3.5.2 Параметрические стабилизаторы напряжения

Ввиду зависимости напряжения U_d от тока нагрузки, а также от изменений напряжения u₁ питающей сети, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения. Существует два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В первом типе стабилизаторов используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающего через них тока Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон. Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

Принцип работы параметрического стабилизатора по схеме на рисунке 3.40 заключается в постоянстве тока I через резистор R₀, согласно выражению:

I = (u₁ – u₂) / R₀ = I_ст + I_н = const. (3.21)

Рисунок 3.21 – Параметрический стабилизатор на стабилитроне

Физически этот принцип основан на наличии участка электрического (зенеровского) пробоя на обратной ветви ВАХ диода, ограниченного максимальным I_{ст max} и минимальным I_{ст min} токами стабилизации при соответствующих им напряжениях U_{ст max} и U_{ст min}. Крутизна этого участка определяет дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для работы стабилизатора должны быть соблюдены условия: I_ст³I_{ст min} при I_н = I_{н max} и u₁ = u_{1 min}, а также I_ст < I_{ст max} при I_н = 0 и u₁ = =u_1max. Величина резистора

R₀ = (u_{1 min} – u_{2 min}) / (I_{ст min} + I_{н max}) . (3.22)

Коэффициент стабилизации стабилизатора K_ст и его выходное сопротивление R_вых в номинальном режиме h рассчитываются по выражениям

K_ст = (Du₁/u₁) / (Du₂/u₂) = u₂R₀ / r_дu₁; R_вых= r_д. (3.23, 3.24)

При проектировании необходимо выбрать соответствующий стабилитрон из справочника, там же взять его справочные параметры. Обычно коэффициент стабилизации такого стабилизатора не превышает значения 10–50.

3.5.3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения

Эти стабилизаторы обладают более высоким коэффициентом стабилизации (сотни и тысячи раз) и меньшим выходным сопротивлением (омы и доли ом) по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке передаётся на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения U_Н.

Регулирующий элемент (обычно мощный транзистор) может быть включён либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные, рисунок 3.22.

Воздействие на РЭ в них осуществляется по управляющему входу выходным сигналом усилителя. Усилитель работает по входному сигналу, представляющему собой разность между выходным опорным напряжением ИОН и выходным напряжением стабилизатора. Поэтому РЭ отрабатывает в противофазе нестабильность выходного напряжения стабилизатора.

В параллельной схеме стабилизация напряжения на нагрузке достигается изменением напряжения на балластном резисторе R_Б путём изменения тока регулирующего элемента. Постоянству напряжения на нагрузке соответствует постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до максимума будет сопровождаться соответствующим изменением тока РЭ от I_{Н max} до нуля.

В последовательной схеме РЭ включён последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется путём изменения напряжения на РЭ. Ток регулирующего элемента равен току нагрузки. Принцип действия компенсационных стабилизаторов основан на изменении сопротивления РЭ. Наличие РЭ обуславливает потери энергии в стабилизаторе. Мощность, теряемая в параллельной схеме, складывается из потерь в резисторе R_Б и в РЭ. В последовательной схеме мощность теряется в РЭ. Она меньше, чем в параллельной схеме.

Таким образом, энергетические показатели, в частности КПД последовательных стабилизаторов, более высокие, чем параллельных. Из преимуществ параллельных стабилизаторов следует отметить их некритичность к перегрузкам по току I_Н, в частности к коротким замыканиям выходной цепи. Последовательные стабилизаторы требуют устройств защиты РЭ при перегрузках по току.

Рисунок 3.22 – Функциональные схемы компенсационных стабилизаторов

Более подробно материал лекций изложен в [6].

Вопросы для самотестирования

1 Укажите основные узлы источника питания.

2 Является ли мостовой выпрямитель двухполупериодным выпрямителем?

3 Приведите принцип работы параметрического стабилизатора, дайте его электрическую принципиальную схему.

4 Изобразите схему мостового выпрямителя.

5 Укажите функциональный состав источника питания, обоснуйте назначение его узлов.

6 Какие пассивные элементы электрических цепей могут быть использованы в фильтрах источников питания?

7 Какую задачу выполняет стабилизатор напряжения, включённый между фильтром и нагрузкой источника питания?