Вопрос. Основы проводимости полупроводников

Вопрос. Основы проводимости полупроводников

Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся на некотором расстоянии от ядра в пределах оболочек, определяемых их энергией. Чем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень. Свободные атомы имеют дискретный энергетический спектр. При переходе с одного энергетического уровня на другой происходит выделение или поглощение кванта энергии. На каждом энергетическом уровне может быть не более двух электронов. Расстояние между энергетическими уровнями уменьшается при переходе на более высокие. Потолком энергетического уровня является потенциал ионизации.

При анализе структуры атомов установлено, что внутренние оболочки заняты электронами, а внешние заняты не полностью. Электроны на внешних оболочках слабо связаны с ядром и легко вступают во взаимодействие с другими атомами. Поэтому электроны, расположенные на внешней недостроенной оболочке, называются валентными.

Для полупроводников наиболее характерны ковалентные связи, обусловленные обобществлением валентных электронов.

Например, атом германия Ge имеет четыре валентных электрона, в молекулах возникают ковалентные связи между четырьмя соседними атомами (рисунок 13.1а).

Структура связей атома германия в кристаллической решетке изображена на рисунке 13.1а и условные обозначения запрещенных и разрешенных зон на рис. 13.1б.

Если атомы находятся в связанном состоянии, на валентные электроны действуют электроны и ядра других соседних атомов, в результате чего каждый отдельный энергетический уровень расщепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг другу. На каждом из этих уровней могут находиться не более двух электронов. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Промежутки между разрешенными зонами носят название запрещенных зон.

Нижние энергетические уровни атомов не образуют зон, т.к. взаимодействие очень мало. В энергетическом спектре твердого тела выделяют три зоны: разрешенные (полностью заполненные) зоны, запрещенные зоны и зоны проводимости (рис. 13.1б).

Разрешенная зона характеризуется тем, что все ее уровни при температуре 0 К заполнены электронами. Верхнюю заполненную зону называют валентной.

Рисунок 13.1

Запрещенная зона - нет уровней, на которых могли бы находиться электроны.

Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, находящиеся на ней, обладают энергиями, достаточными для освобождения от связей с атомом и позволяющими передвигаться внутри твердого тела, например, под воздействием электрического поля.

Обратное включение Р – N перехода

 

Uпотенциальный барьер = Uкн + Uобр

В этом случае поля складываются, потенциальный барьер между Р и N областями возрастает и становится равным (Uкн+Uобр)

Под воздействием электрического поля, создаваемым источником напряжения Uобр, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоёв. Ширина запирающегося слоя будет увеличиваться. Зависимость тока от обратного напряжения к P-N имеет вид:

Ip-n=Io[exp[-eUобр/КТ]-1]

Io – тепловой ток, не основной носитель

К – постоянная Больцмана

Т – температура (273,15)

е – заряд электрона

При дальнейшем увеличении Uобр происходит электрический пробой P-N перехода. Электрический пробой не является разрушающим, и свойства его восстанавливаются. За электрическим пробоем следует тепловой пробой, который возникает под действием сильного электрического поля. P-N переход преобразует энергию достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. С увеличением Uобр растет тепловая мощность, переход разрушается.

Прямое включение P-N перехода

 

 

Основные свойства полупроводниковых диодов. Типы полупроводниковых диодов.

 

Лекция 5

 

 

Полупроводниковые диоды, их вольтамперные характеристики и параметры.

Ge (Д 9 U 15v)

Ge (Д 7 А Б В Г U 400v)

Si (КД 103 А)

Примерное значение обратного тока:

Iобр = Iобр +20ºC ·А t - 20ºC\10ºC

A1 = 2 → (Ge)

A2 = 2.5 → (Si)

Динамические и частотные параметры

▲f диапазончастот диода 2π/Т, разность значений частот при которых средний выпрямительный ток диода не менее заданной доли его значения частоты.

Rдиф = ▲Uпр/▲Iпр·10ˉ³ (Ом)

Емкости (р-n) перехода.

Емкость: Сдиода=Сзарядное+Сдифф

(с интернета):

Общая емкость p-n -перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

С = С_бар+ С_диф+ С_корп

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода.

При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально.

Барьерная емкость определяется как

,

и равна

,

где S_пер – площадь перехода.

Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад.

Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n -базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом

,

где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

Рис. 1.6

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад.

При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной характеристикой перехода.

 

Описывается параболой:

Ic = Iсн [(Uзи/Uзо) - 1]²

При Uзи = 0 ток стока (Ic) = mах т.е. Ic = Icmax = Iсн (сечение канала максимально)

При увеличении обратного напряжения объединенные слои P – N переходов расширяются, уменьшается сечение канала, уменьшается величина протекающего тока через канал.

При достижении Uзи = Uзо ток стока уменьшается до нуля. Управление током стока почти безтоковое, т.к. на затвор подается обратное напряжение, и через него протекает только обратный ток перехода.

Классификация

 

1. Усилитель с источником напряжения. 2. Усилитель с источником тока.

 

Основные параметры

Коэффициент усиления – определяет отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе, т. е. определяет увеличение выходного сигнала по сравнению с входным.

В соответствии с назначением усилителя различают:

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по току

коэффициент усиления по мощности

если усилитель имеет n каскадов, то

Кобщ=К1· К2·…· Кn=

 

При большом числе каскадов Кобщ получается грамоздким и неудобным в в обращении параметром, тогда используется логарифмическая шкала

КU(gδ)=20·lg =20·lg КU

КI(gδ) =20·lg КI

 

Кp(gδ) =10·lg Кp

Для n каскадного усилителя

Кобщ(gδ) =

Коэффициент усиления

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной.В качестве таких величин могут быть использованы напряжение, сила тока и мощность (U, I, P). Им соответствуют коэффициенты:

где U_вых - выходное напряжение, U_вх - входное напряжение, I_вых - выходной ток и I_вх - входной ток.

Из-за наличия в схемах усилителя реактивных элементов (индуктивности L и емкости C) коэффициенты усиления по току и напряжению (K_I , K_U) являются комплексными и зависят от частоты f.

Коэффициент усиления по мощности K_р показывает, во сколько раз активная мощность Р_{акт. вых}, отдаваемая усилителем в нагрузку, больше активной мощности Р_{акт.вх .}, подводимой по входным зажимам.

где P_вых – выходная мощность; P_вх - мощность на входе.

K_р выражается в логарифмических единицах:

В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл только K_U, так как входной ток очень мал. В биполярных транзисторах определяют обычно K_I , K_U, K_P, однако, наиболее часто используется K_U. Поэтому обычно U опускают и пишут K.

 

Усиление сигнала обычно сопровождается изменением формы сигнала. Поэтому любой усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления Кус, но и мерой искажения выходного сигнала, по сравнению со входным.

Искажения делятся на линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты f. Из-за этого отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителей оцениваются с помощью амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной и переходной характеристик.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то он может быть представлен в виде:

,

где - модуль коэффициента усиления; - аргумент коэффициента усиления.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость │ К │= f (ω). Пример АЧХ представлен на рисунке 12.2.

 

Иногда АЧХ называют зависимость U_mвых = f (ω) при U_вх =const.

При анализе усилителя часто пользуются нормированной характеристикой

.

Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты f.

Переходной характеристикой усилителя U_вых(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения U от времени t при единичном скачкообразном изменении входного напряжения.

Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала.

На практике проще осуществить расчет искажения и сравнивать свойства усилителей, если характеристику нормировать. Тогда за переходную характеристику следует принимать соотношение

.

Ее график показан на рисунке 12.3.

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителях.

Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармоническими составляющими входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) К_Г. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением:

,

где Р ₂, Р ₃,..., Р _n - мощность второй, третьей и n-ой гармоник.

При резистивной нагрузке допустимый уровень определяется:

,

где U_{m 2}, U_{m 3}, U_mn – амплитуды второй, третьей и n-ой гармоники.

Амплитудная характеристика, динамический диапазон,КПД усилителя

О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (рисунок 12.4), то есть зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения.

.

Амплитудная характеристика (АХ) снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания.Реальные АХ - нелинейные, что наиболее ярко выражено при низких и высоких напряжениях U_вх. Начальный нелинейный участок обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые

приводят к появлению напряжения на входе усилителя при отсутствии входного сигнала.При больших напряжениях U_вх сказывается нелинейность ВАХ активных элементов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.В усилителях мощности (УМ) под АХ чаще понимается зависимость выходной мощности от входной мощности (Р_вых = f (P_вх)) или зависимость коэффициента передачи.Количественно мера нелинейности (рисунок 12.5) оценивается как отношение отклонения АХ от линейной характеристики:

.

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений.

В этом случае коэффициент усиления К не зависит от амплитуды и может быть определен, как тангенс угла α наклона АХ к оси абсцисс.

Динамический диапазон усилителя оценивается как:

.

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

В усилителях мощности динамический диапазон определяется с помощью характеристики К (Р_вх).

Выходная мощность Р_{вых max} соответствует уменьшению усиления на 1 дб под верхней границей линейности АХ.

Отношение Р_{вых max} к выходной мощности собственных шумов Р_{вых шум} на входе усилителя принимается за динамический диапазон:

При оценке мощных усилителей используют параметр КПД, который определяется как отношение мощности Р_вых полезного сигнала на выходной нагрузке к мощности Р ₀, потребляемой от источника:

.

Входная и выходная проводимости

 

Под входной проводимостью усилителя понимается проводимость между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:

.

Входная проводимость является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.

Выходной проводимостью называют проводимость между выходными клеммами при подключенном источнике сигнала на входе:

.

Иногда удобнее оценивать не проводимости, а сопротивления:

.

Знание проводимостей и сопротивлений позволяет правильно согласовать усилитель с источником сигнала и последующим каскадом.

Все перечисленные характеристики одинаково важны для различных типов усилителей.

Помимо названых, существуют и другие характеристики: устойчивость, стабильность, коэффициент шума, шумовая температура, конструкционные и эксплуатационные характеристики.

 

№22. Основные параметры Электронных усилителей

Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.
Выходной является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной (P_ном) называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговоренного заранее значения (обычно 3...5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений усиливаемого сигнала до 10 %, называют максимальной (Р_макс). Максимальная выходная мощность может в 2..10 раз превышать номинальную.
Чувствительностью усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход, при котором усилитель отдает в нагрузку номинальную мощность.
Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность. Например, усилитель, на который сигнал подается,от микрофона, должен обладать чувствительностью 1...2 мB, а для усилителя, воспроизводящего грамзаписи от пьезоэлектрических звукоснимателей, достаточна чувствительность 100...200 мВ.
Диапазон усиливаемых частот — это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменяется, в пределах, заданных техническими условиями.
Усилитель по-разному усиливает электрические колебания различных частот.
График зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемых сигналов называют амплитудно-частотной. характеристикой (АЧХ)усилителя.

Диапазон частот ΔF, в пределах которого коэффициент усиления уменьшается не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.
По значению полосы пропускания усилители подразделяются на широкополосные и узкополосные.
Ширина полосы пропускания зависит от вида нагрузки.
Узкополосные усилители, в качестве коллекторной нагрузки обычно имеют колебательный контур и называются резонансными или избирательными.
Такие усилители широко применяются в супергетеродинных радиоприемниках для выделения из множества сигналов, принятых антенной, сигналов нужной радиостанции.
Входное сопротивление — сопротивление переменному току, протекающему между входными зажимами усилителя. Оно зависит от схемы усилителя, частоты переменного входного напряжения, его амплитуды и некоторых других факторов.
Выходное сопротивление характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току.
От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависят входная и выходная мощность усилителя и работа всего устройства.
Коэффициент нелинейных искажений, называемый иногда коэффициентом гармоник, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f₁ в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f₂=2f₁, f₃=3f₁ и т. д. Чем больше амплитуда этих дополнительных составляющих, тем выше коэффициент нелинейных искажений усилителя. Допустимая величина вносимых усилителем нелинейных искажений определяется назначением и областью применения усилителя.
Человеческое ухо представляет собой высококачественный анализатор спектра, сразу же обнаруживающий появление новых гармонических составляющих в выходном сигнале. Оно очень чувствительно даже к небольшим нелинейным искажениям. Поэтому в усилителях радиоаппаратуры высокого качества коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1...2%.

 

№23 Структурная схема усилителя с источником тока и напряжения -?

№24 Режимы работы усилительного каскада по постоянному току

Каскады усиления мощности

4.1. Общие сведения

Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.

 

Основными задачами при проектировании УМ являются:

 

◆ обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;

 

◆ достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;

 

◆ получение максимального КПД.

 

УМ классифицируются по:

 

◆ способу усиления — на однотактные и двухтактные;

 

◆ способу согласования — на трансформаторные и бестрансформаторные;

 

◆ классу усиления — на классы A, B, AB, C, D.

 

В качестве методов проектирования могут применяться:

 

◆ графоаналитические (построение ДХ и т.д.);

 

◆ по усредненным параметрам.

Компенсационный стабилизатор напряжения — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) компенсационные стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения Uвх или Iн) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения Uн.

Рис. 3.32

от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис. 3.32, а) и последовательные (рис. 3.32, б).

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В схеме рис. 3.32, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе Rб путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до Iнmax будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от Iнmax до нуля.

В схеме рис. 3.32, б регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 3.33, а. Транзистор T1 служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе T2. Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т2. Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток IЭ2 транзистора T2 мал. Резисторы R1,R2 являются элементами входного делителя напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 Uбэ2=((R2/(R1+R2))*(Uн-Uоп).

 

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор Т1, и нагрузку Rн, представляет собой усилительный каскад на транзисторе T1 с общим коллектором, в котором Uвх — напряжение питания, Uб1 — входное, а Uн — выходное напряжения (Uн=Uб1-Uбэ1). Для получения требуемого напряжения Uн необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя (Uк2=Uб1) было близко к напряжению Uн. Для этого питание коллекторной цепи транзистора T2 осуществляют от отдельного источника — Eк. Усилитель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необходимого напряжения Uк2 напряжению его входной цепи Uб2. Указанные соображения положены в основу расчета элементов схемы по заданным параметрам Uн, Iн номинального режима.

 

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной обратной связи по приращениям выходного напряжения Uн.

 

Предположим, что под действием уменьшения напряжения Uвх напряжение Uн (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения Uн вызывает уменьшение напряжения на базе Uб2 и напряжения Uбэ2 транзистора Т2, а следовательно, его токов Iб2 и Iк2. Уменьшение тока Iк2 приводит к меньшему падению напряжения на резисторе Rк и увеличению напряжений Uб1 и Uбэ1 транзистора T1. Вследствие увеличения напряжения Uбэ1 напряжение Uкэ1 транзистора Т1 уменьшается, повышая тем самым почти до прежней величины напряжение Uн. Подобно рассмотренному осуществляется компенсация изменения напряжения Uн при увеличении Uвх,а также при изменениях тока нагрузки.

 

Коэффициент стабилизации стабилизатора находят из соотношения

 

 

где rbx2, rб2, rк(э)2 — соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора T2; А = 1 + rд/rвх2+(R1?R2)/rвх2?2 - поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона rд и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т2.

Приняв Uб1=const имеем Rвых=rэ1+rб1/(1+?1), что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель создает в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчета можно воспользоваться выражением

 

Rвых=(rэ2+rд)/?1+rб2/?1?2 (3.35)

 

Числовое значение коэффициента стабилизации стабилизатора находится в пределах нескольких сотен, а выходное сопротивление составляет десятые и сотые доли ома.

 

При разработке стабилизатора часто ставится задача регулирования его выходного напряжения Uн. Возможность регулирования напряжения можно показать, выразив напряжение Uн схемы через параметры входной цепи усилителя:

 

Uн=Iд(R1+R2)+Iб2R1. (3.36)

 

Элементы входного делителя обычно выбирают достаточно низкоомными, обеспечивающими выполнение условия Iд>>Iб2. Это необходимо для ослабления влияния изменяющегося в процессе работы схемы тока Iб2 на напряжение Uб2, а следовательно, на коэффициент стабилизации стабилизатора. С учетом сказанного вторым членом в выражении (3.36) можно пренебречь. Тогда получим

Таким образом, задачу регулирования напряжения решают путем изменения соотношения плеч выходного делителя, что реализуется введением во входную цепь усилителя потенциометра R1-2 (рис. 3.33, б). Пределы регулирования напряжения при этом составляют:

Если, например, принять Uоп=10 В, R1 == 300 Ом, R2 = 360 Ом и R1-2 = 240 Ом, то выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в диапазоне от 5 до 15 В.

 

Напряжение Uн стабилизатора связано с напряжениями входной цепи транзистора Т1, соотношением

 

Uн=Uб1-Uбэ2=Uк2-Uбэ1 (3.37)

 

Или

 

Uн=Eк-(Iб1-Iк2)Rк-Uбэ1 (3.38)

 

Соотношение (3.38) позволяет сделать ряд важных выводов о работе стабилизатора и возможностях его применения. С этой целью рассмотрим два режима работы стабилизатора: Uвх=var, Rн=const (Iн=const) и Uвх=const, Rн=var (Iн=var).

 

При изменении входного напряжения величина Uн стабилизатора изменяется незначительно. Поэтому можно считать, что приращение напряжения?Uвх будет скомпенсировано соответствующим увеличением или уменьшением напряжения?Uкэ1 транзистора T1. При условии Iэ1=Iн=const это вызовет в конечном итоге изменение тока базы, (и коллектора) регулирующего транзистора посредством изменения тока Iк2 усилителя, протекающего через резистор Rк. Напряжение Uн будет тем стабильнее, чем меньшему значению?Uн будет соответствовать необходимое изменение тока Iк2, т. е. чем выше будет коэффициент усиления усилителя. Повышение коэффициента усиления в рассматриваемой схеме достигается увеличением коэффициента?2 и сопротивления Rк. Увеличение сопротивления Rк при этом требует повышения напряжения питания Eк усилителя.

 

В условиях изменяющегося тока нагрузки ток базы регулирующего транзистора Iб1 изменяется пропорционально Iн, так как Iб1=Iн/(1+?1). Поскольку напряжение Uбэ1 мало (доли вольта), режиму стабилизации напряжения Uн согласно выражению (3.38) соответствует почти неизменная сумма токов Iб1+Iк2. Это означает, что с уменьшением тока Iн ток Iк2 увеличивается на величину, на которую уменьшился ток Iб1. При изменении нагрузочного тока от Iнmax до нуля ток Iк2 изменяется от некоторого минимального значения Iк2min до Iнmax/(1+?1)+Iк2min?Iнmax/(1+?1)=Iб1max. Таким образом, транзистор T2 в схеме рис. 3.33, а необходимо выбирать на коллекторный ток, близкий к максимальному току базы регулирующего транзистора.

 

С увеличением тока Iн транзисторы T1, T2 выбираются на большие коллекторные токи. Однако использование рассматриваемой схемы при Iн> 200 - 300 мА неэффективно из-за трудностей в обеспечении высоких значений коэффициента усиления усилителя, а, сле­довательно, и коэффициента стабилизации. Причина заключается в вынужденном уменьшении сопротивления Rк (ввиду больших значений Iб1 и Iк2), а также в малых значениях коэффициента? мощных транзисторов.

 

Задачу уменьшения тока базы регулирующего транзистора при переходе к большим токам нагрузки решают заменой его в стабилизаторе составным транзистором (рис. 3.33, в). Состав­ной транзистор представляет собой соединение двух, трех транзисторов и более, при котором база каждого последующего транзистора связана с эмиттером предшествующего, а коллекторы всех транзисторов объединены.

 

Поскольку ток базы каждого транзистора меньше его тока эмиттера в 1+? раз, ток управления составным транзистором получается во много раз меньше тока эмиттера выходного транзистора (т. е. тока нагрузки стабилизатора). Так, для схемы, состоящей из трех транзисторов (рис. 3.33, а), имеем

где?с — коэффициент передачи тока составного транзистора, числовое значение которого равно 103—104.

 

Тем самым обеспечивается необходимый режим согласования по току выходной цепи усилителя и входной цепи регулирующего транзистора при больших токах Iн.

 

Токоотводящие резисторы R01,R02 (показаны пунктиром) создают цепи протекания начальных токов Iк0(э) транзисторов T1-1, и Т1-2, исключай их протекание по цепям баз последующих транзисторов. С их помощью обеспечивается нормальный режим работы схемы при минимальном токе нагрузки. Для расчета сопротивлений R01 и R02 можно воспользоваться соотношением

 

Составные транзисторы нашли широкое применение в стабилизаторах на токи 0,5 — 1 А и выше.

 

Повышение коэффициента стабилизации (и уменьшение выходного сопротивления) компенсационных стабилизаторов также может достигаться путем увеличения коэффициента усиления усилителя за счет использования в нем большего числа каскадов. Для исключения дрейфа напряжения Uн стабилизатора, вызываемого дрейфом усилителя, последний выполняют на основе балансных каскадов с применением температурной компенсации.

 

Существенные преимущества в отношении массо-габаритных, стоимостных и качественных показателей дает широко используемый в настоящее время интегральный принцип выполнения стабилизаторов, при котором вся маломощная часть схемы стабилизатора унифицируется и представляется в виде микросхемы.

 

Стабилизаторы постоянного напряжения выполняют также с импульсным (ключевым) режимом работы регулирующего элемента (применяется транзистор или тиристор). Такие стабилизаторы, называемые импульсными, реализуются на основе импульсных преобразователей постоянного напряжения.

46.Высоковольтный стабилизатор напряжения.

Принципиальная схема линейного стабилизатора на выходное напряжение 115 В показана выше. Источником напряжения для стабилизатора служит сеть переменного тока 220 В или вторичная обмотка силового трансформатора. Стабилизатор выполнен на интегральной микросхеме SE115N, представляющей собой детектор напряжения на 115 В.

 

Если напряжение на выходе стабилизатора стремится увеличиться свыше рабочего напряжения микросхемы, то открывается выходной п-p-n транзистор микросхемы, коллектор которого выведен на вывод 2. Это приводит к тому, что понижается напряжение затвор-исток, что приводит к понижению выходного напряжения стабилизатора. На мощном высоковольтном полевом n-канальном транзисторе VT1 выполнен истоковый повторитель напряжения. Светодиод HL1 сигнализирует о наличии выходного напряжения, кроме того, цепь R3HL1 разряжает оксидные конденсаторы при отключенной нагрузке. Резистор R1 должен быть проволочным. Его сопротивление и мощность выбирают исходя из параметров подключенной к стабилизатору нагрузки.