясните расхождение с расчётными результатами, если оно возникло; сделайте выводы.

1.3. Подключите в качестве нагрузки к СН зависимые источники тока G1 и G2, управляемые от одного внешнего источника напряжения и, соответственно, от собственного падения напряжения на источниках тока. Таким образом, имитируется переменное сопротивление. Ток через эти источники тока должен меняться от 0 до IН.МАКС, например до 10 мА. При этом можно исследовать зависимость выходного напряжения от тока нагрузки (вариации подвергается напряжение внешнего управляющего источника напряжения по директиве «DC Sweep») или определить KI. Сравните характеристики двух схем, объясните расхождение с расчётными результатами, если оно возникло; сделайте выводы.

2. Введите описание схемы рисунка 1в, используя в качестве полевого транзистора КП303Е, так как он имеет достаточно большой начальный ток стока. Ориентировочно сопротивление резистора R1 можно найти из выражения (1.8), задавшись током стока 10 мА и определившись напряжением отсечки и начальным током стока. Впоследствии сопротивление резистора R1 можно уточнить в процессе моделирования. Расчёт параметра КСТ в этом случае затруднён, так как неизвестно выходное сопротивление полевого транзистора со стороны стока. Ориентировочно его можно принять 50100 кОм, однако понятно, что погрешность такого расчёта будет весьма велика.

2.1. После предварительного моделирования по директиве «Bias Point Detail» и уточнения номиналов элементов по директиве «DC Sweep» определите зависимость изменения выходного напряжения при изменении входного в пределах 0 % от начального (10 В, если используется стабилитрон КС156А), а также найдите КСТ.

2.2. Проведите моделирование по директиве «DC Sweep» при изменении температуры. Сопоставьте результаты моделирования для схем рисунка 1а и в.

2.3. По аналогии с п. 1.3 проведите моделирование для определения KI. Сопоставьте результаты моделирования для схем рисунка 1а и в.

3. Для схемы рисунка 2 рассчитайте параметры резистора R1 при максимальном токе нагрузки 30 мА, выбрав транзистор типа КТ630В или близкий ему по параметрам. Коэффициент усиления тока базы можно взять из справочника либо на этапе предварительного моделирования по директиве «Bias Point Detail» - в выходном файле «Examine Output» найти конкретное значение . Оцените параметры стабилизатора, используя найденное из п. 1.1 дифференциальное сопротивление стабилитрона.

3.1. Повторите пп. 1.2 и 1.3 (ток нагрузки изменяйте от 0 до 30 мА). Сопоставьте результаты моделирования с расчётами, а также с результатами моделирования предыдущих схем. Сделайте выводы.

2. Способы повышения коэффициента стабилизации параметрических СН

Простейшие параметрические стабилизаторы, примеры реализации которых приведены на рисунке 1, обладают не очень высоким коэффициентом стабилизации - от десятков до нескольких сотен. В некоторых случаях требуются коэффициент стабилизации в несколько десятков тысяч, особенно в случаях использования ПСН в источниках опорного напряжения аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Из выражения (4) кажется очевидным путь повышения коэффициента стабилизации - увеличение сопротивления балластного резистора (токостабилизирующего двухполюсника) (ТД). Но если в качестве ТД используется резистор, необходимо повышать входное напряжение, что приведёт к снижению коэффициента стабилизации.

Другой путь - использовать в качестве ТД источник тока - элемент с достаточно большим выходным дифференциальным сопротивлением (рис. 4в). В этом случае можно достичь коэффициента стабилизации в несколько тысяч. Это означает, что при изменении входного напряжения, например, на 1 В при КСТ = 1000 выходное напряжение изменится на 1 мВ.

Но и это изменение иногда может оказаться чрезмерно большим.

Степень влияния различных дестабилизирующих факторов на выходное напряжение определяет точность ИОН, которую чаще всего определяют через относительное изменение выходного напряжения в процентах. Иногда, если ПСН предназначен для работы совместно с аналогово-цифровым или цифро-аналоговым преобразователями, точность оценивают в «бит». Это означает, что источник опорного напряжения имеет абсолютное колебание выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов в пределах не более одного младшего разряда соответствующего преобразователя. В частности, если указывается точность источника опорного напряжения «16 бит», это означает, что относительное изменение его выходного напряжения д ? (1/216)Ч100 = 0,0015 %.

Ещё одно перспективное направление повышения стабильности параметрического стабилизатора - введение дополнительных цепей, компенсирующих приращение тока через опорный элемент (ОЭ). Пример построения такого рода схем ПСН приведён на рисунке 3.

Основная задача при проектировании принципиальной схемы параметрического СН, соответствующей одной из структур, приведённой на рисунке 3, заключается в том, чтобы статический ток, протекающий в компенсирующей цепи (КЦ), был весьма мал, а компенсирующий ток был равен приращению тока через токостабилизирующий двухполюсник. То есть в конечном счёте приращение тока через стабилитрон должно быть равно нулю при изменении питающего напряжения.

Принципиальная схема, соответствующая структурной схеме рисунка 3а приведена на рисунке 4а. Компенсирующая цепь состоит из резистора R1, повторителя тока на транзисторах VT1 и VT2.

Для схемы ПСН (рис.4а) можно записать:

, (10)

где UБЭ - приращение напряжения база-эмиттер транзистора VT2 при изменении входного напряжения;

R1 - сопротивление резистора R1.

а) б)

Рис. 3. Структурные схемы ПСН с компенсацией приращения тока через ОЭ а) и компенсацией приращения тока в источнике тока б)

С учётом того, что

,

где rЭ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT2, выражение (10) можно представить как:

, (11)

откуда:

. (12)

При выполнении условия

(13)

коэффициент стабилизации схемы обращается в бесконечность, то есть она становится инвариантной к возмущению на входе.

Приведённая на рисунке 4б схема ПСН, по сути, является модификацией схемы рисунка 1в. Несмотря на то что она предельно проста по схемной конфигурации, её анализ, с точки зрения получения условий настройки для полной инвариантности выходного напряжения от изменения входного, достаточно громоздок.

а)

б)

Рис. 4. Варианты ПСН с цепью компенсации приращения тока через опорный элемент

Работу схемы ПСН (рис. 4б) можно пояснить следующим образом. При возникновении приращения входного напряжения UВХ из-за конечного выходного сопротивления RC источника тока на полевом транзисторе VT1 возникает приращение тока через стабилитрон VD1, что в конечном счёте приводит к появлению приращения выходного напряжения. Одновременно с этим возникает приращение тока и через резистор R2, которое создаёт на резисторе R1 дополнительное приращение напряжения, что приводит к уменьшению приращения тока через полевой транзистор. При правильном выборе резистора R2 можно добиться полной компенсации изменения выходного напряжения ПСН при изменении входного.

Предварительно проведём анализ схемы, в которой отсутствует компенсирующий резистор R2.

Приращение тока через стабилитрон можно представить как:

, (14)

где IС - приращение тока стока полевого транзистора, обусловленное проводимостью прямой передачи;

IСИ - приращение тока через конечное выходное сопротивление RС.

Приращение тока стока IС определяется крутизной S (передаточной проводимостью) транзистора и изменением напряжения затвор-исток UЗИ, равного приращению падения напряжения на резисторе R1 (ток затвора считается пренебрежимо малым):

, (15)

где ICT - приращение тока через стабилитрон.

(Отрицательное приращение тока стока объясняется тем, что при увеличении падения напряжения на резисторе R1 ток стока уменьшается, то есть в схеме действует отрицательная обратная связь.)

Приращение тока через сопротивление RC можно определить следующим образом:

, (16)

где UВХ, UВЫХ - приращения входного и выходного напряжения соответственно.

С другой стороны, приращение выходного напряжения можно определить через дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ:

. (17)

Объединяя выражения (14) - (17), оставляя в качестве переменных только UВХ и UВЫХ, получим:

(18)

Выражение (18) по виду совпадает с выражением (4): роль сопротивления балластного резистора выполняет выходное сопротивление полевого транзистора RC за счёт действия ООС, увеличенное в (1+SR1) раз.

Анализ схемы с компенсацией входного возмущения (при наличии резистора R2) проведём аналогично предыдущему случаю, для чего запишем следующие очевидные уравнения:

; (19)

; (20)

для компенсирующего тока, протекающего через резистор R2:

; (21)

. (22)

Определим приращение напряжения затвор-исток:

(23)

С учётом того, что приращение тока через стабилитрон можно определить как , и, воспользовавшись выражением (21), выражение (23) можно представить следующим образом:

,

откуда получаем выражения для приращения напряжения затвор-исток:

. (24)

Подставляя в (19) выражения (20) - (22), находим:

,

откуда:

. (25)

Подставляя выражение (24) в (25) и выражая ICT через приращение выходного напряжения и дифференциальное сопротивление стабилитрона, получаем:

(26)

Из выражения (26) следует, что коэффициент стабилизации обращается в бесконечность, когда правая часть выражения обращается в нуль:

. (27)

Из (27) следует условие настройки:

. (28)

Таким образом, при выполнении условия (28) коэффициент стабилизации схемы ИОН (рис. 4б) обращается в бесконечность. Следует отметить, что в условие настройки входят режимно зависимые параметры: крутизна прямой передачи S и выходное сопротивление полевого транзистора RC. В связи с этим условие настройки выполняется только в одной точке. Но и в окрестностях этой точки коэффициент стабилизации оказывается столь велик, что с трудом поддаётся измерению, и проще получить такую характеристику ИОН, как относительная нестабильность выходного напряжения.

Для подтверждения приводимого выше анализа на рисунке 5 приведены зависимости выходного напряжения при изменении входного при наличии и отсутствии цепи компенсации, а на рисунке 6 - графики относительной нестабильности выходного напряжения для схемы ИОН рисунка 4б.

Рис. 5. Изменение выходного напряжения схемы ИОН рисунка 4б при изменении входного без компенсирующего резистора R2 (кривая ?) и при наличии резистора R2 (кривая ?)

Из приводимых графиков видно, что нестабильность выходного напряжения в схеме ИОН с компенсацией примерно в 20 раз меньше, чем без компенсации, при моделировании использовалась модель полевого транзистора из АБМК Минского НПО «Интеграл».



Рис. 6. Относительная нестабильность выходного напряжения схемы ИОН рисунка 4б при изменении входного без компенсирующего резистора R2 (кривая ?) и при наличии резистора R2 (кривая ?)

На рисунке 7 приведены различные варианты построения параметрических СН, в которых используются компенсирующие каналы. Подробную информацию о работе приводимых схем можно найти в работе.

Особое место среди приводимых ПСН занимают схемы рисунков 7д и е. При внимательном рассмотрении этих схем можно обнаружить, что они практически одинаковы, точнее, имеют одинаковую архитектуру. Разница заключается в том, что в одном случае используются полевые транзисторы с изолированным затвором, в другом - биполярные транзисторы, и в качестве опорного элемента в первом случае используется также полевой транзистор в диодном включении, а во втором - стабилитрон.

Рассмотренные ранее схемы ПСН ориентированы на повышение стабильности выходного напряжения при изменении входного и должны работать либо на достаточно высокоомную, либо на неизменную нагрузку.

Способы снижения выходного сопротивления ПСН достаточно хорошо известны и сводятся либо к применению эмиттерных повторителей для повышения нагрузочной способности, либо к созданию дополнительных, шунтирующих опорный элемент цепей, обладающих относительно низким дифференциальным сопротивлением.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 7. Различные модификации параметрических СН с повышенным коэффициентом стабилизации

Если в схеме ПСН рисунка 7е зашунтировать транзистор VT1 в диодном включении, то образуется хорошо известная схема, в которой выходная проводимость стабилитрона снижена за счёт параллельного канала, образованного транзистором VT2:

, (29)

где rЭ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT2.

Увеличение выходной проводимости по сравнению с базовой схемой позволяет повысить нагрузочную способность и несколько повысить коэффициент стабилизации, однако для повышения нагрузочной способности необходимо увеличивать ток токостабилизирующего двухполюсника, что приведёт к снижению его внутреннего сопротивления и некоторому снижению коэффициента стабилизации.

Если транзистор VT1 в диодном включении в схеме присутствует, то для выходного сопротивления схем в ПСН (рис. 7а) можно записать:

, (30)

где IK - ток коллектора транзистора VT2;

UБЭ1,2 - напряжение база-эмиттер соответствующего транзистора.

Пренебрегая базовым током транзистора и учитывая, что приращение тока через стабилитрон обусловлено приращением напряжения база-эмиттер транзистора, выражение (3.15) можно представить в виде:

, (31)

где - коэффициент передачи тока эмиттера транзистора VT2; IЭ - ток его эмиттера.

Находя соответствующие производные, определим выходное сопротивление:

. (32)

В сравнении со схемой ПСН без транзистора VT1 в диодном включении выигрыш в уменьшении выходного сопротивления при прочих равных условиях составит:

. (33)

Выражение (33) получено при условиях: R1>>rСТ; R1>>rЭ; 1, что легко реализуется на практике.

Для определения коэффициента стабилизации схемы ПСН (рис. 7е) воспользуемся следующей системой уравнений:

, (34)

где dIИТ - приращение тока через источник тока; dIСТ - приращение тока через стабилитрон VD1; dIК - приращение тока коллектора транзистора VT2; S = /rЭ2 - крутизна прямой передачи транзистора VT2.

Решение системы (34) приводит к следующему выражению для коэффициента стабилизации:

. (35)

Анализ выражения (35) показывает, что введение дополнительного транзистора (VT2) в базовую схему ПСН увеличивает коэффициент стабилизации в R1/rЭ2 раз. В то же время можно показать, что включение последовательно со стабилитроном резистора R1 приводит к снижению коэффициента стабилизации в R1/rСТ раз. Введение в схему ПСН транзистора VT1 в диодном включении компенсирует вредное влияние резистора на параметры схемы ПСН, существенно повышая коэффициент стабилизации. Заметим, однако, что сопротивление резистора R1 мало, так как оно совместно с напряжением база-эмиттер транзистора VT2 определяет минимальный ток стабилизации стабилитрона VD1. Из практических соображений для интегральных стабилитронов это сопротивление не может быть больше 12 кОм, а для дискретных - не более 6001000 Ом.

Ещё более существенным преимуществом обладает схема ПСН, выполненная на полевых транзисторах (рис. 7д).

Параметрический СН (рис. 7д) работает аналогично ПСН, схема которого приведена на рисунке 7е. Существенное отличие заключается лишь в том, что входное сопротивление полевого транзистора VT3 не влияет на параметры схемы и при использовании полевых транзисторов с пороговым напряжением затвор-исток 13 В сопротивление резистора R0 может быть выбрано в пределах 1020 кОм.

Аналитическое выражение для коэффициента стабилизации для этой схемы ПСН может быть получено по аналогии с предыдущим случаем:

, (36)

где r - внутреннее сопротивление полевого транзистора в диодном включении;

SПТ - крутизна прямой передачи полевого транзистора VT3.

Выражение (36) показывает, что полностью компенсируется влияние резистора R0 на увеличение сопротивления опорного элемента, так как практически отсутствует ток затвора полевого транзистора VT3 и ток его истока равен току стока.

Можно предложить следующий порядок моделирования схем параметрических СН с повышенным коэффициентом стабилизации.

1. Соберите схемы параметрических СН, приведённых на рисунке 8а. (Такое построение схем для моделирования позволяет в одном задании на моделирование исследовать поведение сразу двух схем ПСН и сопоставить их характеристики.) Не идеальность источников тока в данном случае моделируется включением параллельно источникам тока конечных сопротивлений (R1 и R2 на рис. 8а).

а)

б)

Рис. 8. Схемы параметрических СН, предназначенные для моделирования в среде PSpice

В качестве транзисторов использованы модели компонентов НПП «Пульсар» (г. Москва), хотя можно использовать и любые другие модели, имеющиеся в вашем распоряжении. В качестве стабилитрона можно применить любую подходящую Spice-модель, имеющуюся в библиотеке моделирующей программы на напряжение стабилизации от 3,9 до 5,6 В. Примечание: обратите внимание на то, что в качестве источника питания в схеме рисунка 8а установлен источник AC. Это связано с тем, что вариацию DC можно выполнить и с этим источником, а для определения коэффициента стабилизации, как будет показано ниже, необходимо будет провести анализ по директиве .AC.

2. Задавшись номиналами элементов R1 и R3, из выражения (13) определим сопротивление резистора R2. Ток стабилитрона (ток источников тока I1 и I2) выбираем, руководствуясь инженерными соображениями и справочными данными - в пределах 1…3 мА при напряжении питания 10 В.

3. По директиве .DC, изменяя напряжение питания (входное напряжение) в пределах ±2 В от начального, определите изменение выходного напряжения в узлах 2 и 2_1, выводя их на один плот. Подбором резистора добейтесь параболической формы кривой выходного напряжения в узле 2. (В этом случае коэффициент стабилизации параметрического СН будет максимальным.) Сопоставьте и объясните получившиеся результаты.

Обратите внимание: ток источника тока I2 (рис. 8а) несколько меньше, чем ток источника I1, но через оба стабилитрона течёт практически одинаковый ток, так как через транзистор VT1 ответвляется некоторая часть тока источника I1. В том случае, когда компенсируемое выходное сопротивление источника тока мало, компенсирующее сопротивление создаёт большой статический ток. Во избежание этого может быть рекомендована модифицированная схема ПСН (рис. 8б), в которой введён дополнительный стабилитрон D3, выполняющий роль схемы сдвига уровня. В этом случае статический (начальный) ток повторителя тока на транзисторах VT1 и VT2 может быть сделан достаточно малым и при небольшом сопротивлении R2.

4. По директиве .DC можно определить и коэффициент стабилизации, как это рекомендовалось ранее для обычных ПСН. Но, поскольку производная dUВХ/dUВЫХ будет очень велика, могут возникнуть проблемы сходимости вычислений. Чтобы исключить проблемы сходимости, можно вместо вычисления коэффициента стабилизации определить коэффициент подавления пульсаций выходного напряжения при наличии пульсаций на входе.

Для этого в режиме .AC необходимо выбрать частотный анализ, предварительно установив в атрибутах источника напряжения VAC амплитуду переменного напряжения ACMAG = 1V и начальное напряжение DC, соответствующее максимуму выходного напряжения ПСН, определённого в режиме .DC.

Далее, после проведения моделирования, строятся графики коэффициента передачи входного переменного напряжения на выход схемы (рис.9) в логарифмическом масштабе.



Рис. 9. Зависимость подавления пульсаций ПСН рисунка 8а от частоты (кривая ? - узел 2, кривая ? - узел 2_1)

Конкретно в вашем случае эти графики могут несколько отличаться от приведённых, но характер зависимости будет подобным. К какому выводу можно придти, анализируя эти графики?

Во-первых, результат подавления пульсаций приведён в децибелах, поэтому можно сказать, что для простейшей схемы коэффициент подавления пульсаций составляет примерно 0,0011, что соответствует коэффициенту стабилизации примерно 900. Для схемы ПСН, в которой применена компенсация выходного сопротивления источника тока, коэффициент подавления пульсаций составляет 2,5 ·10-7, что соответствует коэффициенту стабилизации 4·106.

Во-вторых, коэффициент подавления пульсаций практически не зависит от частоты (вплоть до 1 МГц) у простейшей схемы и начинает существенно падать у схемы с компенсацией, начиная с 10 кГц, что объясняется зависимостью от частоты крутизны прямой передачи полевого транзистора. Но, поскольку чаще всего необходимо подавлять пульсации на частоте 100 Гц и в редких случаях на более высоких частотах, такой результат можно признать вполне удовлетворительным.

4.1. Не изменяя условий настройки на максимум коэффициента стабилизации, измените DC-составляющую входного напряжения на ±1 В от первоначальной и вновь постройте графики по аналогии с предыдущим случаем. Объясните получившиеся результаты.

4.2. Проведите моделирование по п. 4.1, задав в директиве Parametric в окне Value list изменение температуры от -40 до +120 °С с шагом, например, 40 °С. Постройте графики для коэффициента подавления пульсаций и объясните получившиеся результаты.

3. Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) относятся к системам автоматического регулирования. Принцип их действия основан на том, что выходное напряжение (или его часть) сравнивается с заданным (опорным) напряжением. При изменении выходного напряжения под воздействием различных дестабилизирующих факторов (изменения питающего напряжения, изменения тока нагрузки) вырабатывается сигнал ошибки. Усиленный сигнал ошибки воздействует на управляющий (регулирующий) элемент таким образом, чтобы разность между выходным напряжением (напряжением нагрузки) и опорным напряжением стремилась к нулю. Таким образом, достигается стабилизация напряжения на нагрузке.

В сущности, КСН похож по своей структуре на усилитель мощности, на вход которого подано постоянное (опорное) напряжение, с той лишь разницей, что такой усилитель мощности может быть рассчитан на усиление однополярного сигнала.

Обобщённая функциональная схема КСН приведена на рисунке 10.



Рис. 10. Обобщённая функциональная схема КСН

Стабилизатор напряжения состоит из источника опорного напряжения (ИОН), усилителя постоянного тока (УПТ), играющего роль усилителя сигнала рассогласования, регулирующего элемента (РЭ) и делителя напряжения обратной связи (ДНОС). Его работу можно пояснить следующим образом. Предположим, что напряжение UH получило положительное приращение, а опорное напряжение U0 осталось неизменным. Часть выходного напряжения через ДНОС поступает на инвертирующий вход УПТ. Тогда на выходе УПТ появляется усиленная разность между опорным напряжением и частью выходного напряжения, причём знак приращения напряжения на выходе УПТ противоположен знаку приращения UH. Напряжение с выхода УПТ воздействует на РЭ, подзапирая его, за счёт чего выходное напряжение возвращается к исходному уровню. То есть цепь ООС компенсирует изменения выходного напряжения под действием дестабилизирующих факторов. Именно поэтому такой стабилизатор напряжения получил название компенсационного.

Если считать, что в качестве УПТ используется идеальный ОУ, то выходное напряжение можно представить следующим образом:

. (37)

Нестабильность выходного напряжения при изменении входного возникает по следующей причине. Через резистор RБ на вход РЭ поступает приращение входного напряжения. Поскольку на выходе УПТ присутствует и сигнал обратной связи, приращение, обусловленное изменением входного напряжения, частично компенсируется и результирующий сигнал передаётся на выход через коэффициент передачи РЭ КРЭ 1:

, (38)

где К0 - коэффициент усиления УПТ;

КД = R2 /(R1 +R2 ) - коэффициент передачи ДНОС;

КПР = (RУПТ || RРЭ ) / (RБ + RУПТ || RРЭ ) - коэффициент прямой передачи входного возмущения на вход РЭ;

RУПТ - выходное сопротивление УПТ;

RРЭ - входное сопротивление РЭ.

Из (11) можно получить выражение для коэффициента стабилизации, определённое через абсолютные приращения входного и выходного напряжения:

. (39)

Анализ выражения (39) показывает, что повышение коэффициента стабилизации возможно за счёт снижения КПР и повышения петлевого усиления ТU = КДК0. Заметим, что выражение (39) получено в предположении, что ИОН абсолютно стабилен. Это предположение оправдано в том случае, если ИОН питается с выхода КСН. Если ИОН питается со входа КСН, то результирующая нестабильность выходного напряжения будет складываться из нестабильности, обусловленной прямой передачей входного возмущения на выход КСН и нестабильности ИОН:

, (40)

где КСТ.ПР = КСТ.А - коэффициент стабилизации напряжения на нагрузке при абсолютной стабильности напряжения ИОН;

КОП - коэффициент стабилизации ИОН, выраженный через абсолютные приращения входного и выходного напряжений.

Из (40) можно получить, что результирующий коэффициент стабилизации будет «меньше меньшего», как при параллельном соединении сопротивлений:

. (41)

Этот факт необходимо учитывать при проектировании КСН, принимая соответствующие меры для повышения стабильности ИОН, питаемого со входа СН.

Коэффициент полезного действия КСН с последовательным включением РЭ определяется разностью напряжений «вход - выход»:

, (42)

где UРЭ = UВХ - UН - падение напряжения на регулирующем элементе.

Исследование КСН рекомендуется провести на практической схеме, представленной на рисунке 11.



а) б) в)

Рис. 11. Схема КСН для исследования а) и элементы замены: для резистора R1 - б); для резистора R2 - в)

Роль УПТ в этой схеме играет дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT2. Регулирующий элемент выполнен составным по схеме Дарлингтона на транзисторах VT3 и VT4. Расчёт статического режима подобного КСН заключается в выборе параметров элементов при заданных UH, IH, UВХ. Зададимся UH = 6,6 В, IH = 0,5 А, UВХ = 10 В.

Порядок расчёта следующий:

- по заданному току нагрузки определяем ток базы транзистора VT3:

; (43)

- выбираем сопротивление резистора R1, увеличивая потребный ток базы VT3 в полтора - два раза, чтобы учесть возможный технологический разброс параметров транзистора:

; (44)

- сопротивление R4 выбираем из выражения (41);

- выбираем тип стабилитрона VD1, учитывая, что напряжение стабилизации стабилитрона UСТ = U0 < UH;

- выбираем сопротивление резистора R2:

(45)

или, если стабилитрон питается с выхода КСН:

; (46)

- ток дифференциального каскада определяется напряжением стабилизации стабилитрона и сопротивлением резистора R3. Ток транзистора VT2 при отсутствии тока нагрузки должен обеспечить запирание транзистора VT3. Следовательно, ток через резистор R3 должен примерно вдвое превышать ток через резистор R1:

; (47)

- резисторы ДНОС выбираются из условия (37) с учётом того, что ток, протекающий через эти резисторы, должен быть много больше, чем ток базы транзистора VT2;

- температурная стабильность СН определяется (в основном) температурным дрейфом напряжения стабилитрона:

. (48)

непрерывный импульсный стабилизатор напряжение компенсационный

Обратите внимание: наиболее сильно нестабильность выходного напряжения проявляется при воздействии на ИОН. Более того, нестабильность ИОН ещё и усиливается на выходе СН!

Проблема устойчивости КСН, как и для любого устройства с ООС весьма актуальна. Обычно устойчивость стабилизатора к самовозбуждению обеспечивается при включении конденсатора на выходе и между входом РЭ и общей шиной.

Компенсационные СН с непрерывным регулированием не исчерпываются рассмотренным типом стабилизатора. Если СН, представленный на рисунке 4, имеет РЭ, включённый последовательно между нагрузкой и источником питания, то с таким же успехом можно построить КСН, у которого РЭ будет включён параллельно нагрузке. Однако такие СН, ввиду своего низкого КПД, не получили широкого распространения.

Ещё одна разновидность стабилизаторов - это КСН с импульсным преобразованием электроэнергии. С одной стороны, импульсные КСН относятся к другой области аналоговой техники - электропреобразовательным устройствам. С другой - они гораздо сложнее как функционально, так и схемотехнически и процесс их моделирования на ПЭВМ требует большой вычислительной мощности компьютера.

Для удобства проведения исследования и моделирования номиналы элементов приведены на схеме рисунка 11. Там же приведены варианты замены резисторов R1 и R2 источниками токов, имеющими конечное внутреннее сопротивление. Очевидно, что эти источники тока можно выполнить на транзисторах. Но таким образом существенно усложняется схема и снижается оперативность при моделировании.

Библиографический список

Активные RC-фильтры на операционных усилителях / пер. с англ.; под ред. Г.Н. Алексакова. - М.: Энергия, 2010. - 64 с.: ил.

Алексенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М.: Радио и связь, 2009. - 256 c.

Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: справ. пособие / Н.А. Барканов [и др.]; под ред. С.В. Якубовского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2008. - 432 с.: ил. - (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

Анисимов В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Ю.М. Соколов, Н.Н. Прокопенко. - Л.: Энергия, 2009. - 168 с.: ил.

Источники вторичного электропитания / под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 2010. - 280 с., ил. (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

Model of BD329. Philips Semiconductor. Product specification (электронный ресурс). - URL: http://www.philips.com/_Models.

Ногин, В.Н. Аналоговые электронные устройства: учеб. пособие для вузов / В.Н. Ногин. - М.: Радио и связь, 2010. - 304 с.: ил.

Полупрововодниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: справочник / под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 744 с.: ил.

Разевиг, В.Д. Применение программ P-CAD и Pspise для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 вып. Вып. 2. Модели компонентов аналоговых устройств / В.Д. Разевиг. - М.: Радио и связь, 2008. - 70 с.: ил.

Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesingLab 8.0 / В.Д. Разевиг. - М.: СОЛОН-Р, 2009. - 704 с.: ил. (Серия «Системы проектирования»).

Синтез активных RC-цепей. Современное состояние и проблемы / под ред. А.А. Ланнэ. - М.: Связь, 2010. - 296 с.: ил.

Соклофф С. Аналоговые интегральные схемы: пер. с англ. / С. Соклофф. - М.: Мир, 2008. - 583 с.: ил.

Старченко, Е.И. PSpice пользователю: пособие / Е.И. Старченко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2009. - 37 с.: ил.

Старченко Е.И. Базовые матричные кристаллы. Схемотехника типовых аналоговых микроэлектронных устройств: пособие по изучению теоретической части дисциплины «Аналоговые электронные устройства» / Е.И. Старченко, В.Г. Манжула. - Шахты: ШТИБО, 2010. - 61 с.: ил.

Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. - М.: Энергия, 2010. - 615 с.: ил.

Титце У. Полупроводниковая схемотехника: пер. с нем. / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 2008. - 586 с.: ил.

Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре / В.Л. Шило. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 2009. - 386 с.: ил.

Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: пер. с нем. / П. Шкритек. - М.: Мир, 2010. - 446 с.: ил.

Старченко Е.И. Принципы проектирования низковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения / Е.И. Старченко // Альтернативные естественно возобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии, экологическая безопасность регионов: Выездная сессия Секции энергетики Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления РАН: материалы сессии, Ессентуки, 12-15 апреля 2008. В 2 ч. Ч. 2 / под ред. Я.Б. Данилевича. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. - С. 155-163.

Pat. 4,322,688 US. Cascode Fid-Forward amplifier / G. Kennet Schltzhauer, 2010.

Размещено на Allbest.ru