Выходное напряжение выпрямителя может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение выпрямителя, что приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Во-вторых, может изменяться сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.
Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи. Следовательно, выпрямитель должен обеспечивать выходного напряжение постоянной величины независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для того чтобы этого добиться, после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.
Существует два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные. Их названия определяются методом их соединения с нагрузкой. Параллельный стабилизатор подключается к нагрузке параллельно. Последовательный стабилизатор подсоединяется к нагрузке последовательно. Последовательные стабилизаторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Последовательный стабилизатор также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник питания от короткого замыкания в нагрузке.
|
|
Рис. 12.13
На (рис. 12.13) показана простая регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный стабилизатор. Стабилитрон соединен последовательно с резистором. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.
Цепь, изображенная на (рис. 12.13), обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряжения проявляется в виде изменения падения напряжения на резисторе. Сумма падений напряжения должна равняться входному напряжению. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и последовательно включенного резистора.
Ток через нагрузку определяется сопротивлением нагрузки и выходным напряжением. Через последовательно включенный резистор течет сумма тока нагрузки и тока стабилитрона. Этот резистор должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабилизации.
|
|
Когда ток через нагрузку увеличивается, ток через стабилитрон уменьшается, и сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позволяет цепи поддерживать постоянное выходное напряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного напряжения.
Рис. 12.14
На (рис. 12.14) изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор VT1 включен параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.
Для иллюстрации принципа работы последовательного стабилизатора рассмотрим переменный резистор, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 12.15). Для поддержания постоянного напряжения на нагрузке сопротивление R2 можно изменять. При увеличении входного напряжения сопротивление R2 увеличивают, чтобы на нем падало излишнее напряжение и напряжение на нагрузке оставалось постоянным
Рис. 12.15
С помощью резистора R2 можно также компенсировать изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на переменном резисторе увеличивается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на нагрузке. Если в момент увеличения тока уменьшить сопротивление, то падение напряжения на переменном резисторе останется постоянным. В результате постоянным окажется и выходное напряжение, несмотря на изменения тока нагрузки.
На практике переменный резистор заменяют транзистором. Транзистор включен таким образом, что через него течет ток нагрузки. Путем изменения тока базы можно управлять величиной тока, текущего через транзистор. В схему включают дополнительные элементы, которые позволяют транзистору автоматически компенсировать изменения входного напряжения и тока нагрузки.
Рис. 12.16
На (рис. 12.16) изображен простой последовательный стабилизатор. На его вход подается нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряжение меньшее по величине. Транзистор включен как эмиттерный повторитель, и поэтому здесь отсутствует обращение фазы между базой и эмиттером. Напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе. Нагрузка подключена между эмиттером транзистора и землей. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона минус 0,7 В падения напряжения на переходе база-эмиттер.
Когда входное напряжение на транзисторе увеличивается, выходное напряжение также пытается увеличиться. Напряжение на базе транзистора установлено с помощью стабилитрона. Если на эмиттере появляется больший положительный потенциал, чем на базе, проводимость транзистора уменьшается. Когда транзистор уменьшает свою проводимость, это действует так же, как установка между входом и выходом большого резистора. Большая часть добавившегося входного напряжения падает на транзисторе, и только малая его часть увеличит выходное напряжение.
В последние годы вместо стабилизаторов на дискретных компонентах все чаще используют стабилизаторы на интегральных микросхемах.
Современные стабилизаторы на интегральных микросхемах дешевы и просты в применении. Большинство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход и земля) и могут быть подсоединены непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандартных микросхем, можно использовать микросхему стабилизатора с регулируемым напряжением.
|
|
При выборе микросхемы стабилизатора необходимо знать напряжение и ток нагрузки, а также электрические характеристики нестабилизированного блока питания.
12.4. Типы усилителей на транзисторах
Усилители - это электронные цепи, которые используются для увеличения амплитуды электронного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразование низкого напряжения в высокое, называется усилителем напряжения. Цепь, рассчитанная на преобразование слабого тока в сильный, называется усилителем тока. В современной радиоэлектронике основными усилительными устройствами являются транзисторы.
Для того чтобы транзистор обеспечивал усиление, он должен быть в состоянии принять входной сигнал и выдать выходной сигнал, значительно больший, чем входной.
Входной сигнал управляет током, текущим через транзистор. Этот ток в свою очередь управляет напряжением на нагрузке. Транзисторная цепь рассчитана таким образом, чтобы брать напряжение от внешнего источника питания и подавать его на резистор нагрузки в виде выходного напряжения.
Существует несколько способов включения транзистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим, эмиттером и. схема с общим коллектором. В каждой из этих схем один из выводов транзистора служит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подается напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор-база - в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как c p-n-р, так и с n-p-п транзистором.
В схеме с общей базой (рис. 12.17) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.
Рис. 12.17
В схеме с общим эмиттером (рис. 12.18) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является общим для входа и выхода. Этот способ включения транзистора используется наиболее широко.
|
|
Рис. 12.18
Третий тип соединения (рис. 12.19) - это схема с общим коллектором. В этой схеме входной сигнал подается в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллектор является общим для входа и выхода. Эта схема используется для согласования импедансов (импедансом называется полное сопротивление цепи переменному току).
Рис. 12.19
В таблице (12.1) приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по напряжению, току и мощности для трех схем включения транзистора.
Таблица 12.1
Тип цели | Входное сопротивление | Выходное сопротивление | Усилие по напряжению | Усилие по току | Усилие по мощности |
Общая база | Десятки Ом | Сотни килом – единицы МОм | Несколько сотен | Меньше единицы | Несколько сотен |
Общий эмиттер | Тысячи Ом | Десятки – сотни кОм | Несколько десятков | Несколько сотен | Несколько тысяч |
Общий коллектор | Десятки – сотни кОм | Десятки – сотни Ом | Меньше единицы | Несколько сотен | Несколько десятков |
Отметим, что схема с общим эмиттером изменяет фазу входного сигнала на 180°, тогда как схемы с общей базой и с общим коллектором фазу входного сигнала не изменяют.
Как видно из рис. 12.17-12.19, все три схемы усиления требуют двух источников тока. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор должен быть смещен в обратном направлении. Однако оба напряжения смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока.
Поскольку цепи с общим эмиттером используются наиболее часто, мы их опишем более детально. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.
На (рис. 12.20) изображен транзисторный усилитель с общим эмиттером, использующий один источник питания. Источник питания обозначен + V. Символ заземления является отрицательным выводом источника питания V. Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (RБ и RK) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор RK, сопротивление нагрузки коллектора, соединен последовательно с коллектором. Когда через коллектор течет ток, на резисторе RK появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе RK и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в сумме должны равняться приложенному напряжению.
Рис. 12.20
Резистор RБ, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор RБ, создает на нем падение напряжения, составляющее большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.
Один источник питания может обеспечить необходимые напряжения прямого и обратного смещения. В случае п-р-п транзистора потенциал на базе и коллекторе транзистора должен быть положительным по отношению к эмиттеру. Следовательно, источник питания может быть связан с базой и коллектором через резисторы RБ иRK. Эту цепь часто называют цепью смещения базы, так как ток базы управляется величиной резистора RБ и напряжением источника питания.
Входной сигнал подключается между базой транзистора и его эмиттером или между выводом входа и землей. Значение входного сигнала либо складывается с прямым смещением на эмиттерном переходе, либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, что в свою очередь приводит к изменению падения напряжения на резисторе RK. Выходной сигнал появляется между выводом выхода и землей.
Цепь, изображенная на рис. 12.20, не обладает хорошей стабильностью, так как она не может компенсировать изменения тока смещения при отсутствии сигнала. Изменения температуры приводят к изменению внутреннего сопротивления транзистора, что заставляет изменяться ток смещения. Это сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая его усиление. Этот процесс называется температурной нестабильностью.
Существует возможность компенсации температурных изменений в схеме транзисторного усилителя. Если часть нежелательного выходного сигнала подать на вход цепи, этот сигнал будет противодействовать изменениям в транзисторе. Этот процесс называется отрицательной обратной связью (рис. 12.21).
Рис. 12.21
В цепи, использующей отрицательную обратную связь, базовый резистор RБ соединен непосредственно с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, то ток коллектора и падение напряжения на резисторе RK тоже увеличиваются. Напряжение коллектор-эмиттер уменьшается, уменьшая также напряжение, приложенное к RБ. Это уменьшает ток базы, что служит причиной уменьшения тока коллектора. Так работает коллекторная цепь обратной связи.
Рис. 12.22
На (рис. 12.22) показан другой тип обратной связи. Эта цепь похожа на цепь, изображенную на (рис. 12.21), за исключением того, что последовательно с выводом эмиттера включен резистор RЭ.Резисторы RБ и RЭ и переход транзистора эмиттер-база соединены последовательно с источником питания V.
Увеличение температуры служит причиной увеличения коллекторного тока. Ток эмиттера также увеличивается, увеличивая падение напряжения на резисторе RЭ и уменьшая падение напряжения на резисторе RБ. Ток базы уменьшается, что уменьшает как ток коллектора, так и ток эмиттера. Поскольку сигнал обратной связи создается на эмиттере транзистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.
В цепи этого типа имеет место уменьшение общего усиления, поскольку входной сигнал переменного тока появляется как на резисторе Rк, так и на резисторе RЭ и на транзисторе. При подсоединении параллельно резистору RЭ конденсатора СЭ (рис. 12.23), сигнал переменного тока обходит резистор RЭ, так как сопротивление конденсатора переменному току существенно меньше RЭ. Этот конденсатор называют блокировочным конденсатором. Его емкость выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение 1 / ω Сэ <<RЭ.
Рис. 12.23
Блокировочный конденсатор устраняет любые быстрые изменения напряжения на резисторе RЭ, благодаря тому, что он обладает низким импедансом для переменного тока, удерживает постоянное напряжение на резисторе Rэ неизменным, не мешая работе цепи обратной связи, обеспечиваемой RЭ.
Наибольшую стабильность обеспечивает, цепь обратной связи с делителем напряжется (рис. 12.24). Эта цепь используется наиболее широко. Здесь резистор RБ заменяется двумя резисторами, R1 и R2 . Эти последовательно соединенные резисторы подключены параллельно источнику питания V. Они делят напряжение питания на два напряжения, образуя делитель напряжения.
Рис. 12.24
На резисторе R2 падает меньшее напряжение, чем на резисторе R1. Напряжение на базе по отношению к земле равно падению напряжения на резисторе R2. Цель делителя напряжения - установить постоянное напряжение на базе транзистора по отношению к земле. Подсоединенный к базе конец резистора R2 имеет положительный потенциал по отношению к земле.
Так как через резистор RЭ течет ток эмиттера, то на конце резистора RЭ, подсоединенном к эмиттеру, имеется положительный потенциал по отношению к земле- Напряжение на переходе эмиттер-база является разностью двух положительных напряжений - напряжения на резисторе R2 и напряжения на резисторе RЭ. Для того, чтобы имело место правильное прямое смещение, положительный потенциал базы должен быть немного выше положительного потенциала эмиттера.
При увеличении температуры токи коллектора и эмиттера также увеличиваются. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на резисторе RЭ. Это приводит к тому, что положительный потенциал эмиттера по отношению к земле увеличивается. Тогда прямое смещение перехода эмиттер-база уменьшается, что приводит к уменьшению тока базы. Уменьшение тока базы уменьшает токи коллектора и эмиттера. Противодействие также имеет место и при понижении температуры: ток базы увеличивается, что приводит к увеличению токов эмиттера и коллектора.
Усилители, обсуждавшиеся до сих пор, имели такое смещение, что весь приложенный входной переменный сигнал появлялся на выходе. Выходной сигнал имел такую же форму, что и входной сигнал, за исключением того, что его величина была больше. Усилитель, смещение которого таково, что ток через него течет во время всего периода сигнала, называется усилителем, работающим в классе А (рис. 12.25). Усилитель, смещение которого таково, что выходной ток через него течет меньше, чем полный период, но больше половины периода, называется усилителем, работающим в классе АВ. В режима класса АВ усилитель усиливает больше чем половину периода, но меньше, чем полный период входного сигнала переменного тока (рис. 12.26).
Усилитель, смещение которого таково, что выходной ток через него течет только половину периода входного сигнала, - это усилитель, работающий в классе B. В режиме класса B усиливается только половина входного сигнала переменного тока (рис. 12.27).
Усилитель, смещение которого таково, что выходной ток через него течет меньше, чем половину периода входного сигнала переменного тока - это усилитель, работающий в классе C. В режиме класса C усиливается меньше чем половина периода входного сигнала переменного тока (рис. 12.28).
Рис. 12.25
Рис. 12.26
Рис. 12.27
Рис. 12.28
Усилители класса А являются наиболее линейными из всех упомянутых. Они создают наименьшие искажения, но имеют самую низкую выходную мощность и наименее эффективны. Они находят широкое применение в тех случаях, когда требуется точное сохранение входного сигнала, как, например, при усилении сигналов звуковой частоты в радиоприемниках и телевизорах. Для получения большой выходной мощности обычно используют усилители, работающие в режиме класса АВ или класса В.
Усилители классов АВ, В и С создают значительное количество искажений. Это обусловлено тем, что они усиливают только часть входного сигнала. Для усиления полного входного сигнала переменного тока необходимы два транзистора, соединенные в двухтактную схему (рис, 12.29).
Рис. 12.29
Усилители класса В используются в качестве выходных каскадов в стереосистемах и мощных концертных усилителях, а также в промышленности. Усилители класса C используются в качестве усилителей высокой мощности в передатчиках, где усиливается только одна частота, например в радио и телевизионных передатчиках.
Для того чтобы получить большее усиление, транзисторные усилители могут быть соединены последовательно. Однако для того чтобы избежать влияния смещения одного усилителя на работу другого, они должны быть соединены определенным образом. При соединении усилителей не должна нарушаться работа никакой цепи. Возможны следующие методы соединения усилительных каскадов (каскад - часть сложного усилителя, которую можно рассматривать как отдельный усилитель): посредством резистивно-емкостной, импедансной, трансформаторной и непосредственной (гальванической) связи.
Два каскада, соединенные посредством резистивно-емкостной связи, или RC связи, показаны на (рис. 12.30).
Рис. 12.30
Резистор R3 является коллекторной нагрузкой первого каскада. Конденсатор С1 является блокирующим для постоянного тока и конденсатором связи для переменного тока. Резистор R4 является входной нагрузкой, а также замыкает по постоянному току цепь перехода база-эмиттер второго каскада. Резистивно-емкостная связь используется главным образом в усилителях низкой частоты.
Конденсатор связи Ct должен иметь низкое реактивное сопротивление для минимизации ослабления сигнала на низких частотах. Обычно используется емкость в пределах от 10 до 100 микрофарад. Конденсатор связи обычно бывает электролитическим.
При уменьшении частоты реактивное сопротивление конденсатора связи увеличивается. Низкочастотная граница усилителя определяется величиной конденсатора связи. Высокочастотная граница определяется типом использованного транзистора.
Импедансная связь подобна RC связи, только вместо резистора в качестве нагрузки коллектора первого каскада усиления используется катушка индуктивности (рис. 12.31).
Рис. 12.31
Импедансная связь работает совершенно аналогично RC связи. Ее преимуществом является то, что катушка индуктивности имеет очень низкое сопротивление по постоянному току, а выходной сигнал переменного тока на катушке индуктивности такой же, как и на нагрузочном резисторе. Однако катушка индуктивности потребляет меньшую мощность, чем резистор, что увеличивает общую эффективность цепи.
Недостатком импедансной связи является то, что индуктивное сопротивление увеличивается при увеличении частоты. Поэтому коэффициент усиления по напряжению изменяется при изменении частоты. Этот тип связи идеален для одночастотного усиления, т. е. когда должна усиливаться очень узкая полоса частот.
В цепи с трансформаторной связью два усилительных каскада связаны между собой через трансформатор (рис. 12.32).
Рис. 12.32
Трансформатор может эффективно согласовать источник с высоким выходным импедансом с нагрузкой с низким импедансом. Недостатком этого метода является то, что трансформаторы велики и дороги. Кроме того, как и усилитель с импедансной связью, усилитель с трансформаторной связью полезен только для узкого диапазона частот.
Когда необходимо усилить очень низкие частоты или сигнал постоянного тока, должен использоваться усилитель с непосредственной (гальванической) связью. На (рис. 12.33) изображен двухкаскадный усилитель с гальванической
связью.
Рис. 12.33
Входной сигнал усиливается первым каскадом. После этого усиленный сигнал поступает на базу транзистора второго каскада. Общее усиление цепи равно произведению коэффициентов усиления по напряжению двух каскадов. Например, если и первый и второй каскады имеют коэффициент усиления по напряжению равный 10, то общий коэффициент усиления цепи равен 100.
Усилители с гальванической связью обеспечивают равномерное усиление по току и напряжению в широком диапазоне частот - от нуля герц (постоянный ток) до многих тысяч герц.