4.2. Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения - это устройства, которые поддерживают с заданной точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов: изменении входного напряжения, тока нагрузки и т.д.

Основными параметрами, характеризующими работу стабилизатора, являются [2]:

Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

,

где и- номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора;и- абсолютные изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициент стабилизации служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора и оценки ее параметров.

Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

,

Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке и номинальной входной мощности,

.

Относительная нестабильность выходного напряжения, характеризующая допустимое относительное отклонение стабилизированного напряжения от его номинального значения при воздействии различных дестабилизирующих факторов,

.

По принципу действия стабилизаторы напряжений подразделяют на параметрические, компенсационные и импульсные.

4.3. Параметрические стабилизаторы

В параметрических стабилизаторах напряжения используются нелинейные элементы, напряжения на которых в пределах некоторого участка вольт-амперной характеристики не зависит от тока, протекающего через элемент. Такую вольт-амперную характеристику имеет полупроводниковый стабилитрон. На рис.4.3приведена вольт-амперная характеристика стабилитрона. Прямая ветвь характеристики стабилитрона (U_АК>0) такая же, как и у обычного диода и особого интереса не представляет. Для стабилизации напряжения используется обратная ветвь (U_АК < 0) характеристики стабилитрона. При достижении некоторого отрицательного напряжения U_АКпроисходит пробой стабилитрона и в пределах изменения тока от I_minдо I_maxнапряжение на стабилитроне практически остается неизменным. Это напряжение называется напряжением стабилизации U_ст. При превышении тока I_max стабилитрон выходит из строя. Изменение напряжения стабилитрона при изменении тока через него характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона r_ст =U_ст/I_ст. Стабилитроны выпускаются на различные номинальные напряжения стабилизации и мощности. Параметры стабилитронов малой мощности приведены в приложении А.

На рис.4.4. приведена схема параметрического стабилизатора. Обратите внимание на включение стабилитрона: катод подключается к плюсу источника входного напряжения, а анод к минусу. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону. Напряжение на нагрузке будет равно напряжению стабилизации U_СТстабилитрона пока ток стабилитрона находится между I_minи I_max. Допустим, что ток стабилитрона равен I_ст = (I_{ст max}+I_{ст min})/2. При увеличении входного напряжения увеличивается ток через балластное сопротивление R_б. Ток нагрузки остается неизменным, так как напряжение на нем не меняется, оно остается равным U_ст. Изменяется (увеличивается в нашем случае) ток стабилитрона.

При изменении сопротивления нагрузки, например при уменьшении R_н, увеличивается ток нагрузки за счет уменьшения тока стабилитрона. Напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на нагрузке, остается практически неизменным.

При холостом ходе весь ток нагрузки протекает через стабилитрон и может вывести прибор из строя - это надо учитывать при расчете схемы.

Резистор R_бограничивает величину тока стабилитрона и определяет стабильность выходного напряжения. С ростом R_бувеличивается коэффициент стабилизации, но падает к.п.д. схемы.

Величина резистора R_бвыбирается из условия

,

где I_{ст ном} = (I_{ст max}+I_{ст min})/2 - номинальный ток, I_{ст max}, I_{ст min}– максимальный и минимальный токи стабилитрона в режиме стабилизации.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона.

Для определения коэффициента стабилизации найдем зависимость изменения выходного напряжения стабилизатора от изменения входного напряжения. Так как динамическое сопротивление стабилитрона r_ст намного меньше сопротивления нагрузки R_низменение напряжения на выходе стабилизатора будет равноU_н= r_стI_ст. Ток стабилитрона определяется из выраженияI_ст= (U_вх-U_н)/R_б, тогдаU_н= r_ст (U_вх-U_н)/R_б.

Учитывая, что R_б >> r_стнаходим

.

Для изменений напряжений стабилизатор ведет себя как делитель напряжения. Изменение напряжения на выходе стабилизатора будет тем меньше, чем больше будет величина сопротивления R_б.

Коэффициент стабилизации будет равен

.

Обычно коэффициент стабилизации не превышает 20 50.

На стабилитроне рассеивается мощность

.

Мощность, рассеиваемую стабилитроном, нужно рассчитывать для худшего случая, т.е. для U_{вх max,} I_{вых min}.

Параметрический стабилизатор на стабилитроне имеет ряд недостатков, которые ограничивают его применение:

1. Выходное напряжение нельзя отрегулировать или установить на заданное напряжение.

2. Стабилитроны имеют конечное динамическое сопротивление, следовательно, они не всегда достаточно хорошо сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения нагрузки.

3. При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать диод с большой мощностью рассеяния, так как при малом токе нагрузки, через стабилитрон протекает большой ток и он рассеивает большую мощность.

Параметрический стабилизатор на стабилитроне используют в схемах, где потребляемый ток небольшой, например, для задания опорных напряжений.

Уменьшить ток стабилитрона, а, следовательно, и рассеиваемую мощность, можно с помощью эмиттерного повторителя. Такая схема показана на рис.4.5а. Опорное напряжение со стабилитрона подается на базу транзистора. Выходное напряжение будет меньше опорного на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер, т.е. на 0,6 В. Ток стабилитрона почти не зависит от тока нагрузки, из-за малого тока базы транзистора. Резистор R_кпредохраняет транзистор от короткого замыкания нагрузки за счет ограничения тока. Величина резистораR_квыбирается таким, чтобы падение напряжения на нем было меньше, чем на резистореR_б, иначе транзистор перейдет в режим насыщения.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, а это может понадобиться для более точной установки напряжения на нагрузке, то опорное напряжение на базу транзистора подается с выхода потенциометра, как показано на рис.4.5б. Сопротивление потенциометра должно быть мало по сравнению с величиной r_бэ, чтобы не повышать выходное сопротивление стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы имеют ограниченное применение. Более широко используются стабилизаторы с обратной связью.