коэффициент стабилизации (абсолютный и относительный) и выходное сопротивление стабилизатора.

Решение. Прпмщтнальная схема стабилизатора иапряжения представлена на рис. 7.73. В первом приближении предположим, что динамическое сопротивление и ток утечки стабилитрона, который должен быть выбран, пренсбрежпмо малы.

Для схемы могут быть записаны следующие уравнения:

/вх=/вых--/ст; f/Bbix=f7BX-/вхЛп.

Условие сохранения стабилизирующего действия стабилитрона (работы в пределах зоны пробоя) состоит в том, что даже при ма-

Рис. 7.73. Стабилизатор напряжения на диоде Зенера (стабилитроне) .

ксимальном токе нагрузки и минимальном напряжении питания выполняется неравенство

и вх.мив-/в ых.максЛп = V в ых.ном,

из которого находим:

р < вх.мин - ВЫХ.НОМ вых.макс

что согласно условиям задачи дает:

Снизу сопротивление последовательного резистора Лп ограничено номинальным рассеянием мощности (номинальным током) стабилитрона. Рассеяние мощности иа стабилитроне уменьшается с увеличением Rn- Чтобы использовать стабилитрон с минимальной мощностью рассеяния и получить наибольший коэффициент стабилизации, целесообразно выбрать наибольшее стандартное значение сопротивления резистора, подходящее для полученного предела. В данном случае возьмем Лп=ПО Ом*. Максимальный ток стабилитрона при этом равен:

/ст.макс = вх.макс -вых.мин,

где

вх.макс - вых.ном Лп

а в рассматриваемом случае

/вх.макс=-1=0.091 А;

/ст.макс=91-30=61 мА.

вх.макс -

* На практике следует учесть возможное отклонение сопротивления от номинального значения. При точности резисторов 10% (II класс) следует взять /?п=100 Ом. (Прим. ред.)

Таким образом, технические характеристики, которыми следует руководствоваться при выборе стабилитрона, будут:

tcT.HOM= 12 В; /ст.доп^б! мА.

Выбираем из каталога прибор, обозначенный ZD 12, имеющий следующие технические характеристики:

tcT.HOM= 12 В

Гд= 4 Ом

I для рабочей точки при ! = 50 мА; /ст.доп=75 мА, Робщ=1300 мВт.

По этим данным можно произвести более точный расчет. Из предположения о постоянстве динамического сопротивления стабилитрона получим, что диапазон изменений стабилизированного напряжения

вых.макс - (/ст.макс /ст.мин) д

где

г , t/вх.МИН t/cT.HOM .

ст.мин = р вых.макс-

В рассматриваемом случае

/ст.мин^0,05 = 4,5.10-3 А;

Дгвых.макс=(61-4,5) 10-3.4 = 0,226 В. Видно, что изменение достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь при вычислении, токов через стабилитрон. Коэффициент стабилизации равен:

0 = =1-1--

вых ll= const Гд

Относительный коэффициент стабилизации не что иное, как относительное значение этого коэффициента:

5= f - ° G.

L/bichom

в данном случае

G 1 -f -J- = 28,5; S =-528,5 =17,15.

Выходное сопротивление

/-дЛп 4.110

Ж^ yB=coHst = r + Ru - 4 -fllO - Ом.

Задача 7.30. Рассчитать последовательный транзисторный стабилизатор напряжения, представленный на рис. 7.74, и вычислить мощности, рассеиваемые иа полупроводниковых приборах.

Технические характеристики стайиаизатбра: -/вых.ном = 12 В,

ё = 0,5 А, /

вых.мин - 0. = 7 в, /ст.мин =

вх.шкс- 17 в, ивх.мт= 14 В, /вых.маки---

1ехнические характеристики стабилитрона: Uc = 3 мА, /ст.макс=20 мА.

Используется транзистор Г, типа ОС1072 с fsBnpiO-l В, Вном=70. В качестве транзисторов и применены транзисторы типа ОС1010 с t/B3np2 = tB3np3=0,5 В. В„о„2 = Вномз=35, /902= = /эк;оз=2>5 мА (макс).

Решение. Данная схема стабилизатора представляет собой регулятор с постоянным выходом, в котором в качестве опорного сигнала используется напряжение стабилитрона, а в качестве сиг-

Рис. 7.74. Последовательный стабилизатор напряжения.

\ Ррас макс

1 UcT

стпин

<-сг. макс

Рис. 7.75. Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

нала управления - выходное напряжение. Возмущения в схеме обусловлены изменениями сопротивления нагрузки и входного напряжения. Датчик представляет собой цепочку делителя, составленную из Ri и R2. Транзистор Г] выполняет роль элемента сравнения и усилителя сигнала ошибки, а в качестве силового элемента используется схема Дарлингтона, составленная из транзисторов Т2 и Т^. В качестве генератора опорного напряжения выбран стабилитрон с 1/ст.ном=7 В, так как среди имеющихся в распоряжении приборов этот диод обладает наименьшим динамическим сопротивлением и слабо выраженной температурной зависимостью пробивного напряжения, /ст.мин определяется нижним пределом диапазона стабилизации, а /от.мако определяется Ррас.макс .(рис. 7.75).

Транзистор Г, работает ири практически постоянном напряжении коллектора; t/ст =onst и эБ1ф2ЭБпрЗ=так^как 1/вых = = Bbix.Horconst. Вместе с тем 1 изменяется, и именно наибольшим значением этого тока определяется максимальная рассеиваемая мощность.

Силовой элемент построен по схеме Дарлингтона для получения большего коэффициента усиления выходного каскада и обеспечения тока базы /52, на несколько порядков меньшего, чем ток /кз-

Схема Дарлингтона, изображенная на рис. 7.74 в пунктирном квадрате, может быть при вычислении условно заменена одним транзистором, параметры которого (обозначены индексом d) определяются следующим образом:

Ч k<J - К2 + кз - ном2б2 + ЭК02 + номз/бз + эКОЗ.

где

бЗ= Э2 - 4= К2 + б2 - 4= (1 + номг) б2 + эК02 -

откуда

Kd ~ (aiom2 + Вномз + ном2номз) /Ed эк02 Ь эКОЗ Ь (эК02 - номз-

J Если приближенно считать, что ток h определяется только

* обратным током коллектор - эмиттер даже при прямом смещении, то получим:

Ь Вном£г=вном2-[-Вномз--вном2вномз;

ЭКО d = ЭК02 + ЭКОЗ + (эК02 ~ номз

[; tsBrf = эБг + ЭБЗ'

Р Если сопротивление выбрано так, что номинальный обратный ток (/эког) транзистора дает падение напряжения, меньшее, чем ЭКпрЗ отключенном состоянии весь обратный ток /302 будет

? протекать через резистор R, т. е. /эко2~* следовательно, обратный ток в схеме Дарлингтона будет иметь наименьшее возможное значение:

эко d = эко2 + экоз-Если схема Дарлингтона составлена из двух идентичных транзисторов, т. е. вном2 = шмз = homi эКОг эКОЗ~ЭКО' 362= = t3B3=t9E- TO Вном d - В'ном Ь 2Вном1

* 9KOd=29KO

C9Bd=2t;3B.

в соответствии с условиями задачи .

Пусть R = 180 Ом, тогда

B o d = 35=+ 2-35 = 1295: 9KOd = 2-25=5 мА;

С^ЭБпрй=2-0,5=1 В.

Выбор смещения транзисторов должен быть таким, чтобы схема выполняла свои функции даже при наиболее неблагоприятных усло-

24 371

виях (наихудших возможных сочетаниях отклонений входного напряжения и сопротивления нагрузки). Через проходной составной транзистор постоянно течет обратный ток /дко. Поэтому для того

чтобы схема сохранила способность стабилизировать выходное напряжение при токе нагрузки /вых.мин=0, в нее включают балластную нагрузку для отвода через нее обратного тока. Роль балластной нагрузки может выполняться, например, делителем, состоящим из резисторов Ri и Лг. Если пренебречь током базы /g то сопротивление этих резисторов может быть нормировано следующим образом:

Л, + < ipSSiL !.з =2400 Ом.

Чтобы изменения тока базы /g, не влияли на выходное напряжение делителя R R (/hBI- м. ниже), выберем достаточно низкое значение для 1+2, например 1200 Ом. В этом случае

Ir = 1вь .ном/(Л, + R,) = YJ-= 50 мА.

Сопротивление Лз должно быть выбрано так, чтобы при любых условиях был обеспечен достаточный ток возбуждения /вх для пары транзисторов схемы Дарлингтона, но ток /ст, протекающий через стабилитрон, должен лежать в пределах допустимого диапазона. Ток, протекающий через резистор Лз, равен:

/з =---

Поскольку LBbix=fBbix.HoM, то ясно, что этот ток является функцией только входного напряжения и сопротивления. Ток, протекающий через стабилитрон (током базы /i можно пренебречь), равен:

/ст = /э1 IrI - - Jbd-

Используя выражение для /3 и основное соотношение для транзисторов, получаем:

л;

Для данного значения Лз /ст будет иметь максимальное значение, когда входное иапряжепие имеет максимальное значение (t/вх.макс), ток эмиттера минимален (Isdvm) обратные токи насыщения в транзисторах максимальны (/эко<гмаксЬ этом случае

вх.макс - (tBbix.HOM Л- ЗБ nprf) ст.макс= R

мин ЭКО d макс

1 + Вно. г

Ток стабилитрона минимален, когда вводное напряжение минимально (вх.мин)! ток эмиттера максимален (/э<гмакс) и обратный ток насыщения в транзисторах минимален (/эко<гмин)- того чтобы

этот минимальный ток стабилитрона бьш достаточным для стабилизации, должно удовлетворяться условие

tex. мин - (С^вых, ном - ЭБ npd) i ст. макс -

j макс эКО d мин

1 + Bhom(J

Полученные два неравенства для тока стабилитрона могут использоваться для определения диапазона допустимых значений R3. С учетом того, что /эйвых + Л имеем:

f вх.макс - (С/вых.ном + эб при)

г ЛП 7 - °з -

вых. мин -t- 1 - ЭКО макс - -

/ст.макс + 1 + В^ош1

f вх.макс - (С/вых.ном + С^эБ прс?)

- вых.макс + 1 - эКО dwHH

Если допустить, что минимальный обратный ток насыщения равен нулю: fsKPdwm то неравенство станет более строгим:

17-(12-fl) , 14-(12+1)

04. 10 5 i3i 500+ 10-0 1 + 1295 + 1 + 1295

или

200 <Лз< 295 Ом

Пусть Лз=270 Ом.

Максимальный ток стабилитрона, который может быть в схеме, равен:

г 17-(12+1) 0+10-5 р..

ст.макс- 270 I + 1295 -

Остается определить Ri и Лг- Используя теорему Тевенина, получаем уравнение контура для цепи эмиттер-база транзистора Ti

R R R

вых.ном R R - ст + npi) = /б1 макс R,-\-R

где

С^ст + С/эБпр1 = 7 + 0,1 = 7,1 в

Э1макс -ст.макс Jl n.9nS мА. ы макс =- + 1 В„о„. + I 70+1

2-irNr-7.1 =0.208.10-3

Поскольку i+i?2=1200 Ом, то i=489 Ом, 2=711 Ом. Определим максимальные значения мощностей, рассеиваемых в полупроводниковых приборах: в стабилитроне

Ррас. макс.ст=ст/ст.макс = 7-14,8= 103,4 мВт; в транзисторе Tl

рас.макс TI SKikI макс - (вых.ном - ст + ЭБ npd ) ст.макс == = (12 - 7+1) 14,8 = 88,7 мВт;

в транзисторе

рас.макс Т3= ЭКЗ макскЗмакс - (вх.макс - вых.иом) X X (вых.макс + /.) = (17 - 12) (500 + 10) = 2640 мВт; в транзисторе

рас j aKC Т2 = ЭК2 макск2 макс - ЭК2 максгмакс =

.- ITj .JJ J, X вых.макс Ь i = VtBx.MBKc - tBbix.HOM - С^ЭБпрЗ' -Вномз + 1-~

= (17-12-0,5) §±1=63.8 мВт.

Ин Вереный Вход Q

Неинберс-ный бхсд

Опорный источник

Частотная коррекция

-OUk

Uebix.mc О

6 о ,7 о/pffjfj с/с тор-ограни/и тем тока

Рис. 7.76. Эквивалентная схема стабилизатора напряжения на базе аналоговой интегральной схемы типа цА 723С. ;

Задача 7.31. Рассчитать схему стабилизатора Напряжения на интегральной схеме р,А 723С с ограничителем тока и последовательным транзистором. Выходное напряжение стабилизируется на уровне 15 В прн токе нагрузки от О до 2,5 А. Нестабилизированное напряжение питания стабилизатора изменяется от 18 до 21 В.

Эквивалентная схема интегральной схемы типа р,А 723С пред? ставлена на рис. 7.76. Основные параметры этой схемы £п.макс=

= 1/вх.макс = £/+в1.мавс = 40 В, 1/раоРмако = в1--f вх+ = ±5 В,

f оп =6,8-1-7,5 В (все напряжения отнесены к нулю схемы рис 7.76), 374

fon.MaKc=15 мА, Ррас.макс=600 мВт, пороговое Напряжение МеЖДУ базой и эмиттером (вэпр токоограничивающего транзистора изменяется от 0,6 до 0,7 В в зависимости от температуры корпуса. Зависимость допустимого выходного тока от напряжения показана на рис. 7.77. В отключенном состоянии обратный ток равен 1 мА.

J Sbi% ton

Рис, 7.77. Зависимость допустимого выходного тока от напряжения на выходном транзисторе в интегральной схеме типа цА 723С.

=25 С

= 70с

О 10 го

Основные параметры последовательного регулирующего транзистора типа 2N 3055: 30= 60 В. /,эо<2 кк, 1/бэпр ш = 0.6 В. Вном.вшн=35. Ярас. акс= И7 Вт (для 0с=25С), Лтепл= 1.5 С/Вт, ®макс = 200 С.

Параметры транзистора типа Т1Р29 Г3, образующего совместно с .2N 3055 схему Дарлингтона:

С^КЭО=40 В, /кэо£1 мА..с;бэ=о,6 В,

В„ом.даш=20, -Ррас.м9кс = 2 Вт (для ©окр =25 С), Лх=62,5 С/Вт, вшкс== 150 С.

Максимально возможная температура окружающей среды окр.макс -

Решение. Опорное напряжение в стабилизаторе, показанном на рис. 7.78, получаем из эталонного напряжения Von при помощи делителя, состоящего из Лз, Ru и Ri. Сигнал отрицательной обратной связи - результат деления выходного напряжения на делителе, состоящем из Ri и R. Операционный усилитель ОУ осуществляет сравнение и усиление разности этих напряжений. Его выходное на-

Рис. 7.78. Стабилизатор напряжения на интегральной схеме, дополненной мощным внешним каскадом с.защитой выхода по току.

ПряЯйнйе через транзистор подается, на каскад Тз, Т^. На Последовательно включенном резисторе Логр выделяется напряжение, пропорциональное выходному току. Как только это напряжение достигает значения, равного прямому напряжению перехода база - эмиттер токоограничивающего транзистора Tl, этот транзистор начинает проводить, уменьшая напряжение на выходе ОУ, что приводит к снижению выходного напряжения и, следовательно, уменьшению выходного тока. В этом режиме схема работает как токовый вентиль-ограничитель.

Рассчитаем элементы этой схемы.

Сопротивление Re целесообразно выбрать так, чтобы обратный ток транзистора Гз был недостаточен для включения внешнего транзистора Ti, следовательно,

ВЭпр4мин

кэоз 10-3 -600 Ом.

Подобными же соображениями следует руководствоваться и при определении сопротивления резистора R:

БЭпp3.ин-BЭпp4.кн 0 6+0

- КЭ02 10

Пусть Лб=1100 Ом и Лб=560 Ом.

Делитель Ru R2 должен быть таким, чтобы схема обеспечивала стабилизацию даже при отсутствии нагрузки, другими словами, обратный ток каскада Дарлингтона должен вызывать падение напряжения, меньшее, чем номинальное выходное напряжение t/вых.вом на (Ri-l-Ri), отсюда

р , р < вых.иом

А] Аз г I г 1 г -

- КЭО 4макс Г КЭО Змакс г КЭО 2макс 15

(2+1+1) 10-

, = 3750 Ом.

Пусть в рабочем режиме напряжение на входах операционного усилитепя будет равно U = 4 В, тогда

С^вх- 4

R, = -(Л. + = 15 3750 = 1000 Ом.

1 вых. ном

вых.ном

Берем 2=1 кОм. В этом случае

вых.ном ~ ----15

= Р^ . -Jbix.HOM., р^ 1000 - 1000 = 2750 Ом.

Пусть 1=2,7 кОм. Напряжение, подводимое к инверсному входному зажиму, равно:

f --t/B x.HOM-;= 15-т+Т7- = ° -

Определим сопротивления делителя эталонного напряжения:

Чтобы влияние отклонений температуры на операционный усилитель было минимальным, должно быть:

(з + п) .2 1-2.7

K + Rs + Rn = R,R. = 1+2.7 О'з кОм.

Два уравнения, приведенных выше, дают для типичного значения эталонного напряжения t/on=7,15 В, i?4=l,69 кОм, Лз-ЬЛп= = 1,29 кОм.

Пусть Rt=l,5 кОм. С учетом разброса эталонных напряжений

интегральных схем типа цА 723С значение напряжения вх*

в рабочей точке должно быть отрегулировано при помощи потенциометра Rn-.

(Rs + /?п)ми = R.-R.= 1.5 - 1,5 = 1,02 кОм

и

(R. + /?п)макс = Я^ЫВ R-R 1,5 - 1,5 = 1,27 кОм.

Для того чтобы охватить весь диапазон, выбираем R3-I кОм, Лп.ном=2700 Ом.

Проверим ток нагрузки источника эталонного напряжения:

I < оп.шкс 2 98</ - 15 мА

Rt+(R, + RnUH ~ 1.5-Ц.02 -.У <1оп.макс- 1Ь МА.

Ясно, что делитель эталонного напряжения пригоден. Определим параметры элементов токоограничивающей схемы. Токоизмерительное сопротивление должно быть равно:

огр = -?-- ~9~Г = 0.24 Ом,

вых. макс

что нормирует возможный разброс начала ограничения тока в пределах

БЭпр.мнн /бэ1 макс

Логр вь .огр^ ; ,р

Т. е. 2,5/вых.огр=2,9 А.

Чтобы ограничить ток базы транзистора Tl, выберем 7=10 Ом.

Емкость Се служит для подавления выходного шума и напряжений пульсаций до пренебрежимо малых значений. Пусть Сп= =5 мкФ.

Конденсатор С служит для стабилизации операционного усилителя. Следует принять значение С=500 пФ, рекомендуемое изготовителем.

Определим тепловое сопротивление радиатора, на котором должен устанавливаться транзистор Tt типа 2N 3055. Рассеяние мощности максимально при КЗ на выходе:

рас.лтакс !Г4 = (вх.макс - вых. огр.максогр) вых. огр.макс = = (21-2,9-0.24)2,9=59 Вт.