Электроника для начинающих

ПОД КОНТРОЛЕМ - НАПРЯЖЕНИЕ.

Среди различных факторов, определяющих надежную работу любого радиоэлектронного устройства, один из важнейших — достаточная стабильность питающего напряжения. Вот почему в современные электронные аппараты и приборы, как правило, входит стабилизатор напряжения - устройство, способное автоматинески поддерживать с заданной точностью, выходное напряжение, несмотря на значительные изменения входного напряжения. Наиболкюее распространение получили полупроводниковые стабилизаторы с непрерывным регулированием. Простейший стабилизатор постоянного напряжения представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора и элемента с нелинейной вольтамперной характеристикой. Им может быть обычный кремниевый выпрямительный диод, например серии Д226 (рис. 1). В таком стабилизаторе рабочая точка диода находится на прямой ветви его вольтамперней характеристики (рис. 2). При значительном изменении прямого тока, протекающего через диод, прямое напряжение (около 1 В) иа нем меняется незначительно. Подобные диоды, используемые для стабилизация напряжения, называют стабисторами. Однако их можно применять для стабилизации только малых напряжений 1—3 В. Поэтому широко стабисторы не используются. Для стабилизации напряжений от 3 до 20 В и даже выше служат стабилитроны (рис. 3).

Стабилитроны — это особые полупроводниковые диоды, рабочая точка которых лежит на участке вольтамперной характеристики, соответствующем состоянию пробоя р-п перехода. В таком режиме возникает эффект лавинообразного нарастания обратного тока в области пробивного напряжения Uпроб. сохраняющееся примерно постоянным при изменении протекающего через стабилитрон тока. Механизм лавинного пробоя можно представить так. Если к р-п переходу приложить обратное напряжение, то произойдет расширение области, обедненной свободными носителями заряда — электронами и дырками. А те свободные носители заряда, которые все же появляются в этой области, перемещаются под действием электрического поля и образуют обратный ток перехода. Пока обратное смещение невелико, ток остается практически постоянным даже при изменении напряжения. Если обратное напряжение постепенно увеличивать, то при определенном его значении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Объясняется это тем, что свободные носители, образующие обратный ток перехода, ускоряются электрическим полем настолько, что приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов полупроводникового материала. В результате происходит образование новых носителей варяда, которые также ускоряются электрическим полем и при столкновении с атомами вызывают их ионизацию. Таким образом развивается процесс лавинообразного увеличения числа свободных носителей эаряда в полупроводнике, вызывающий резкое увеличение обратного тока, то есть пробой перехода. Несмотря на лавинный характер, процесс остается управляемым —-незначительное изменение напряжения вызывает существенное изменение тока, протекающего через переход. Подбирая полупроводниковые материалы с определенными электрическими свойствами, получают р-п переходы с заданным напряжением пробоя. Поэтому стабилитроны выпускаются на различные напряжения стабилизации; 8,3 В; 3,9 В; 4,7 В; 5,6 В; 6,8 В и др. Значение напряжения стабилизации Uст. или напряжения пробоя Unpoб. является одним из основных параметров полупроводникового стабилитрона. Причем в справочниках указывается номинальная величина напряжения пробой для определенного значения тока, протекающего через стабилитрон. Минимальный ток стабилизации Iст.min. — такое значение протекающего через стабилитрон тока, при котором возникает устойчивый пробой. Максимальный ток стабилизации Iст.mах. определяетея как отношение предельной мощности рассеяния на стабилитроне к напряжению стабилизации. Между значениями минимального и максимального токов стабилизации напряжение стабилизации (пробоя) меняется незначительно. Вольтамперная характеристика на этом участке приближается к прямой линии (рис. 5). Динамическое или дифференциальное сопротивление Rст. стабилитрона определяет влияние малых изменений тока на напряжение стабилизации.

Значение этого параметра зависит от отношения приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации:

Rст. =  (/_\ Uст.) / (/_\ Iст.)   Ом.

На принципиальных схемах стабилитроны обозначаются так же, как и полупроводниковые диоды, но линия, параллельная основанию треугольника, с одной стороны изогнута под прямым углом к аиоду (рис. 4). От диодов (и стабисторов) стабилитроны отличаются полярностью включения — к аноду первых подсоединяют положительный, а к аноду вторых — отрицательный полюс источника питания (сравните рис. 1 и 6). Стабилитроны и стабисторы предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения в широких пределах. А поскольку в процессе стабилизации существенно изменяется сопротивление нелинейного элемента, каким является стабилитрон или стабистор, подобные стабилизаторы называют параметрическими. Их выходное напряжение Uвых. равно напряжению стабилизации примененного стабилитрона или стабистора. Для получения Uвых большей величины эти элементы можно соединять последовательно. Соединять их параллельно нельзя! У параметрического стабилизатора напряжения есть существенный недостаток — сравнительно небольшой максимально допустимый ток нагрузки Iн.шах. который обычно равен или даже меньше максимального тока, протекающего через стабилитрон (Iст.max.). Кроме того, у такого стабилизатора невелик и коэффициент полезного действия, поскольку через стабилитрон постоянно должен протекать ток не меньше Iст.min. и не больше Iст.шах. Как же улучшить работу стабилизатора напряжения? Делают это путем добавления транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис. 7), увеличивая тем самым ток в нагрузке в h21э раз (h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора). Дополнительный транзистор, обычно средней или большой мощности, позволяет получить от стабилизатора гораздо больший ток, чем с одним только стабилитроном. Однако, если значение h21э транзистора мало, выигрыш в токе будет незначительный и тогда приходится использовать составной транзистор (рис. 8). Таким путем обеспечивают большой ток в нагрузке, не оказывая существенного влияния на опорное напряжение, создаваемое стабилитроном. Все рассмотренные стабилизаторы обеспечивают фиксированное выходное напряжение, величина которого зависит только от типа применяемого стабилитрона. А можно ли плавно менять выходное напряжение? Оказывается, можно, если опорное напряжение снимать с движка переменного резистора, подключенного параллельно стабилитрону (рис. 9).

В этом случае напряжение стабилизации полупроводникового прибора на 1,5—2 В должно превышать максимальное выходное напряжение стабилизатора. Тем самым компенсируют возникающие в его цепях потери напряжения. Однако при всей своей простоте рассмотренные варианты стабилизатора имеют существенный недостаток — даже при кратковременном коротком замыкании (КЗ) в нагрузке регулирующий транзистор, как правило, сгорает. От перегрузок и КЗ защищен стабилизатор, выполненный на двух транзисторах разной структуры (рис. 11). Да и параметры его значительно лучше, чем у предыдущих устройств. Что же произойдет, если выход такого стабилизатора закоротить? Тогда анод диода VD2 окажется соединенным с «минусом» источника питания, а на катоде появится некоторое положительное напряжение, то есть данный полупроводниковый прибор полностью закроется и не будет участвовать в работе устройства. Поэтому из схемы, иллюстрирующей случай короткого замыкания (рис. 10), элемент VD2 исключен. А как будут вести себя в этом случае транзисторы VT1, VT2 ? База VT2 по-прежнему находится под положительным напряжением, создаваемым стабилитроном VD1, а эмиттер через резистор R2 соединен с «минусовой» цепью. Следовательно, транзистор VT2 открыт, через него протекает ток, величина которого зависит от сопротивления резистора R2. А поскольку VT2 открыт, то и регулирующий транзистор VT1 также открыт, и через него протекает ток короткого замыкания 1кз. Его ограничивают до безопасной величины, изменяя с помощью подстроечного резистора R2 внутреннее сопротивление транзистора VT2 и, как следствие, ток смещения транзистора VT1. Рассмотрим теперь, как работает стабилизатор при изменении выходного напряжения (рис. 11). Пусть, например, из-за возрастания нагрузки оно понизилось с 12 до 10 В. Одновременно напряжение уменьшилось и на верхнем по схеме выводе резистора R2, что равносильно увеличению напряжения смещения базы транзистора VT2, так как напряжение на ней осталось прежним, равным Uст, а на эмиттере оно понизилось. В результате внутреннее сопротивление транзистора VT2 уменьшилось, ток смещения регулирующего транзистора VT1 увеличился, а его внутреннее сопротивление также уменьшилось. Следовательно, падение напряжения на VT1 снизилось, и выходное напряжение стабилизатора стало прежним. Если же по какой-либо причине выходное напряжение стабилизатора повысится, то и напряжение на эмиттере транзистора VT2 также повысится. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение напряжения между базой и эмиттером, что немедленно приводит к возрастанию внутреннего сопротивления полупроводникового прибора. В результате повышается внутреннее сопротивление также и транзистора VT1 — падение напряжений на нем увеличивается и выходное напряжение стабилизатора приходит в норму.

Теперь предлагаем вам собрать для домашней радиолабораторяи регулируемый стабилизированный выпрямитель (рис. 12), с помощью которого вы сможете питать различные транзисторные устройства, проводить испытаний своих самоделок, проверять работу отдельных электронных узлов и элементов. Прибор выполнен на базе регулируемого источника питания, его описание приведено в статье «Столовая» для транзисторов» («М-К» № 7 за 1988 г.). Поэтому тем, кто уже построил такой блок питания, нетрудно будет усовершенствовать готовую конструкцию, добавив в нее стабилитрон и маломощный транзистор. А поскольку применение составного транзистора улучшает фильтрацию переменной составляющей напряжения, то емкость конденсатора фильтра С1 можно уменьшить до 2000 мкф.

Данные силового трансформатора Т1: Ш-образный сердечник имеет сечение 5 см2, обмотка I содержит 1980 витков провода ПЭВ-1 0,12, II — 135 витков ПЭВ-1 0,55. Точное значение резистора R1 подбирают в процессе настройки стабилизатора, исходя из условия, чтобы через R1 протекал ток около 15 мА.

Ю. ПАХОМОВ, Е. ЮРЬЕВ, «М-К» № 3, 1986 г.