2.2. Классификация стабилизаторов напряжения

Основой стабилизаторов является элемент, перераспределяющий токи между схемой стабилизатора и нагрузкой при дестабилизирующих воздействиях таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным. Этот элемент назван РЕГУЛИРУЮЩИМ. По способу включения регулирующего элемента параллельно или последовательно с нагрузкой различают стабилизаторы ПАРАЛЛЕЛЬНОГО и ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО типов. Структурные схемы стабилизаторов обоих типов показаны на рис. 4.2, где Р – регулирующий элемент; СУ – сравнивающий и усиливающий элемент; Э – источник эталонного напряжения.

Рассмотрим принцип действия параллельных стабилизаторов. При изменении напряжения питания изменяется и выходное напряжение . Сигнал, пропорциональный разности эталонного и выходного напряжения, выделяется и усиливается элементом СУ и воздействует на регулирующий элемент. Ток через регулирующий элемент изменяется и вызывает изменение падения напряжения на балластном сопротивлении . Причём схема работает таким образом, что это изменение напряжения оказывается почти равным изменению входного напряжения, и выходное напряжение остаётся постоянным. Аналогично выполняется стабилизация и при изменении .

(а) Стабилизатор напряжения параллельного типа

(б) Стабилизатор напряжения последовательного типа

Рис. 4.2. Структурные схемы стабилизаторов напряжения

В стабилизаторах последовательного типа ток через регулирующий элемент изменяется так, что изменение напряжения на регулирующем элементе тоже оказывается примерно равным изменению входного напряжения, и поэтому выходное напряжение остаётся постоянным.

Из сопоставления схем, показанных на рис. 4.2, можно сделать вывод, что параллельные стабилизаторы нечувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением тока нагрузки ток регулирующего элемента уменьшается. При коротком замыкании на выходе напряжение полностью падает на балластном сопротивлении и регулирующий элемент оказывается вне опасности. Последовательные же стабилизаторы чувствительны к таким перегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастают одновременно и в равной степени. При этом мощность, рассеиваемая регулирующим элементом, возрастает, и он может выйти из строя. Этот недостаток последовательных стаби­лизаторов заставляет дополнять их схемы тем или иным типом защиты. К достоинствам стабилизаторов последовательного типа следует отнести больший КПД и .

2.3. Стабилизаторы параллельного типа

2.3.1. Диодный стабилизатор

Простейший диодный стабилизатор параллельного типа (рис. 4.3) представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного сопротивления и стабилитрона, параллельно которому включено сопротивление нагрузки. Эта схема соответствует структуре параллельных стабилизаторов (см. рис. 4.2а), хотя регулирующий и усиливающий элементы отсутствуют, а стабилитрон совмещает функции опорного и регулирующего элементов.

Рис. 4.3. Диодный стабилизатор параллельного типа

П

Рис. 15

ри изменении входного напряжение изменяется общий ток , однако это не приводит к существенному изменению выходного напряжения, так как происходит изменение тока через стабилитрон, причём и изменяется слабо, а значит, и выходное напряжение оказывается стабилизированным. Аналогично, при постоянном напряжении питания любое изменение тока нагрузки вызывает такое же по значению, но обратное по знаку изменение тока стабилитрона (при условии, что ). Ток остаётся неизменным, и, следовательно, не изменяется.

При расчёте элементов и режима работы такого стабилизатора задаются допускаемыми относительными значениями отклонений питающего напряжения и , максимальным (он обычно и номинальный) и минимальным током нагрузки, выходным напряжением и определяют напряжение питания , тип стабилитрона, режим его работы и сопротивление балластного резистора. При расчёте схемы также учитывают допустимые отклонения сопротивления резистора и напряжения стабилизации стабилитрона . Относительные значения этих отклонений обычно обозначают через и . Таким образом: , , , . Значения и определяются соответственно классом точности резистора, применяемого в качестве , и типом стабилитрона.

Для того чтобы обеспечить работу стабилитрона в области допустимых токов стабилизации, указываемых в справочной литературе, при всех допустимых отклонениях параметров элементов схемы, необходимо выполнить следующие условия:

1) при , , и максимальном токе нагрузки

;

2) при , , и минимальном токе нагрузки ,

.

Анализ работы рассматриваемого стабилизатора с учётом этих условий позволяет получить выражения для предельного минимально возможного при заданных параметрах напряжения питания схемы

, (4.1)

где , , ,

, , предельно минимального значения сопротивления балластного резистора

, (4.2)

и предельного максимального значения сопротивления балластного резистора

. (4.3)

Используя выражения (4.1)–(4.3), определяют и , а затем вычисляют предельно возможный рабочий ток через стабилитрон

. (4.4)

Если расчёт проведён правильно, то . Мощность, рассеваемая на резисторе

. (4.5)

КПД схемы

(4.6)

Коэффициент стабилизации выходного напряжения по входному напряжению при линейной аппроксимации ВАХ стабилитрона равен

, (4.7)

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Из выражения (4.7) видно, что с увеличением коэффициент стабилизации возрастает. Однако увеличение требует одновременного повышения напряжения питания , а это не всегда целесообразно, так как снижается КПД схемы.

Выходное сопротивление данного стабилизатора

, (4.8)

где – внутреннее сопротивление источника напряжения .

Температурная нестабильность выходного напряжения

, (4.9)

где – температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона; – интервал рабочих температур стабилизатора.