|
Достаточно часто необходимо иметь стабилизатор, величина напряжения на выходе которого может устанавливаться в заданных
пределах. В приводимом ниже примере будет рассмотрен стабилизатор напряжения, предназначенный для задания сеточного смещения
прямонакального лампового триода типа 845. Внимательное изучение анодных характеристик этого триода, приводимых Американской
радиокорпорацией RCA (датированных примерно 1933 г.) показало, что значение сеточного смещения должно составлять —125 В,
однако, современные лампы не полностью соответствуют приводимым в технической документации первоначальным характеристикам.
Следовательно, оказывается необходимым точно согласовывать значения анодных токов в выходном каскаде, собранном по двухтактной
схеме, для того, чтобы предотвратить насыщение выходного трансформатора за счет протекающих неуравновешенных постоянных
токов, которое вызывает значительное увеличение искажений. Пределы изменения напряжения ± 25 В относительно базового значения
— 125 В кажутся вполне достаточными. Однако возникает вопрос, каким образом должен работать стабилизатор напряжения, чтобы
удовлетворять этим требованиям?
Весьма удобным обстоятельством является то, что так как стабилизатор напряжения питает часть схемы усилительного каскада,
в которой переменное напряжение сигнала очень велико (вплоть до напряжений 90 В среднеквадратического значения), к стабилизатору
могут не предъявляться очень жесткие требования по уровню шумов, поэтому полупроводниковые стабилитроны являются неплохими
кандидатами на использование в этом качестве (рис. 6.31).
Рис. 6.31 Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением, предназначенный для питания цепей смещения ламп
Стабилитроны, рассчитанные на более высокие рабочие напряжения, позволяют добиться в схеме лучшей стабилизации напряжения,
однако по-прежнему остается в силе требование сохранять между коллектором и эмиттером управляющего транзистора приемлемые
уровни напряжений. На практике, выбор стабилитрона, рассчитанного на напряжение, равное примерно половине максимального
значения выходного напряжения, считается вполне разумным, к тому же, стабилитроны на рабочее напряжение 75 В имеют достаточное
широкое распространение.
Стабилитрон поддерживает напряжение —75 В на эмиттере транзистора, отпирающее напряжение база-эмиттер равно 0,7 В, следовательно,
на базе транзистора будет фиксированное значение напряжения —75,7 В. Так как база транзистора подключена к движку резистора
делителя напряжения, то напряжение на движке потенциометра также будет равно —75,5 В. При этом, вне зависимости от того,
какое значение выходного напряжения установлено. Можно теперь рассчитать значения необходимого ослабления делителя напряжения
для двух крайних случаев использования схемы:
Путем выбора подходящего значения переменного резистора, установленного в середине цепи делителя напряжения, можно далее
рассчитать верхний и нижний элементы схемы делителя напряжения. Низкое значение сопротивления переменного резистора вызвало
бы протекание больших по величине токов в цепи делителя напряжения, тогда как слишком большие значения сопротивления приводило
бы к погрешностям, вызванных слишком малыми токами, протекающими в базу транзистора. Обычный инженерный подход заключается
в том, чтобы в цепи делителя напряжения протекал ток, примерно десятикратно превышающий ожидаемый ток базы. Поэтому значение
сопротивления 50 кОм для переменного резистора представляет для рассматриваемого примера достаточно разумную величину.
Аналогично для напряжения (—100 В) получим:
Когда движок переменного резистора устанавливается в положение, обеспечивающее максимальное значение напряжения на выходе
стабилизатора, то он будет непосредственно подключен к заземляющему резистору (обозначен на схеме через «x»), для минимального
значения выходного напряжения движок должен будет сдвинут до отказа в противоположенном направлении. Используя стандартное
уравнение для цепи делителя напряжения и значение напряжения —150 В, можно определить, что:
Получена система из двух уравнений для двух неизвестных, решение которой может быть осуществлено различными способами
для определения значений «x» и «у», Для конкретного рассматриваемого случая решение получается очень удобным,
если для «x» задать значение 100 кОм, тогда значение «у» будет равно 47 кОм. При этом «x» — это верхний
резистор делителя напряжения, а «y» — нижний.
Стабилизатор напряжения на интегральной микросхеме 317 серии
Хотя схема стабилизатора напряжения, в которой используются два транзистора, представляется идеальной для ее применения
в цепях сеточного смещения, так как она способна обеспечить высокий перепад в значениях регулируемого напряжения, в ряде
случаев бывает необходимо иметь более высокие значения токов при меньшем диапазоне регулирования напряжения, что накладывает
определенные ограничения на возможность применения рассмотренной схемы.
На практике всегда очень желательно создать подходящую схему стабилизатора напряжения, используя для этого небольшое
количество относительно недорогих компонентов, включая операционный усилитель, источник опорного напряжения,
несколько резисторов, конденсаторов и транзисторов. Если очень тщательно подобрать элементы и не менее тщательно собрать
их в единую схему, то полученный результат будет мало отличаться от готового стабилизатора напряжения, выполненного на интегральной
микросхеме, правда и будет при этом стоить примерно в три раза больше, нежели таковая микросхема. Поэтому не следует пренебрегать
возможностью применять в качестве стабилизатора напряжения интегральные микросхемы, там где это целесообразно.
Например, интегральная микросхема 317 серии является стандартным прибором, который выпускается практически всеми производителями
интегральных микросхем. Компания Linear Technology выпускает усовершенствованную версию 317 интегральной микросхемы, которая
известна как LT317, единственное отличие которой заключается в том, что гарантированный допуск на величину опорного напряжения
для нее задан более жестким. Коммерческий вариант схемы позволяет, таким образом, устанавливать выходное напряжение, используя
постоянные резисторы взамен переменных, что позволяет экономить не только небольшую сумму, так как переменные резисторы
не только стоят несколько больше, но они также должны настраиваться в схеме (что тоже стоит дополнительных затрат по времени).
Так как в любительской практике этот аргумент нельзя признать в качестве определяющего, то можно вполне остановиться на
варианте стандартной 317 микросхемы.
Интегральная микросхема 317 серии включает все основные элементы, образующие последовательный стабилизатор, и представляет
единый корпус с тремя выводами, к которым необходимо только подключить внешний делитель напряжения, чтобы получить законченную
схему требуемого стабилизатора (рис. 6.32).
Рис. 6.32 Принципиальная схема стабилизатора на интегральной микросхеме 317 серии
В этой микросхеме один вывод источника опорного напряжения подключен к выводу Выход, тогда как другой подключен к входу
усилителя рассогласования. Второй вход усилителя рассогласований соединен с выводом Настройка микросхемы. Таким образом,
стабилизатор напряжения 317 серии стремится поддерживать напряжение, равное собственному опорному напряжению (1,25 В), между
выводами Выход и Настройка. Все, что необходимо сделать, так это задать параметры делителя напряжения
таким образом, чтобы напряжение на ответвлении составляло (Vout — 1,25 В), а микросхема — стабилизатор
сделает все остальное.
В технической документации для интегральной микросхемы 317 серии можно будет почти наверняка обнаружить, что величина
верхнего резистора рекомендуется 240 Ом. Причина этого заключается в том, стабилизатор напряжения 317 серии должен (для
того, чтобы стабилизация осуществлялась надежно) пропускать ток не менее 5 мА. Если делитель напряжения пропускает ток 5
мА, то это гарантирует, что прибор будет в состоянии стабилизировать напряжение даже в случае отсутствия внешней нагрузки.
Стабилизатор напряжения 317 серии поддерживает ток смещения величиной примерно 50 мкА, протекающий от вывода Настройка
к противоположной шине, который, следовательно, протекает вниз через нижнее плечо делителя напряжения. Как правило, обычно
этим значением можно пренебречь, однако, при проектировании схемы высоковольтного стабилизатора и выборе тока, протекающего
через нижнее плечо делителя, это значение тока должно быть принято во внимание.
В технических данных производителей обычно приводится схема стабилизатора, в которой вывод Настройка зашунтирован на
землю электролитическим конденсатором с емкостью 10 мкФ, который значительно снижает величину пульсаций с уровня 60 дБ до
значения 80 дБ на частоте 100 Гц. Такой прием по своему действию совершенно аналогичен введению в схему ускоряющего конденсатора,
который применялся в двухтранзисторном стабилизаторе напряжения. Однако, так как опорное напряжение «привязано» к выходному
напряжению Vout, а не к потенциалу земли, то в этом случае «ускоряющий конденсатор» присоединен
к земляной шине, а не к точке с выходным напряжением Vout.
В силу этого обстоятельства можно использовать метод, использовавшийся ранее, для проверки того, является ли используемое
значение емкости конденсатора оптимальным. Вывод Настройка представляет собой вход операционного усилителя, следовательно,
его можно рассматривать, как имеющий бесконечно высокое сопротивление, что позволяет учитывать только значения сопротивлений
внешних резисторов. Если желательно использовать верхний резистор с сопротивлением 240 Ом, то для поддержания выходного
напряжения 22 В необходимое сопротивление нижнего резистора составляет 3,9 кОм. При этих значениях оптимальное значение емкости
составит 7 мкФ, что позволяет считать выбор электролитического конденсатора, имеющего емкость 10 мкФ, полностью оправданным,
хотя следует заметить, что автор скорее всего предпочел бы конденсатор, имеющий емкость 6,6 мкФ, если бы он имел в запасе
хотя бы один такой.
Точно так же, как и в случае двухтранзисторного стабилизатора напряжения, характер выходного сопротивления стабилизатора
317 серии является индуктивным. Зависимости выходного комплексного сопротивления, приводимые производителями, дают основание
предположить, что выходной импеданс может быть представлен в виде эквивалентной индуктивности порядка 2,2 мкГн и последовательно
включенного резистивного сопротивления, равного 2,7 мкОм. Поэтому производители рекомендуют использовать в качестве шунтирующего
внешний танталовый дисковый конденсатор, имеющий емкость 1 мкФ, который изображен на эквивалентной схеме (рис. 6.33).
Рис. 6.33. Эквивалентная схема Тевенина по переменной составляющей для стабилизатора серии 317 с шунтирующим
конденсатором емкостью 1 мкФ
Если принять, что танталовый дисковый конденсатор имеет идеальные характеристики (!), то можно считать, что в наличии
имеется колебательный контур с докритическим затуханием, для которого добротность Q определяется следующим образом:
Паразитное сопротивление будет значительно снижать добротность Q, но не сможет уменьшить ее до значения Q =
05, которое могло бы быть критическим для затухания. Это не будет иметь большого значения, так как цепь не сможет возбуждаться
со стороны выхода (для любого сигнала внешнего воздействия конденсатор будет представлять короткозамкнутую цепь). Если же
принять, что конденсатор вовсе не является идеальным, то, к несчастью, придется признать, что возбуждение колебаний из-за
резонанса в контуре все-таки возможно, и схема может оказаться неустойчивой. Применив предыдущее соотношение, можно определить,
что сопротивление величиной 3 Ом критически демпфирует резонанс, поэтому производители рекомендуют последовательно с дисковым
танталовым конденсатором включать резистор с сопротивлением 2,7 Ом.
|
