Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока представляют собой системы автоматического регулирования, содержащие цепь отрицательной обратной связи. Сигнал обратной связи, управляющий регулирующим элементом, вырабатывается путем сравнения выходного напряжения с некоторым опорным напряжением. В качестве источника опорного напряжения обычно применяется параметрический стабилизатор. Блок-схема компенсационного стабилизатора приведена на рис. 8.
|
Рис. 8. Блок-схема компенсационного СН |
Сигнал рассогласования между опорным и выходным напряжениями формируется на элементе сравнения и поступает на усилитель сигнала обратной связи, в качестве которого используется усилитель постоянного тока (УПТ). С выхода УПТ сигнал подается на регулирующий элемент, меняя его сопротивление таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным.
|
Рис. 9. Базовая схема |
Схема наиболее простого и распространенного компенсационного стабилизатора положительного напряжения, собранного на транзисторах n-р-n-типа, представлена на рис. 9. Стабилизатор отрицательного напряжения может быть собран по аналогичной схеме. Необходимо лишь поменять полярность источника питания и включения стабилитрона, а также заменить транзисторы n-р-n-типа на р-n-р. В данной схеме регулирующим элементом является мощный, с большим коллекторным током, транзистор VT1, включенный по схеме эмиттерного повторителя.
На маломощном транзисторе VT 2 собран УПТ по схеме с общим эмиттером и его нагрузкой является резистор R1. Источником опорного напряжения служит параметрический стабилизатор (R2, VD), к выходу которого подключен эмиттер транзистора VT2. Резисторы R3, R4 образуют делитель выходного напряжения. С плеча делителя R4 снимается часть выходного напряжения, равная
, (10)
и подается на базу VT2. Таким образом, падение напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности Uбэ = UR4 – Uст, т.е. этот транзистор выполняет роль и усилителя сигнала ошибки, и элемента сравнения. Изменением соотношения плеч делителя R3, R4 можно менять величину выходного напряжения стабилизатора.
Работает схема следующим образом. Если выходное напряжение СН по какой либо причине увеличилось то, согласно (10), увеличится падение напряжения на R4 и на входе УПТ. Это приведет к увеличению тока коллектора VT2 и падения напряжения на R1. Напряжение между базой и эмиттером Uбэ, регулирующего транзистора VT1 уменьшается, что приводит к уменьшению его токов базы и коллектора. Сопротивление транзистора и падение напряжения на нем увеличиваются, а напряжение на выходе СН при этом возвращается к номинальному значению.
Коэффициент стабилизации по входному напряжению (kU) СН, собранных по схеме рис. 9, как правило, не превышает 10 
20. Их выходное сопротивление - около 0,1 Ома. Причем коэффициент стабилизации по нагрузке (2), как правило, на порядок больше kU. Сравнительно невысокие значения выходных параметров таких стабилизаторов объясняются рядом причин:
1. Усилитель обратной связи (УПТ на транзисторе VT2) питается от нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.
2. Согласно (10), наличие делителя выходного напряжения (R3-R4) приводит к тому, что не весь сигнал ошибки (∆Uн), а лишь его часть подается на базу транзистора VT2. Это уменьшает коэффициент обратной связи.
3. Напряжение питания УПТ сравнительно мало, поскольку оно равно разности между входным напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона, поэтому коэффициент усиления его также невелик.
4. Отличие от нуля дифференциального сопротивления стабилитрона (VD) уменьшает коэффициент усиления цепи обратной связи. Например, при увеличении эмит-герного тока транзистора VT2 напряжение на стабилитроне также увеличивается (см. ВАХ стабилитрона на рис. 3), а это приводит к уменьшению управляющего сигнала на переходе база-эмиттер УПТ.
Улучшить качественные показатели компенсационных СН можно за счет усовершенствований, вносимых в базовую схему (рис. 9).
Устранить влияние нестабильности напряжения питания Uп на работу УПТ можно, если вместо резистора R1 поставить стабилизатор тока, собранный, например, по схеме рис. 6. Он будет обеспечивать независимость базового тока регулирующего транзистора и коллекторного тока транзистора УПТ от колебаний входного напряжения.
Дальнейшее улучшение характеристик СН может быть получено путем замены делителя выходного напряжения (R3-R4) параметрическим стабилизатором, причем стабилитрон должен быть включен таким образом, чтобы сигнал ошибки ∆Uн был приложен между эмиттером и базой транзистора VT2.
|
Рис. 10. Питание УПТ от дополнительного |
Существенно повысить параметры СН можно за счет применения дополнительного источника входного напряжения (Uп1 на рис. 10). Повышение напряжения питания УПТ, которое равно теперь Uн + Uп1 позволяет увеличить сопротивление его нагрузки R1, сохранив неизменными коллекторный ток VT 2 и базовый ток регулирующего транзистора (рис. 9). Коэффициент усиления VT2 возрастает и, следовательно, улучшаются параметры стабилизатора. Этому способствует также и то, что для питания маломощного УПТ, как правило, применяется дополнительный параметрический стабилизатор (Rд, VD) на рис. 10.
При токах нагрузки более 0,1 0,2 А в стабилизаторах напряжения регулирующий элемент выполняют обычно в виде составного транзистора VT1, VT2 (рис.11; остальная часть схемы соответствует рис. 9). Отметим, что при таком включении общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления VT1 и VT2, что приводит к улучшению качественныххарактеристик СН.
|
Рис. 11. Применение составного транзистора в качестве регулирующего элемента |
Недостатком последовательных компенсационных полупроводниковых СН является то, что регулирующий транзистор очень чувствителен даже к кратковременным перегрузкам и коротким замыканиям (КЗ) на выходе.
|
Рис. 12. Схема защиты СН от перегрузок и КЗ |
При КЗ через него течет очень большой ток, а к участку эмиттер-коллектор приложено практически все входное напряжение стабилизатора. Температура переходов транзистора возрастает и происходит тепловой пробой. Схемы защиты обычно строятся на транзисторах, которые запирают регулирующий элемент при перегрузке или КЗ на выходе. Одна из возможных реализаций схемы защиты приведена на рис. 12. Она состоит из транзистора VТд и двух резисторов Rд1 .и Rд2. Напряжение между базой и эмиттером этого транзистора равно разности Uбэ = URд2 – Uсм. Причем URд2 = IнR д2 пропорционально току нагрузки.
Напряжение Uсм снимается с нижней части потенциометра Rд1. В номинальном режиме работы стабилизатора Uсм устанавливается таким, чтобы транзистор VTд был заперт и не влиял на работу СН.
При возрастании тока нагрузки больше номинального в результате КЗ или при перегрузке падение напряжения URд2 становится по величине больше, чем Uсм. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VTд меняет знак, и транзистор открывается. Ток его коллектора возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1. Регулирующий транзистор при этом закрывается. При устранении КЗ схема защиты выключается автоматически.
В приведенной на рис. 9 базовой схеме стабилизатора регулирующий транзистор n-р-n-типа включен по схеме эмиттерного повторителя. В литературе [4] описана схема стабилизатора положительного напряжения, в которой применен транзистор р-n-р -типа, включенный по схеме с общим эмиттером. В этом случае регулирующий и усилительный транзистор должны быть разной структуры. Схема такого СН представлена на рис. 13. Достоинством схемы является то, что можно обойтись без нагрузочного резистора УПТ (R1 на рис. 9). Нагрузкой усилителя сигнала ошибки является сопротивление перехода эмиттер-база регулирующего транзистора VT1. Изменение порядка включения параметрического стабилизатора (VD, R1) по сравнению с базовой схемой вызвано необходимостью сохранить отрицательный характер обратной связи.
|
Рис. 13. Схема СН с регулирующим транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером |
Схема работает следующим образом. При изменении выходного напряжения стабилизатора будет меняться напряжение и на базе, и на эмиттере транзистора VT2. Но благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона VD изменение напряжения на эмиттере будет значительно более глубоким, чем на базе.
Можно показать, что при изменении напряжения на выкоде стабилизатора на величину ∆Uн изменение напряжения между эмиттером и базой будет равно
. (11)
Отсюда при R1>>rдиф получим
. (12)
Уменьшение напряжения между эмиттером и базой VT2 приводит к уменьшению его коллекторного тока, который является базовым током регулирующего транзистора VT1. Сопротивление участка эмиттер-коллектор VT1 при этом возрастает и напряжение на выходе СН возвращается к номинальному.
Достоинством данного СН является более высокий коэффициент стабилизации kU вследствие отсутствия дестабилизирующей связи через нагрузочный резистор УПТ, существующей в схеме на рис. 9, а также возможность использования корпуса прибора в качестве радиатора регулирующего транзистора, если положительный полюс СН является общим проводом.
3.5. Расчет компенсационного стабилизатора
напряжения
Для выполнения практической части лабораторной работы предлагается рассчитать и исследовать работу схемы последовательного СН, собранного по типовой схеме (рис. 9). Исходные данные для расчета:
а) Номинальное напряжение питания стабилизатора (Uп.ном) и пределы его изменения (±∆Uп). Обычно ∆Uп составляет 10% от Uп.ном. Выбираем Uп.ном в пределах 8 10 В.
б) Напряжение на выходе стабилизатора Uн. Для предлагаемого к исследованию макета его выбирают равным 3,5 4,5 В.
в) Сопротивление Rн или ток Iн нагрузки. В макете установлены два нагрузочных резистора номиналами 1 кОм и 560 Ом.
Поскольку к исследованию предлагается уже собранный макет, то расчет сводится к оценке величин нагрузочного резистора R1 УПТ и балластного резистора R2 источника опорного напряжения.
Кроме этого требуется рассчитать коэффициент стабилизации по входному напряжению.
Расчет балластного резистора проводится по формуле
.
Величина нагрузочного резистора УПТ вычисляется по формуле
. (13)
Ток базы регулирующего транзистора может быть оценен по формуле Iб1 = Iк1/h21Э. Здесь Iк1 = Iн + Iст+ Iд ; Iд - ток через делитель напряжения R3 - R4 (в макете Iд ≈ 1 мА). Величина тока коллектора VT2 удовлетворяет соотношению Iк2 > Iб1. Напряжение между эмиттером и базой VT1 удовлетворяет соотношению Uэб1 = h21Э Iб1.
4. Контрольные вопросы
1. Какой из стабилизаторов (последовательный или параллельный) обладает большим КПД и почему?
2. Почему в схеме стабилизатора тока (рис. 6) вместо стабилитрона можно поставить диод, включенный в прямом направлении по отношению к источнику питания?
3. Что произойдет с регулирующими транзисторами простейших стабилизаторов параллельного и последовательного типа, схемы которых приведены на рис. 4 и рис. 5 при КЗ на выходе (Rн = 0)?
4. Каковы основные недостатки стабилизаторов напряжения с усилителями тока?
5. Как отреагирует базовая схема стабилизатора напряжения (рис. 9) на неисправность транзистора УПТ:
а) сопротивление участка эмиттер-коллектор rэк = 0;
б) сопротивление участка эмиттер-коллектор rэк = ∞ ?
6. В отличие от схемы на рис. 12 существует другой способ защиты регулирующего транзистора от перегрузок и КЗ. Каков он?
7. Почему собранный по схеме рис. 13 стабилизатор имеет гораздо больший коэффициент стабилизации по входному напряжению, чем стабилизатор, изготовленный по базовой схеме?
Схема эксперимента
Схема эксперимента приведена на рис. 14, вид электромонтажной платы – на рис. 15.
|
а)
б) Рис. 14. Экспериментальные схемы параметрического (а) |
Ключ К1 позволяет изменять сопротивление нагрузки параметрического стабилизатора, К2 - интегрального. Возможны для каждой схемы три варианта нагрузки: Rн1, Rн2 и их параллельное соединение (соответственно - Rн3, Rн4 и их параллельное соединение). Соединения производятся двухштырьковыми перемычками.
Рис. 15. Макетная плата для исследования
стабилизаторов напряжения
Порядок проведения работы
По заданию преподавателя провести расчет элементов схемы параметрического и интегрального стабилизаторов напряжения и коэффициентов стабилизации по напряжению.
6.1. Исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения.
Подключить питание к макетной плате, соединив «вход 1» с U1+, а «вход 2» с GND с разъема платы ЛАРМ «Power (U1+, GND)». «Вход 2» соединить также с U1- с разъема платы ЛАРМ. Соединения производятся цветными проводами.
Подключить сопротивление нагрузки Rн1 ключом К1.
Для заданного сопротивления нагрузки, изменяя напряжение источника питания (по входу) стабилизатора, снять зависимость Uн =f(Uп), используя вольтметры ЛАРМа. Данные измерений занести в таблицу, по этим данным построить график, определить номинальное напряжение питания Uп.ном и допустимый диапазон его изменения. По формуле (1) рассчитать коэффициент стабилизации по входному напряжению. Сравнить его с теоретическим, вычисленным по формуле (9).
Выставить номинальное напряжение питания Uп.ном = +12 В. Меняя величину Rн, снять зависимость U.н =f(IП) при Uп = const. Для этого необходимо подключить амперметр к резистору R и вольтметр к сопротивлению Rн, как и в предыдущем случае, составить таблицу и построить график. Рассчитать коэффициент стабилизации по току (2).
6.2. Исследовать работу интегрального стабилизатора напряжения.
Подключить питание к макетной плате, соединив «вход 1» с U1+, а «вход 2» с GND с разъема платы ЛАРМ «Power (U1+, GND)». «Вход 2» соединить также с U1- с разъема платы ЛАРМ. Соединения производятся цветными проводами.
Подключить сопротивление нагрузки Rн3 ключом К2.
Провести измерения зависимостей, подключив (см. «Руководство пользователя ЛАРМ») амперметр и вольтметр к сопротивлению Rн:
Uн =f(Uп) при Rн = const;
Uн =f(Iп) при Uп = const.
Пределы изменения ±∆Uп относительно Uп.ном задаются преподавателем. Ток нагрузки регулируется путем изменения величины сопротивления нагрузки так же, как при исследовании параметрического стабилизатора. Данные измерений занести в таблицы, построить графики полученных зависимостей и рассчитать величины коэффициентов стабилизации kU и kIн Сравнить полученное значение kU с теоретическим.
Отчет по работе
Отчет по работе должен содержать ответы на контрольные вопросы, результаты, полученные во время выполнения работы по исходному заданию (раздел 2), схемы эксперимента, все перечисленные в разделе 6 формы сигналов, измеренные и вычисленные величины, выводы по результатам измерений.
Лабораторная работа № 3. 
Усилительный каскад на транзисторе
Цель работы
Изучить принцип действия усилителя, методы анализа его характеристик и расчета элементов схемы. Провести экспериментальное исследование усилителя напряжения на биполярном транзисторе.
Задание на работу
2.1. При подготовке к работе изучить следующие вопросы: механизм усиления, классификация усилителей, основные характеристики усилителя; принцип действия биполярного транзистора, его вольтамперные характеристики, параметры, эквивалентные схемы; принципиальную схему резисторного усилителя, включая цепи переменного тока и цепи питания транзистора.
2.2. Рассчитать и собрать резисторный усилитель с общим эмиттером.
2.3. Провести экспериментальное исследование усилителя: снять его амплитудную и амплитудно-частотную характеристики, определить влияние основных элементов схемы на характеристики усилителя, проанализировать экспериментальные результаты. Оформить отчет о проделанной работе.
Методические указания
3.1. Общие определения, принцип усиления
Усилитель электрических сигналов - это устройство, в котором осуществляется увеличение интенсивности сигналов за счет использования энергии вспомогательного источника. Усилители относятся к одному из основных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Их классификация весьма разнообразна и определяется диапазоном и полосой частот усиливаемых сигналов, уровнем сигналов на входе и выходе, типом используемых приборов и, наконец, механизмом усиления и схемной реализацией.
Узкополосные усилители усиливают сигналы в заданном узком диапазоне частот, обеспечивая тем самым эффективную фильтрацию мешающих сигналов (помех) других частот. В современных системах связи и радиолокации используются специальные широкополосные информационные сигналы. Для их обработки требуются широкополосные и сверхширокополосные усилительные каскады. В измерительной аппаратуре и вычислительной технике используются усилители постоянного тока, а в радиовещательной и аудиоаппаратуре применяются усилители как высокой, так и звуковой частоты.
При приеме слабых сигналов во входных каскадах приемных трактов должны стоять маломощные, но высокочувствительные усилители. Наоборот, выходные усилители радиопередатчиков должны отдавать в антенну сигналы большой мощности. Что касается схем усилителей, то их разнообразие обуславливается всеми перечисленными факторами.
|
Рис. 1. Усилитель |
Проиллюстрируем принцип усиления электрических сигналов с помощью схемы, приведённой на рис. 1. Здесь последовательно с источником питания с напряжением Е включены резистор нагрузки Rн и управляющий элемент УЭ. Сопротивление управляющего элемента Ry зависит от напряжения Uвх или тока Iвх входного сигнала. В результате ток Iн, протекающий по нагрузке, а следовательно, и напряжение на ней Uн будут изменяться в соответствии с изменением Ry, то есть в соответствии с изменениями Uвх или Iвх. Можно сказать, усиление осуществляется путем управления током источника питания с помощью слабого сигнала. Чем чувствительнее управляющий элемент к изменениям входного сигнала, тем больше изменения напряжения или тока в цепи нагрузки, тем выше коэффициент усиления усилителя. Изменение сопротивления управляющего элемента может осуществляться в широких пределах при очень малой затрате энергии источника усиливаемого сигнала. В то же время мощность, выделяющаяся в нагрузке, может быть значительной. Эта мощность получается в результате преобразования энергии источника питания. Строго говоря, все электронные усилители являются усилителями мощности, так как мощность сигнала в выходной цепи усилителя всегда превышает мощность сигнала на входе усилителя. Однако во многих случаях основным показателем служат не входная и выходная мощности, а ток или напряжение на входе и выходе усилителя. Поэтому электронные усилители делят на усилители тока, напряжения и мощности.
Управляющими (активными) элементами электронных усилителей могут являться электровакуумные приборы (лампы), полевые и биполярные транзисторы и другие электронные приборы. Одно из важных мест в современной электро- и радиосхемотехнике и микроэлектронике занимают транзисторы.
В настоящей лабораторной работе будет изучаться усилитель напряжения на биполярном транзисторе.
|
Рис. 2. Усилитель в виде четырехполюсника |
Определим наиболее общие показатели работы и характеристики линейного усилителя, представив его в виде четырехполюсника (рис. 2). Главным показателем работы усилителя напряжения является коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент передачи четырехполюсников определяют для режима установившихся гармонических колебаний, когда Uвх=Авх cos (ωt + φвх) и Uвых=Авых cos (ωt + φвых). Если далее использовать обобщённую гармоническую функцию U=А exp j(ωt + φ) и понятие комплексной амплитуды А=А ехр (jφ), то свойства усилителя удобно характеризовать комплексным коэффициентом усиления
, (1)
где 
Таким образом, модуль комплексного коэффициента усиления К определяет собственно усиление, а фаза φк - сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями. Эти величины могут изменяться при изменении частоты входного сигнала, поэтому одной из основных характеристик усилителя является его частотная характеристика. Поскольку от частоты зависят как К(ω), так и φ(ω), то различают соответственно амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Вид этих характеристик определяется схемой усилителя. Усилительные свойства реальных усилителей ограничены конечным диапазоном частот, в котором К(ω)≈const. Если полоса частот, занимаемая спектром усиливаемого сигнала, превышает этот диапазон, то спектр сигнала изменяется (обедняется) а, значит, и сам сигнал изменяется при усилении. Такое преобразование сигнала называется частотным искажением.
Активные элементы усилителей имеют нелинейные зависимости токов от напряжений (вольтамперные характеристики), что приводит к изменению формы усиливаемого сигнала и обогащению его спектра. Эти изменения называются нелинейными искажениями.
К линейности усилительных каскадов приемо-передающей аппаратуры предъявляются жесткие требования. Нелинейность усилителей приводит к взаимодействию сигналов различных частотных каналов и к появлению на их выходах комбинационных составляющих. Частоты этих составляющих могут попадать в полосы других информационных каналов, создавая так называемые интермодуляционные помехи.
|
Рис. 3. Амплитудная |
Наименьшие нелинейные искажения имеют место при усилении слабых сигналов, когда вольтамперные характеристики активных элементов можно приближенно считать линейными. Нелинейные свойства усилителя отражает его амплитудная характеристика Авых (Авх) (рис. 3). Она измеряется при подаче на вход усилителя гармонического сигнала постоянной частоты. Идеальная амплитудная характеристика имеет вид прямой, проходящей через начало координат под углом наклона, определяемым коэффициентом усиления. Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной. В области больших сигналов это связано с нелинейностью характеристик электронных приборов. При малых сигналах работа усилителя ограничена его собственными шумами, на фоне которых полезные сигналы на выходе устройства становятся неразличимыми. Таким образом, нормальный режим работы усилителя имеет место в интервале входных напряжений, соответствующих точкам А и В рис. 3. Величина этого интервала определяет динамический диапазон усилителя.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 301.
