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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Mikropower-Spannungsstabilisatoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Überspannungsschutz Einer der wichtigsten Indikatoren für energieautarke elektronische Geräte ist die Effizienz ihrer Komponenten. Bei den nachfolgend beschriebenen Micropower-Spannungsreglern besteht die beispielhafte Spannungsquelle nicht aus einer Zenerdiode, deren minimaler Betriebsstrom mehrere Milliampere beträgt, sondern aus einem Feldeffekttransistor mit pn-Übergang. In diesem Fall ist die Abschaltspannung des Transistors beispielhaft. Eine solche Schaltungslösung ermöglichte es, die Stromaufnahme des Stabilisators auf etwa 100 μA zu reduzieren. Durch zusätzliche Maßnahmen zur Gewährleistung der thermischen Stabilität der Ausgangsspannung können solche Stabilisatoren als Quellen für beispielhafte Spannungen (ION) mit sehr hoher Genauigkeit verwendet werden. Die erste Version des Spannungsstabilisators ist auf einem frequenzkorrigierten Operationsverstärker K154UD1B (Abb. 1) aufgebaut, der eine hohe Spannungsverstärkung (Ku>=2*105) und einen geringen Stromverbrauch (Iп<= 1,2*10-4) aufweist ). Trotz der Einfachheit der Schaltung weist der Stabilisator hohe technische Eigenschaften auf:
Am Widerstand R1 wird die Mischspannung des im Stabilisator beispielhaften Feldeffekttransistors VT1 gebildet. Der Operationsverstärker DA1 ist nach dem Schema eines nichtinvertierenden Verstärkers angeschlossen, dessen Verstärkung durch den im Gegenkopplungskreis enthaltenen Teiler R2R3 eingestellt wird. Da an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1 eine beispielhafte Spannung Uobr angelegt wird, beträgt sein Ausgang Uout = (R3 / R2 + 1) * Uobr. Der Drain des Feldeffekttransistors VT1 ist mit dem Ausgang des Stabilisators verbunden, sodass die Referenzspannung mit sehr hoher Genauigkeit aufrechterhalten wird. Tests haben gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Versorgungsspannung von 6,7 V auf 32 V eine Änderung der Ausgangsspannung mit einem fünfstelligen Digitalvoltmeter Shch68002 (mit einer Auflösung von 0,1 mV bei einer Grenze von 10 V) nicht registriert werden kann. Somit ist die Instabilität der Ausgangsspannung im betrachteten Stabilisator hauptsächlich auf die Qualität seiner passiven Elemente (Widerstände) und die Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung zurückzuführen. Diese Abhängigkeit kann auf Kosten einer geringfügigen Erhöhung des Stromverbrauchs auf nahezu Null reduziert werden. Tatsache ist, dass es für Feldeffekttransistoren verschiedener Typen einen Drain-Stromwert gibt, bei dem die Gate-Source-Spannung nicht von der Temperatur abhängt. Es ist übrigens bekannt, dass dieser Wert für Transistoren mit p-Kanal und einer Sperrspannung von 1 ... 2 V im Bereich von 25 bis 250 μA liegt. Tatsächlich scheinen diese Grenzen weiter zu sein als allgemein angenommen. Für eine der im betrachteten Stabilisator getesteten Kopien des Feldeffekttransistors ergab sich also ein Wert von 650 μA.
Aufgrund der hohen technischen Eigenschaften empfiehlt sich der Einsatz des beschriebenen Spannungsstabilisators in Geräten mit Netzstromversorgung. Die Eingangsspannung sollte 32 V nicht überschreiten. Um den zulässigen Laststrom zu erhöhen, muss dieser über einen Emitterfolger an einen Transistor entsprechender Leistung an den Ausgang des Operationsverstärkers DA1 angeschlossen werden. Bei einem Strom von mehr als 1 A ist höchstwahrscheinlich ein zusammengesetzter Folger auf zwei Transistoren erforderlich. Der erforderliche Wert der Ausgangsspannung wird durch Auswahl der Widerstände R2, R3 eingestellt. Um den normalen Betrieb des Operationsverstärkers DA1 sicherzustellen, sollte die Referenzspannung nicht weniger als 2 V betragen und die Ausgangsspannung (an Pin 6) sollte (Upit - 2) V nicht überschreiten. Ein schematisches Diagramm der zweiten Version des Stabilisators ist in Abb. 2 dargestellt. Es ist auf weit verbreiteten Elementen aufgebaut und weist die folgenden technischen Eigenschaften auf:
Ein interessantes Merkmal dieses Stabilisators ist die Verwendung eines Stromstabilisators auf Basis der Feldeffekttransistoren VT1, VT2 als temperaturkompensierendes Element, das darüber hinaus seine Hauptfunktion einer dynamischen Last mit hohem Innenwiderstand erfüllt. Im Gegensatz zur ersten Option ist es hier möglich, die aktuelle Betriebsart der Transistoren und damit den Stromverbrauch einzustellen. Wenn Sie beispielsweise den Widerstand aller Widerstände um ein Vielfaches erhöhen, verringert sich die Stromaufnahme entsprechend. Der Stabilisator ist nach dem Kompensationsschema aufgebaut. Das Steuerelement besteht aus dem Transistor VT3, der nach dem OE-Schema angeschlossen ist. Dieses Element wird durch eine tiefe negative Rückkopplung durch einen zusammengesetzten Spannungsfolger an den Transistoren VT4, VT5 abgedeckt. Die Last des Transistors VT3 ist der Stromstabilisator VT1, VT2, R1. Dank der Kaskodenschaltung konnte ein sehr großer Innenwiderstand des Stromstabilisators erreicht werden – etwa 150 MΩ, was die technischen Eigenschaften des gesamten Geräts insgesamt deutlich verbesserte. Damit der Spannungsfolger VT4, VT5 den durch die Transistoren VT1-VT3 fließenden Strom nicht beeinflusst, wird der erste Zwischentransistor als Feldtransistor ausgewählt. Der zweite Transistor des Folgers muss bipolar sein, da dies aufgrund der größeren Steilheit der Kennlinie im Vergleich zum Feldtransistor die Ausgangsimpedanz des Spannungsfolgers und des Stabilisators insgesamt deutlich reduzieren kann.
Die Idee der Temperaturstabilisierung der Ausgangsspannung ist wie folgt. Die Spannung Ube zwischen Basis und Emitter eines Bipolartransistors hat bei festem Kollektorstrom einen negativen Temperaturkoeffizienten von -2 mV/°C. Der Drainstrom des FET wiederum liegt aufgrund der Temperaturdrift der Abschaltspannung im Mikrostrombereich. gleich etwa +2 mV/°C, hängt von der Temperatur mit einem Koeffizienten von etwa +10-3/°C ab. Dieser durch den Widerstand R2 des Stabilisators fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall, der bei einem bestimmten Wert des Widerstands R2 einen Temperaturkoeffizienten von +2 mV/°C aufweist. Somit hängt die Ausgangsspannung gleich Uout = (UBE3 + UR2) (R4 / R5 + 1) nahezu nicht von der Temperatur ab (UBE3 ist die Spannung am Emitterübergang des Transistors VT3). Der kleinste Wert des Temperaturkoeffizienten kann erreicht werden, wenn der Widerstand R2 sorgfältig ausgewählt wird. Für einen zuverlässigen Betrieb der Wärmekompensationseinheit ist es notwendig, den Temperaturunterschied zwischen den pn-Übergängen der Transistoren VT1 und VT3 auf dem Mindestniveau (nicht mehr als 0,05 °C) zu halten. Dieses Problem kann am einfachsten dadurch gelöst werden, dass zwischen den Gehäusen dieser Transistoren ein thermischer Kontakt hergestellt wird. Diese Maßnahme ist jedoch nicht immer gerechtfertigt und möglicherweise unnötig. Wenn keine Faktoren vorhanden sind, die einen Wärmegradienten verursachen können (nahe beieinander liegende Heizteile, z. B. Kühlkörper leistungsstarker Transistoren), haben die Gehäuse der Transistoren VT1 und VT3, auch separat installiert, bis auf wenige Hundertstel die gleiche Temperatur eines Abschlusses. Ihre in ihnen freigesetzte eigene Wärmeleistung überschreitet 30 μW nicht, was zu einem Anstieg der Temperatur des Halbleiterkristalls um nicht mehr als 0,03 °C führt (ein typischer Wert des Wärmewiderstands der Verbindung – Umgebung, für niedrig). -Leistungstransistoren beträgt 0,5 .. .1 S/mW). Dies zeigt, dass in einigen Fällen auch ohne thermischen Kontakt zwischen den Gehäusen der Transistoren VT1 und VT3 eine hohe thermische Stabilität der Ausgangsspannung gewährleistet werden kann. Bei der Auswahl von Teilen für Stabilisatoren sollte besonderes Augenmerk auf die Auswahl der Feldeffekttransistoren nach Abschaltspannung gelegt werden. Bei der ersten Version des Stabilisators (Abb. 1) muss sie mehr als 2 V betragen. Der Transistor VT1 in der zweiten Version (Abb. 2) muss eine Abschaltspannung innerhalb von 0,6 ... 1 V haben, VT2 - 1,8 ... 2,2 ,3 V. VT1 - 3..303 V. Es gibt keine weiteren besonderen Anforderungen an Transistoren, daher können Sie anstelle von KP302E Transistoren der Serien KP307 und KP315 anstelle von KT3102G - KT3102G - KT342E verwenden , KT342B, KTXNUMXV. Da es sich beim Stromstabilisator VT1VT2R1 (Abb. 2) um ein Gerät mit zwei Anschlüssen handelt, können anstelle von Feldeffekttransistoren mit p-Kanal Transistoren mit n-Kanal verwendet werden, wobei die gewünschte Schaltpolarität zu beachten ist. Als Ersatz für den K154UD1B OU können K140UD12 und KR1407UD2 empfohlen werden, diese haben jedoch eine andere Pinbelegung und einen zulässigen Laststrom von weniger als 1 mA. Korrekturkondensator C1 – jede Keramikserie KM-5, KM-6 usw. Bei geringen Anforderungen an die zeitliche und Temperaturstabilität der Ausgangsspannung in Stabilisatoren ist es besser, MLT-0,125- oder MLT-0,25-Widerstände mit einer Toleranz von 5 % zu verwenden, andernfalls müssen alle Widerstände (außer R3 in Abb. 2) präzise sein. zum Beispiel C2 -13-0,25 mit einer Toleranz von 0,1 %. Die Einrichtung von Stabilisatoren besteht darin, den gewünschten Wert der Ausgangsspannung durch Wahl des Widerstandsverhältnisses der Rückkopplungskreiswiderstände einzustellen. In jedem Stabilisator wurden Maßnahmen ergriffen, um die Selbsterregung bei hoher Frequenz zu eliminieren, indem Korrekturkondensatoren C1 mit geringer Kapazität in den Gegenkopplungskreis eingebaut wurden. Dennoch kann die Möglichkeit des Auftretens einer parasitären Erzeugung nicht ausgeschlossen werden. Dies ist möglich, wenn am Ausgang Laststabilisatoren mit einer Kapazität von 500 pF ... 0,1 Mikrofarad vorhanden sind. Um die parasitäre Erzeugung zu beseitigen, reicht es aus, parallel zur Last des Stabilisators einen Oxidkondensator mit einer Kapazität von 1 ... 10 Mikrofarad einzuschalten. Autor: S. Fedichin
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