Включение стабилитрона в схеме стабилизации

Включение стабилитрона в схеме стабилизации

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.
Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удается найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор "кирпичиков" с известными свойствами гораздо легче строить "здание" того или другого устройства.
1. ТРАНЗИСТОР.
Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.
Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, — увеличение мощности транзистора. Ее можно решить параллельным включением транзисторов (рис. 1). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.
Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включенных транзисторов.
Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (рис.2). Недостаток такого самозащитного транзистора — снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на рис.3. Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нем мощность.
Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.
Составной транзистор (рис.4) имеет повышенное выходное сопротивление и значительно уменьшенный эффект Миллера благодаря каскадному включению полевого и биполярного транзисторов. За счет полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор, изображенный на рис.5, имеет еще более высокие динамические характеристики. Единственное условие реализации такого транзистора — более высокое напряжение отсечки второго транзистора. Входной транзистор можно заменить на биполярный.

Одна из особенностей транзисторного ключа при изменяющейся нагрузке — изменение времени выключения транзистора. Чем больше насыщение транзистора при минимальной нагрузке, тем больше время выключения. Избежать глубокого насыщения можно путем предотвращения прямого смещения перехода база-коллектор. Наиболее простая реализация этой идеи с помощью диода Шоттки представлена на рис.6. На рис.7 изображен более сложный вариант — схема Бейкера.

При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы "лишний" базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение. Далее показаны схемы ограничения насыщения относительно низковольтных ключей с датчиками тока базы (рис.8) и тока коллектора (рис.9).
При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (рис.10). В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы. В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.
Повысить крутизну транзистора (отношение изменения тока коллектора (стока) к вызвавшему его изменению напряжения на базе (затворе) при постоянном Uкэ(Uси)) можно с помощью схемы Дарлингтона (рис. 11). Резистор в цепи базы второго транзистора (может отсутствовать) применяют для задания тока коллектора первого транзистора. Аналогичный составной транзистор с высоким входным сопротивлением (благодаря применению полевого транзистора) представлен на рис. 12. Составные транзисторы, представленные на рис. 13 и 14, собраны на транзисторах разной проводимости по схеме Шиклаи.

Введение в схемы Дарлингтона и Шиклаи дополнительных транзисторов, как показано па рис.15 и 16, увеличивает входное сопротивление второго каскада по переменному току и соответственно коэффициент передачи. Применение аналогичного решения в транзисторах рис.12 и 14 дает соответственно схемы рис.17 и 18, линеаризируя крутизну транзистора.

Широкополосный транзистор с высоким быстродействием представлен на рис.19. Повышение быстродействия достигнуто в результате уменьшения эффекта Миллера аналогично рис.4 и 5.
"Алмазный" транзистор по патенту ФРГ представлен на рис.20. Возможные варианты его включения изображены на рис.21 - 23. Характерная особенность этого транзистора — отсутствие инверсии на коллекторе. Отсюда и увеличение вдвое нагрузочной способности схемы рис.23.

Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображен на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путем замены транзистора VT3 на составной транзистор (рис.1).
Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора р-n-р типа, а также полевого транзистора с каналом р-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора (рис.25-27) или в цепь эмиттера (рис.28-30).


Как видно из приведенных формул, наименьшее падение напряжения, а соответственно и минимальная рассеиваемая мощность — на простом транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора. Применение составного транзистора Дарлингтона и Шиклаи с нагрузкой в цепи коллектора равнозначно. Транзистор Дарлингтона может иметь преимущество, если коллекторы транзисторов не объединять. При включении нагрузки в цепь эмиттера преимущество транзистора Шиклаи очевидно.
2. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ).
Во многих случаях бывает необходимо получить внутри схемы стабилизированное напряжение, которое не должно меняться при изменениях нагрузки. В простейшем случае эта задача решается с помощью стабилитрона (рис.31). Диапазон нагрузки такого источника ограничен максимально допустимым током стабилизации стабилитрона. Токоограничивающий резистор выбирают из расчета:
Rmin = Eп/Icт max
При этом максимальный ток нагрузки Iн max = Icт max - Icт min.
При отсутствии стабилитрона на необходимое напряжение стабилизации в пределах 4...9 В можно использовать маломощные высокочастотные транзисторы по схемам рис.32 и 33. Напряжение стабилизации зависит от типа и буквы транзистора.
Наиболее простой способ увеличения нагрузочной способности такого генератора напряжения — применение эмиттерного повторителя на простом или составном транзисторе (в зависимости от тока нагрузки) в качестве буферного каскада (рис.34). Такой источник называют стабилизатором последовательного типа.
Улучшенные стабилизаторы параллельного типа (аналог мощного стабилитрона) показаны на рис.35 и 36. Замена токозадающего резистора генератором стабильного тока (ГСТ) позволяет получить прецизионные источники опорного напряжения. На рис.37 и 38 соответственно представлены улучшенные источники последовательного и параллельного типа.

Суперэкономичный источник опорного напряжения с применением ГСТ на полевом транзисторе в микротоковом режиме показан на рис.39.
Следующий прецизионный кольцевой стабилизатор (рис.40) имеет исключительно высокий коэффициент стабилизации за счет встречного включения ГСТ (т.е. взаимостабилизации). В случае применения прецизионных стабилитронов типа Д818Е и токе через них 10 мА и более коэффициент стабилизации достигает 100 тыс. и более.
Недостатки простейших стабилизаторов:
- параллельного типа — низкий КПД при изменяющейся нагрузке;
- последовательного типа — незащищенность от короткого замыкания в нагрузке (применение самозащищенного транзистора (рис.2) снимает эту проблему).
Достоинства:
- параллельного типа — стойкость к КЗ;
- последовательного — относительно высокий КПД при изменяющейся нагрузке.
Простейший аналог стабилитрона, нашедший широкое применение в качестве регулируемого генератора напряжения для смещения двухтактных ЭП, показан на рис.41. Введение дополнительного транзистора (рис.42) повышает нагрузочную способность такого генератора. Напряжение стабилизации Ucт = 0,5 (1 + R1/R2).

Низковольтные аналоги стабилитронов показаны на рис.43-45, причем верхний транзистор в схеме рис.43 должен быть германиевым, остальные — кремниевыми.

3. ИСТОЧНИК ТОКА И ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО
В современной схемотехнике, особенно в интегральном исполнении, в качестве нагрузок широко используют источники тока или, как их еще называют, генераторы стабильного тока (ГСТ). Для получения активных источников тока в качестве динамической нагрузки чаще всего используют отражатели тока (ОТ) — токовое зеркало.
Простейший генератор тока представлен на рис.46. Ток нагрузки равен:
Iн = (Ucт - Uбэ)/R2
Выходное сопротивление такого источника равно выходному сопротивлению каскада с общим эмиттером. Недостаток такого источника — в относительно низком выходном сопротивлении и наличии аффекта модуляции h2lэ под действием Uк из-за изменения нагрузки.
Усовершенствованные в этом отношении генераторы тока показаны на рис.47 и 48. В первом случае — за счет применения каскада, во-втором — усовершенствованного составного транзистора (рис.4).
Однако наиболее простые двуполярные генераторы тока можно получить с применением нулевых транзисторов (рис.49 и 50).

Характерная особенность ГСТ (рис.51) — отсутствие стабилитрона как источника опорного напряжения. Выходной ток рассчитывают по формуле:
Iн = 0,66/R2
При токах нагрузки свыше 3 мА в качестве VT2 следует применять составной транзистор. Основной недостаток такого ГСТ — низкая температурная стабильность.
Двуполяриый ГСТ (рис.52) получен в результате встречного включения двух зеркальных ГСТ (рис.51).

Простейший отражатель тока (ОТ) показан на рис.53. Выходное сопротивление Rвых = rкэ, а выходной ток Iн = Ioп х h21э/(h21э+2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1...2 кОм практически сводит на нет эффект Эрли (изменение коллекторного тока до — 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).
В результате замены резистора R2 в схеме (рис.51) на транзистор VT3 получим токовое зеркало Уилсона (рис.54). Опорный ток Ioп = const, т.к. I62 вычитается, а I61 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого ОТ значительно выше: Rвых = h21э х rкэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину I/h21э h21э. Меньше и критичность к разбросу параметров ЭРЭ.

На рис.55 показан каскадный отражатель тока. Динамическое внутреннее сопротивление такого ОТ больше нескольких МОм, эффект Эрли значительно ослаблен.
Прецизионный отражатель тока (рис.56) имеет повышенную точность за счет добавления базового тока транзистора VT3 (равного базовому току VT2) к выходному току транзистора VT4.

Отражатель тока на несколько нагрузок сразу показан на рис.57. Эта схема требует высокой идентичности транзисторов VT1, VT3, VT4...VTn. Недостаток такого ОТ — сравнительно малое выходное сопротивление источников тока.

Встречное включение двух отражателей тока (рис.53) дает двуполярный преобразователь напряжение-ток (ИНТ) (рис.58).

4. ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Существуют три способа включения биполярного транзистора:
— с общим коллектором (ОК) — эмиттерный повторитель (ЭП);
— с общим эмиттером (ОЭ);
— с общей базой (ОБ).
Аналогично для полевых транзисторов:
— с общим стоком (ОС);
— с общим истоком (ОИ), истоковый повторитель (ИП);
— с общим затвором (0З).
В общем случае ЭП (ИП) имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное. Этот тип каскада используют для усиления сигнала но току. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице, потому он и называется повторителем. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестает действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремится к Rвых каскада с ОЭ, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при Rr = 0.
Rвх = rб + (1 + h21э)Rн
Rвых = rэ + (Rr + rб) / (1 + h21э),
где rб — сопротивление базы (1...20 Ом и более);
h21э — безразмерный статистический коэффициент передачи тока;
rэ = fт/Iк(мА);
fт = 25 мВ — температурный потенциал,
Rr — выходное сопротивление источника сигнала.
Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная емкость повторителя зависит, главным образом, от Сн и грубо может быть оценена как Сн/h21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определенных Сн ЭП могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее "опасным" следствием емкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала (рис.60).
При передаче фронта к току транзистора помимо тока Iэ = Uвыx/Rэ добавляется ток заряда Сн.
При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через Rэ, а не через транзистор. Если Uвх будет снижаться быстрее перезаряда Сн, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется.
Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений fmax = Iэ/2пUmCн, где Um — амплигуда сигнала.
Как видно из формулы, расширить полосу пропускания ЭП можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в ЭП носят пилообразный характер (рис.61).

И стоковый повторитель (по сравнению с ЭП) имеет значительно большие значения как выходного сопротивления (несколько сот Ом при токах стока в несколько мА), так и коэффициента гармоник. Замена полевого транзистора составным (рис.12, 14, 17, 18) уменьшает как выходное сопротивление, так и вносимые искажения.
Применение составного транзистора позволяет увеличить входное сопротивление и повысить нагрузочную способность. К примеру, повторитель на составном транзисторе Шиклаи (рис.62) имеет Rвx больше или равно 1 МОм, Rвых меньше или равно 1,5 0м, коэффициент обратной связи около 50 дБ. Характеристика линейна от 10 Гц до 100 кГц.

В повторителе на составном транзисторе по схеме Дарлингтона входное сопротивление 2-го транзистора играет роль эмиттерной нагрузки для первого транзистора. Отсюда, если пренебречь сопротивлением базы, получим: Rвx = b1 х b2 Rн.
В связи с огромным входным сопротивлением повторителей на составных транзисторах особенно остро встает вопрос о цепи смещения базы. Делать сопротивления порядка нескольких мегаом нельзя из-за температурной нестабильности и невозможности обеспечения необходимого тока базы. Поэтому во входном каскаде, как правило, используют полевой транзистор либо следящую связь в цепи базы (рис.63). Сопротивление R3 искусственно повышается в I/(I-Ku) раз и может достигать десятков мегаом и не будет существенно шунтировать вход повторителя. Во столько же раз повышается и сопротивление резистора R4, а также уменьшается емкость Сб в схеме (рис.59).


Для того чтобы искусственно увеличить сопротивление rк и исключить (нейтрализовать) влияние емкости Ск, т.е. исключить ее перезаряд, необходимо чтобы напряжение Uкб1 было постоянно, т.е. нужно изменять потенциал Uк1 пропорционально потенциалу Uб1, ток через rк и Ск станет равным нулю, а это равносильно увеличению их комплексного сопротивления. Для реализации этой идеи в коллектор (сток) первого транзистора полностью подастся переменная, составляющая выходного напряжения с помощью конденсатора достаточно большой емкости (рис.64), стабилитрона, схемы сдвига уровня (рис.65), либо с помощью ИП (рис.66). При этом сопротивление rк увеличивается в сотни раз, полоса пропускания максимально расширяется, а коэффициент передачи Ku приближается к единице.



Аналогичная идея реализована и в широкополосном повторителе (рис.67).

ЭП с повышенным быстродействием (рис.68) реализован за счет быстродействующей линейной положительной обратной связи (ЛПОС) с помощью транзисторов VT1 - VT3.
Повторитель с входным сопротивлением, стремящимся к бесконечности, показан на рис.69. Благодаря отражателю тока на транзисторах VT1 ,VT3, токи коллекторов, а соответственно и токи баз транзисторов VT2 и VT4 равны. А так как токи баз противоположны, то и происходит их компенсация, что эквивалентно Rвx, равному бесконечности.

Замена эмиттерного резистора на нелинейный элемент с большим дифференциальным сопротивлением и малым сопротивлением постоянному току позволяет увеличить входное сопротивление и сделать его практически независимым от h21э (рис.70).

Высоколинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью показан на рис.71. Амплитудное входное напряжение такого повторителя достигает напряжения питания. Сопротивление нагрузки:
Rн больше или равно R3/2
Для того чтобы повторитель идеально повторял входное напряжение на нагрузке, необходимо чтобы напряжение Uэб было постоянно во всем диапазоне изменения входного напряжения.
Это условие можно выполнить, если застабилизировать ток эмиттера (коллектора). Для этого достаточно в схеме (рис.71) токозадающий резистор R3 заменить активным источником тока с токозадающим резистором, равным сопротивлению нагрузки (рис.72). В этом случае ток коллектора транзистора VT3:
Iк = Eп/Rн = const


Простейший двухтактный ЭП показан на рис.73. Резистор R уменьшает искажения типа "ступеньки" в момент перехода через ноль (т.е. вовремя отсечки транзисторов). Применение такого повторителя для усиления слабых сигналов (до 0,4...0,5 В) нецелесообразно.
Введение смещения с помощью диодов (рис.74) или другого генератора напряжения позволяет избавиться от ступеньки. Ток генераторов тока должен быть больше максимального тока базы при полной раскачке выходных транзисторов во избежание запирания диодов.

Эмиттерный повторитель показан на рис.75. Увеличение входного сопротивления выполнено с помощью следящей обратной связи, рассмотренной выше.

Выходные каскады первых бестрансформаторных усилителей мощности выполнялись по схеме (рис.76) на так называемой квазикомплементарной паре, т.е. верхнее плечо — на составном транзисторе Дарлингтона, а нижнее — на транзисторе Шиклаи. Введение дополнительного транзистора VT2, аналогичного VT4, VT5. симметрирует входное сопротивление плеч. При этом искажения уменьшаются в 2...3 раза.
Наиболее распространенные двухтактные каскады показаны на рис.77 и 78 на комплементарных транзисторах Шиклаи и Дарлингтона соответственно. Повторитель, показанный на рис.79, сочетает в себе оба типа составных транзисторов. Недостаток схемы (рис.77) в том, что в ней возникают большие сквозные токи при перегрузках, особенно на высоких частотах.


Схемотехнические решения, показанные на рис.80 и 81 позволяют достаточно простым способом исключить полную отсечку предвыходных транзисторов и тем самым уменьшить коммутационные искажения.

В повторителе (рис.82) оригинально решена проблема смещения выходных транзисторов при достаточно высокой термостабильности. Основной недостаток такого повторителя — плохая нагрузочная способность при работе на низкоомную нагрузку, а отсюда и большие вносимые искажения в виде нечетных гармоник. Возможный путь усовершенствования заключается во введении вольтодобавки в эмиттеры входных транзисторов. Другой способ состоит в том, что между базами выходных транзисторов включают обратно включенный диод. В результате при перегрузке, например, положительной полуволной закрывается транзистор VT1, а транзистор VT2 через открывшийся диод подключается к базе транзистора VT3 и тем самым составляет обычную схему Дарлингтона. При этом, соответственно, возникают дополнительные коммутационные искажения.

Существенно повысить нагрузочную способность такого повторителя при сохранении высокой термостабильности и КПД можно, если параллельно резисторам R1, R2 включить активные источники тока (АИТ), как показано на рис.83. Резисторы R3, R4 выбирают из расчета, чтобы максимальный ток АИТ был больше тока баз выходных транзисторов при максимальной амплитуде сигнала.

Нагрузочная способность повторителя на базе рис.67 также повышена за счет введения активных источников тока в эмиттеры входных транзисторов (рис.84).
Возможный вариант повышения быстродействия за счет следящей обратной связи, описанной выше, показан на рис.85. В отличие от предыдущей схемы, входные транзисторы работают при большем примерно на 0,6 В напряжении питания за счет дополнительных транзисторов.

Увеличить выходную мощность повторителя в 4 раза при том же напряжении питания позволяет мостовая схема (рис.86). Управление таким повторителем осуществляют парафазным сигналом.
Парафазного управляющего сигнала требует и схема (рис.87), питание которой осуществляют от двух незаземленных источников тока постоянного напряжения. Достоинство схемы в том, что она не требует комплементарных транзисторов. А, как известно, абсолютно комплементарных транзисторов практически не существует.

Несколько слов о применении нулевых транзисторов в мощном повторителе. Вследствие меньшей чему биполярных транзисторов крутизны и ее нелинейной зависимости от уровня входного сигнала, нелинейные искажения больше. Поэтому такие каскады должны работать в усилителях с более глубокой ООС.
Очень важным преимуществом мощных полевых транзисторов, особенно СИТ (статических индукционных полевых транзисторов), является высокое быстродействие благодаря отсутствию основных носителей в цепи затвора. Мощность на раскачку, как правило, не превышает нескольких мВт. Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект термостабилизации.
Источник: А.Петров, журнал "Радиолюбитель". Схемы и статьи публикуются с разрешения редакции журнала.


Включение стабилитрона в схеме стабилизации

Похожие записи:



Как сделать повязку на голову чтобы закрывала уши

Панно из листьев своими руками

Шутливые поздравления для невесты