|
Схема двухтранзисторного последовательного стабилизатора является очень распространенной и успешно применяемой на практике
(рис. 6.29).
Рис. 6.29 Принципиальная схема стабилизации отрицательного напряжения смещения на двух транзисторах
Эта схема получила широкое распространение из-за своей низкой стоимости, однако, вопреки этому факту ее работа действительно
отличается очень хорошим качеством. Напряжение на последовательно включенный проходной транзистор Q2 подается с коллектора транзистора
Q1, включенного по схеме с общим эмиттером. Напряжение на эмиттере транзистора Q1 задается постоянным
от источника опорного напряжения (стабилитрона), тогда как на базу этого же транзистора подается часть выходного напряжения
с использованием схемы делителя напряжения. Если входное напряжение возрастает, то для включения транзистора Q1
будет необходим больший по величине ток, его коллекторное напряжение (при этом необходимо помнить, что коллектор соединен
с базовым выводом транзистора Q2) снижается, что вызывает снижение эмитерного напряжения на транзисторе Q2
(а оно одновременно является и выходным напряжением стабилизатора). Таким образом, осуществляется противодействие начальному
отклонению. Эта схема является идеальной для использования в качестве стабилизатора напряжения смещения для усилителя мощности,
так как очень часто бывает необходимым поддерживать стабильность напряжения при более высоких значениях скачков напряжения,
чем это мог бы сделать стабилизатор напряжения, изготовленный в виде интегральной микросхемы.
Данная схема стабилизации может обеспечить значение выходного тока всего в 50 мА, так как базовый ток для транзистора
Q2 отбирается от коллекторного тока транзистора Q1.
Если увеличить коллекторный ток транзистора Q1, то доля тока транзистора Q1 могла бы возрасти еще больше,
что позволило бы увеличить выходной ток. Однако более разумным решением было бы заменить транзистор Q2 так
называемой парой Дарлингтона (составным транзистором с объединенными коллекторами), для которой понадобился бы меньший ток
базы. Другим вариантом могла бы явиться замена транзистора Q2 мощным МОП полевым транзистором, однако, в этом
случае потребовалось бы использовать ограничительный резистор на затворе транзистора, имеющий сопротивление порядка 100
Ом и припаянный непосредственно к выводу затвора.
Полупроводниковый стабилитрон пропускает ток 12 мА, что оказывается вполне достаточным для его нормальной работы и обеспечения
стабилизированного выходного напряжения с минимальным уровнем шумов. Полупроводниковый стабилитрон, рассчитанный на напряжение
6,2 В, был выбран из-за самого низкого значения температурного коэффициента напряжения и более низкого значения дифференциального
сопротивления, однако, так как он все-таки генерирует некоторый сигнал шума, то он зашунтирован конденсатором с емкостью
47 мкФ.
Ускоряющий конденсатор
Ускоряющий конденсатор в схемах последовательных стабилизаторов подключается параллельно верхнему резистору в цепи делителя
напряжения. Его задача заключается в том, чтобы увеличить коэффициент отрицательной обратной связи по переменной составляющей,
и, следовательно, снизить уровень фоновых помех и шумов. Так как любой линейный стабилизатор может рассматриваться как составленный
из операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи, то может быть использована следующая исходная диаграмма (рис. 6.30а).
Рис. 6.30 Влияние ускоряющего конденсатора на снижение уровня пульсаций
Полное усиление операционного усилителя можно представить в виде суммы коэффициента усиления по постоянной составляющей
с разомкнутой цепью обратной связи и коэффициента усиления по переменному току, которое снижается со скоростью 6 дБ/октаву
с изменением частоты. Усиление, которое соответствует на диаграмме заштрихованному участку, может влиять на степень уменьшения
поступающих пульсаций, следовательно, снижение пульсаций может достичь максимального уровня в случае, если:
• максимально увеличить коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой
цепи обратной связи;
• максимально увеличить верхнюю частоту излома (сопряжения) fcorner
(741: fcorner ≈ 20 гЦ, 5534: fcorner ≈ 1 кГц);
• максимально увеличить значение отношения постоянного выходного напряжения к величине
опорного.
Хотя необходимо, чтобы операционный усилитель имел некое требуемое значение коэффициента усиления по постоянной составляющей
для поддержания необходимого значения выходного напряжения, все значения коэффициента усиления, расположенные ниже заштрихованной
области, являются непригодными. Основное назначение ускоряющего конденсатора заключается в том, чтобы можно было использовать
эти, ранее не используемые значения коэффициента усиления (рис. 6.306).
С первого взгляда могло бы показаться, что частота/ЗД6 могла бы иметь более низкое значение, чтобы все ранее
недоступные значения коэффициента усиления могли бы быть использованы. Однако чрезмерное увеличение емкости ускоряющего конденсатора
сместило бы характеристику стабилизатора в область, приводящую к изменениям в величине тока нагрузки.
Максимальное значение емкости этого конденсатора можно определить, прежде всего, расчетом эквивалентного сопротивления
Тевенина по переменной составляющей:
Учитывая, что,
а также то, что:
можно будет для рассмотренной выше схемы (при условии, что hfe = 200, Ic
= 12 мА) определить, что значение hie составит приблизительно 500 Ом. Следовательно, величина эквивалентного
сопротивления в схеме Тевенина со стороны конденсатора составит примерно 450 Ом.
Очень было бы желательно иметь такой конденсатор, который оказывал бы максимальное влияние на ослабление пульсаций, характеризующихся
самой низкой частотой, и которая составляет 100 Гц (для стран с частотой переменного тока в сетях питания 60 Гц, в том числе
США, данная частота будет равна 120 Гц). Цепь делителя напряжения и конденсатор представляют ступенчатый эквалайзер, чье
влияние на работу стабилизатора можно сравнить с тем влиянием, которое оказывается на связанные постоянные времени 3180
мкс и 318 мкс в схеме блока частотной коррекции RIAA, который описан. Можно добиться того, чтобы реактивная составляющая
сопротивления конденсатора на самой низкой частоте напряжений пульсаций равнялась бы сопротивлению Тевенина в средней точке
делителя напряжения, что, в свою очередь, означало бы, что конденсатор с бесконечно большим значением емкости смог бы только
снизить уровень пульсаций на дополнительные 3 дБ:
Ближайшее к расчетному стандартное значение емкости составляет 3,3 мкФ. Эта величина является очень небольшой, хотя автору
доводилось видеть большое количество подобных схем, в которых использовались конденсаторы с увеличенным значением емкости.
Более того, он сам, естественно, однажды также собрал подобную. Чисто субъективно, но эффект, связанный с использованием
конденсатора с увеличенной сверх нормального значения емкостью, проявлялся в низкочастотном рокоте (гуле), который, как тогда
неверно считалось, был якобы связан с комнатной акустикой.
В другом крайнем случае можно взять реактивное сопротивление конденсатора, которое было бы сравнимым с общим сопротивлением
цепи делителя напряжения. Конденсатор с меньшим значением смог бы обеспечить улучшение для фонового шума в 3 дБ по сравнению
с цепью без конденсатора вообще. Однако ее низкочастотные переходные характеристики были бы лучше по сравнению со схемой
стабилизатора, в которой использовался бы конденсатор большей емкости.
Величина емкости ускоряющего конденсатора представляет известный компромисс между попытками снижения фонового шума и
низкочастотными переходными характеристиками стабилизатора, поэтому достаточно корректного ответа на вопрос о ее величине
не существует, за исключением того, что емкость конденсатора должна бы быть небольшой. Можно даже попытаться определить ее
окончательное значение на слух при прослушивании, так как различные громкоговорители (обладающие различными низкочастотными
характеристиками демпфирования) могут звучать лучше при различных значениях емкости этого конденсатора.
Компенсация выходного индуктивного сопротивления стабилизатора
У стабилизатора также имеется подключенный параллельно выходным клеммам конденсатор. Как изображено на рис. 6.30, усиление
усилителя рассогласования с увеличением частоты снижается. Связано это с наличием эффекта Миллера и влияния паразитных емкостей.
Поэтому величина коэффициента усиления, доступного для снижения выходного импеданса, также снижается. Если величина (1 +
βA0) снизилась, то выходное комплексное сопротивление должно возрасти и эффект проявится в том, что
выходной импеданс возрастет с частотой. Идеальный источник Тевенина с последовательно включенной индуктивностью выглядел
бы совершенно аналогично, и только по этой причине выход стабилизаторов часто считается на высоких частотах, как индуктивный.
Шунтирующий же конденсатор обеспечивает низкое выходное комплексное сопротивление в области высоких частот.
|
