Параметрический стабилизатор напряжения

Наибольшее распространение получили стабилизаторы постоянного на-

пряжения. Основные их преимущества – простота конструкций, небольшое

количество элементов и высокая надежность, а недостатки – низкие коэф-

фициент стабилизации (менее 25) и КПД, малые токи стабилизации, а также

узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Простейшая схема параметрического

стабилизатора напряжения, выполненного

на стабилитроне, приведена на рисунке 1.

Схема содержит балластное (ограничи-

тельное) сопротивление Rб ⁽это сопротив-

ление является функционально необхо-

димым элементом), сопротивление на-

грузки Rн и полупроводниковый стабили-

трон VD1. Нагрузка подключена парал-

+

Uвх

–

R

б

Iст Iн

VD1

R

н

Uн

лельно стабилитрону, поэтому в режиме

стабилизации, когда напряжение на ста-

Рисунок 1 – Простейшая схема

включения стабилитрона

билитроне почти постоянное, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все

изменения напряжения источника при его нестабильности почти полностью

поглощаются балластным сопротивлением.

Принцип действия пара-

метрического стабилизатора

постоянного

напряжения

Рисунок 2 – Пояснение работы стабилизатора напряжения

поясняется путем совместно-

го анализа ВАХ стабилитро-

на и балластного сопротив-

ления, представленных на

рисунке 2. Входное постоян-

ное напряжение схемы равно

Uвх1^,а ток стабилитрона со-

ставляет Iст1^.Для упрощения

предположим, что нагрузка

отключена (Rн ⁼∞). Тогда

выражение, аналитически

описывающее положение балластного сопротивления Rб ⁽линия 1), запи-

шется следующим образом: Uвх1^{= =}Uвых1 ⁺Iст1^Rб^.Если входное напряжение

увеличится на величину ∆Uвх и станет равным Uвх2^,то характеристика бал-

ластного сопротивления займет положение линии 2, что соответствует вы-

ходному напряжению Uвых2 и току стабилизации Iст2^.Как видно из рисунка 2,

выходное напряжение останется почти неизменным, а приращение входного

∆Uвх выделится на балластном сопротивлении Rб^.Аналогичная картина

будет иметь место при уменьшении входного напряжения (при условии,

что это уменьшение не вышло из пределов стабилизации): в этом случае

снизится падение напряжения на балластном сопротивлении.

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение ис-

точника нестабильно, а сопротивление нагрузки постоянно. Для установле-

ния и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопро-

тивление Rб должно иметь определенное значение. Обычно Rб рассчитыва-

ется для средней точки обратной ВАХ стабилитрона. Если напряжение ис-

точника Uвх изменяется от Uвх. min до Uвх. max^,то балластное сопротивление

можно найти по формуле

Rб = (Uвх. ср – Uст^)/(Iср ⁺Iн), (4)

где Uвх ср = 0,5 (Uвх. min⁺Uвх. max) – среднее напряжение источника; Iср = 0,5 (I_min+

+ I_max) – средний ток стабилитрона; Iн ⁼Uст^/Rн – ток нагрузки.

Если напряжение Uвх будет изменяться в ту или другую сторону, то бу-

дет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и

на нагрузке будет почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения

источника должны поглощаться балластным сопротивлением, то наиболь-

шее изменение этого напряжения, равное Uвх. max – Uвх. min^,должно соответ-

ствовать наибольшему возможному изменению тока, то есть I_max – I_min. От-

сюда следует, если значение Uвх изменяется на ∆Uвх^,то стабилизация будет

осуществляться только при соблюдении условия

∆Uвх ≤ (I_max – I_min) Rб^.

(5)

Стабилизация в более широком диапазоне изменения входного на-

пряжения возможна при увеличении Rб^.Однако из (4) следует, что

бόльшее значение балластного сопротивления получается при меньшем

значении тока нагрузки Iн^,т. е. при большем Rн^.Повышение Eср также

дает увеличение Rб^.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, ко-

гда E = const, a Rн изменяется в пределах от Rн. min до Rн. max^.Для такого ре-

жима Rб можно определить по средним значениям токов по формуле

Rб = (E – Uст^)/(Iср ⁺Iн. ср^),

где Iн. ср = 0,5 (Iн. min⁺Iн. max^),причем Iн. min⁼Uст^/Rн. min и Iн. max⁼Uст^/Rн. max^.

(6)

Работу схемы в данном режиме можно объяснить следующим образом.

Поскольку Rб постоянно и падение напряжения на нем, равное E – Uст^,так-

же постоянно, то и ток в балластном сопротивлении, равный Iср ⁺Iн. ср^,дол-

жен быть постоянным. Но это является возможным при условии, если ток

стабилитрона и ток в нагрузке изменяются в одинаковой степени, но в про-

тивоположные стороны. Например, если ток нагрузки увеличивается, то ток

стабилитрона на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Таким образом, изменение сопротив-

ления нагрузки при неизменном напря-

жении источника вызывает изменение

тока, проходящего через стабилитрон.

Одной из основных характеристик

параметрического стабилизатора на-

пряжения на полупроводниковом ста-

билитроне является передаточная ха-

рактеристика Uвых⁼f(Uвх^), представ-

ленная на рисунке 3. Рабочим участком

этой характеристики является участок

от Uвх. min до Uвх. max, на котором Uн= Uст.

Рисунок 3 – Передаточная характеристика

параметрического стабилизатора напряжения