Elektronikawzad72

w. Ciążyńiki - ELEKTRONIKA W ZADANIACH

C?<łć 2 Aułli/4 wpływu zmian temperatury na pracę układów półprzewodnikowych

Zadanie 2.18

Rys. 2.18.1

W układzie tranzystorowego stabilizatora napięcia jak na rysunku 2.18.I należy:

1.    narysować charakterystykę obciążenia stabilizatora U wy = f (Ii) w temperaturze To = 300 K dla rezystancji obciążenia Ri zmieniającej się od co (dla wyłączonego klucza K) do 0 (tzn. do zwarcia wyjścia do masy);

2.    narysować charakterystykę jw. w temperaturze T' = 340 K;

3.    wyznaczyć minimalną wartość napięcia wejściowego stabilizatora, jeśli ma on działać poprawnie w zakresie temperatur od 300 do 340 K.

Zakładamy, że:

-    dla każdego z tranzystorów prąd kolektora w stanie aktywnym nie zależy od wartości napięcia Uce, a granica stanu nasycenia tranzystora odpowiada napięciu li/c&l=l,0V;

-    złącze baza-emiter każdego z tranzystorów znajdującego się w stanie aktywnym można w temperaturze Tn zastąpić spadkiem napięcia Unr\ = 0,6 V niezależnym od wartości prądu bazy, a w zakresie temperatur do 7" współczynnik zmian tego napięcia wynosi tar. = - 2,5 mV / K;

-    prąd zerowy leto każdego z tranzystorów jest bardzo mały, możliwy do pominięcia w całym zakresie temperatur od 7odo T';

-    stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego pt tranzystora Tl (pnp) jest na tyle duży, że możemy pominąć prąd bazy (czyli uważać, że Ic = 4);

-    stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora T2 (npn) jest w temperaturze T₀ równy /3? = 100 i rośnie o 1% tej wartości na każdy stopień przyrostu temperatury;

-    dioda Zcnera ma w temperaturze Tę napięcie przebicia Uda- 5,6 V, a w zakresie temperatur do T współczynnik zmian tego napięcia wynosi £dz--0,5 mV/K. Rezystancja dynamiczna r₀7. w całym obszarze przebicia może być uważana za równą zeru;

-    przewodzącą diodę można w temperaturze To zastąpić spadkiem napięcia Ud= 0,6 V niezależnym od wartości prądu diody, a w zakresie temperatur do T współczynnik c_D zmian tego napięcia ma wartość - 2,5 mV / K.

Rozwiązanie

Ad 1. Przedstawiony na rysunku 2.18.2 fragment układu można uważać za źródło prądowe, gdyż możemy napisać:

2 U _U—U _ai-¥l_E-R_s, a zatem

2

2U.

0.6 V-0,6 V

= 5mA

(2.7*./)

120 śi

Jeśli możemy pominąć prąd bazy. to także prąd kolektora jest równy 5 mA i to niezależnie od obciążenia, jeśli tylko napięcie na obciążeniu nie jest zbyt duże. Napięcie na emiterze tranzystora wynosi 10 V - 0.6 V = 9,4 V, czyli wobec tego że I(/ce,I = ^1v tranzystor znalazłby się się na granicy stanu nasycenia gdy U a = 8,4 V, co odpowiadałoby maksymalnej wartości rezystora obciążającego równej 8.4 V / 5 mA = 1,68 kfl Powracając do pełnego układu widzimy, że omawiane źródło prądowe pracuje na diodę Zenera i napięcie U a - Udz=5,6 V, czyli tranzystor Tl pracuje w stanie aktywnym. Prąd źródła rozpływa się tak, że: la = hz + 1b2 ;

Gdy stabilizator byłby zupełnie nieobciążony (/_ca0, a zatem także l_B2 = 0), cały prąd 5 mA płynąłby przez diodę Zenera. Pojawienie się obciążenia powoduje, że odpowiadający mu prąd bazy zmniejsza prąd diody Zenera. Maksymalny prąd, który' może wpłynąć do bazy T2 także wynosi hi *»» = 5 mA.

Przyjęta aproksymacja charakterystyki złącza baza-emiter powoduje, że dla /r = 0 mamy U\yy - Unz = 5,6 V, ale już bardzo niewielki prąd emitera powoduje pojawienie się spadku napięcia Ube2 = 0,6 V i wtedy napięcie wyjściowe spada do wartości:

U_wr =(/,*-(/_W2 = 5,6 ^v - 0.6 ^v = 5,0 V    (2.18.2)

W rzeczywistym układzie taki (bardzo w stabilizatorze napięcia niepożądany)    u_ce?

początkowy odcinek charakterystyki o dużym nachyleniu także występuje i z tej przyczyny stabilizator wymaga pewnego wstępnego obciążenia, włączonego zawsze, niezależnie od wartości zewnętrznego obciążenia użytkowego /?/.. W tematowym układzie rezystor Ro spełnia właśnie rolę takiego wstępnego obciążenia.

Maksymalna wartość prądu emitera tranzystora T2 odpowiada faz - 0 i wynosi:

1 £imu = (fii + »/«.« = (100+1) • 5 mA = 505 mA    (2.18.3)

5«fl [l»A'j

Przez podłączony do napięcia wyjściowego 5 V rezystor 7?^ = I kT2 płynie wtedy prąd 5 mA, czyli w obciążeniu użytkowym Rl mamy do dyspozycji 500 mA.

Przy napięciu wyjściowym Uvy=5,0V oznacza to podłączenie rezystancji Ri„i„ = 10Ś1 Przy dalszym zmniejszaniu rezystancji obciążenia Rt dioda Zenera wychodzi z obszaru przebicia i nie odgrywa już w układzie jakiejkolwiek roli, układ sprowadza się do    Rys. 2.18,4

pokazanego na rysunku 2.18.3. Przy prądzie emitera

ciągłe równym 505 mA napięcie wyjściowe spada, osiągając wartość zerową dla zwarcia (tzn. R_L = 0 O).

Kształt charakterystyki prądowo napięciowej stabilizatora U wy- f(la) wynikający z powyższych rozważań pokazano na rysunku 2.18.4. Można na niej (poza początkowym odcinkiem) wyróżnić zakres stabilizacji napięcia na poziomie 5 V (dla