Параметрический стабилизатор напряжения. ВАХ нелинейного элемента.

Date: 2015-10-07; view: 566.

Активные сглаживающие фильтры. Схема активного фильтра ОБ и ОК. График зависимости тока коллектора от напряжения на переходе при различных значениях тока базы.

Из-за выше перечисленных недостатков пассивных сглаживающих фильтров нашли широкое распространение при небольших выходных мощностях активные фильтры. К их достоинствам относят:

- высокие качественные и энергетические показатели;

- широкий диапазон частот;

- простота конструкции;

- малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки;

- малые магнитные поля из-за отсутствия индуктивности в схеме фильтра;

- отсутствие опасных режимов при возникновении переходного процесса, т.к. нет перенапряжения при “сбросе” тока нагрузки.

К недостаткам схемы можно отнести: снижение к.п.д. устройства при увеличении тока нагрузки из-за увеличения потерь на транзисторе; необходимость защиты транзистора в переходных режимах.

В активных фильтрах последовательно или параллельно включается регулирующий транзистор, выполняющий роль дросселя или резистора в раннее рассматриваемых фильтрах. Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать различные сопротивления для переменного и постоянного токов. Характерны два способа построения фильтров. Первый способ состоит в том, что транзистор включается по схеме с общим коллектором.

Ток коллектора I_К в схеме фильтра ОК мало зависит от величины приложенного к переходу коллектор- эмиттер напряжения U_К при постоянном значении тока базы.

На рисунке приведены графики зависимости I_К = f (U_К ) при I_б = const.

Если провести на графике нагрузочную прямую (U_К = U_ВХ при I_КО = 0 и I_К = U_ВХ / R_Н при U_К = 0 ) и выбрать на ней рабочую точку А (U_К0, I_КО}, то сопротивление транзистора переменой составляющей тока в точке.

I_К = f (U_К ) при I_б = const.

А R_Д = D U_К / DI_К будет много больше его сопротивления постоянному току R_С = U_К0 / I_КО , т.е. R_Д >> R_С . Соответственно переменная составляющая выпрямленного напряжения U_В.ПЕР. на входе фильтра вызывает небольшие изменения тока коллектора DI_К при условии, что ток базы I_б = const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра ОК U_{ВЫХ.ПЕР.} = DI_К R_Н получается значительно ослабленной по сравнению с U_В.ПЕР. Чтобы обеспечить постоянство тока базы транзистора, в цепь базы включают конденсатор, и резистор такой величины при которой постоянная времени цепи была бы много больше периода пульсаций выпрямленного напряжения.

Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиления сигнала по мощности (эмиттерный повторитель!). Резистор R задаёт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.

Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой:

Рисунок 7.12 Схема активный фильтр с общей базой

Фильтры этого типа применяются лишь в тех случаях, когда ток нагрузки остается постоянным. Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной R_б, а сглаживающее действие – постоянной времени цепочки R₁C₁. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R₁C₁ >> T_n, где T_n – период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC–фильтрах. В связи с тем, что у данной схемы выходное сопротивление имеет большую величину, для его снижения на выходе фильтра ставится конденсатор С_н.

Принцип действия этого фильтра основан на компенсации переменной составляющей входного напряжения за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему тока эммитера транзистора.

Для повышения показателей качества активных фильтров в них применяются составные транзисторы, многозвенные RC-цепочки в цепи базы, а также токостабилизирующие двухполюсники.

Коэффициент сглаживания q схемы рассчитывается так же, как в RC пассивном фильтре:

(7.15)

При параметрическом методе режим стабилизации напряжения электропитания осуществляется за счёт применения элемента с нелинейной ВАХ. От степени нелинейности ВАХ элемента зависит качество стабилизации (значения К_ст ; R_вых ; δ %). В параметрических стабилизаторах находят применение нелинейные элементы, ВАХ которых представлены на рис. 8.2.

Рассмотрим прицип действия стабилизатора на примере схемы с кремниевым стабилитроном рисунок 8.1

Рисунок 8.1 Схема однокаскадного параметрического стабилилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Рисунок 8.2. ВАХ нелинейного элемента

Статическое сопротивление R_c- это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: Rc=Uo/Io=tgα.

Динамическое сопротивление элемента Rд равно отношению изменения падения напряжения на элементе DUк изменению величины тока DI, протекающего через элемент. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока: Rд=DU/DI=tgβ.

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока: Ра < Pb; R_c > Rд.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем - простота исполнения и малое количество элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора (рисунок 8.1) состоит из гасящего сопротивления R_r, включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке.