Стабилизатор напряжения

Известны два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В стабилизаторе первого типа используются свойства электронных приборов, вольт-амперная характеристика которых обеспечивает малые изменения напряжения при существенном изменении тока. К числу таких приборов относится стабилитрон. В стабилизаторах второго типа осуществляется автоматическое поддержание неизменным значения выходного напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения существенно проще схемы компенсационного. Это определяет целесообразность рассмотрения принципа стабилизации выпрямленного напряжения на примере параметрического стабилизатора.

Рисунок 6.12. Параметрический стабилизатор на стабилитроне:

а – схема построения, б – эквивалентная схема

Рисунок 6.13. Построения, иллюстрирующие стабилизацию выходного

напряжения при изменении напряжения на входе

параметрического стабилизатора

Схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения, использующая стабилитрон, приведена на рис. 6.12,а. На рис. 6.13 представлена его вольт-амперная характеристика, которая обозначена цифрой "1". Стабилитрон подключен параллельно нагрузке, так что его напряжение определяет напряжение нагрузки. Для обеспечения стабильности выходного напряжения при изменении выходного тока необходимо, чтобы сопротивление нагрузки было существенно больше выходного сопротивления стабилизатора, последнюю величину можно определить с использованием эквивалентной схемы, приведенной на рис. 6.12,б. С учетом малой величины внутреннего сопротивления источника напряжения (то есть выходного сопротивления выпрямителя), а также малой величины статического сопротивления стабилитрона по сравнению с сопротивлением можно записать

≈ .

Следовательно, статическое сопротивление стабилитрона для достижения наибольшей стабилизации напряжения при изменении тока нагрузки должно быть много меньше сопротивления нагрузки.

Электрический режим стабилитрона, характеризуемый током I_СТО и напряжением U_СТО, находится при решении уравнения состояния, записанного по второму закону Кирхгофа для контура, включающего стабилитрон и балластное сопротивление

, (6.11)

где и - ток и напряжение электрического режима прибора, U_ВХ – напряжение, поступающее на вход стабилизатора. Величины токов и связаны между собой так

, (6.12)

где - статическое сопротивление стабилитрона.

Поскольку величина статического сопротивления стабилитрона много меньше сопротивления нагрузки, уравнение (6.11) можно записать в виде:

. (6.13)

Напряжение , а, следовательно, и выходное напряжение являются функцией тока стабилитрона, которая определяется вольт-амперной характеристикой прибора. Решение уравнения (6.13) удобно проводить методом пересечения характеристик, для чего оно должно быть переписано следующим образом

. (6.14)

Графическое решение этого уравнения представлено на рис. 6.13. Правая часть уравнения (6.14) соответствует прямой, пересекающей ось напряжения в точке и проходящей под углом к оси токов, тангенс которого равен . На рис. 6.13 данная прямая обозначена цифрой "2". Точка пересечения прямой "2" и вольт-амперной характеристики стабилитрона "1" определяет значения тока и напряжения прибора (I_СТО и U_СТО) при заданной величине входного напряжения.

С помощью построений, представленных на рис. 6.13, можно проиллюстрировать стабилизирующее действие схемы на рис. 6.12,а. Пусть входное напряжение увеличивается на величину , что приводит к изменению режима работы стабилитрона. В частности, напряжение стабилитрона, а, следовательно, и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается на величину относительно первоначального значения. Как видно из рис. 6.13,а, это увеличение существенно меньше увеличения входного напряжения

.

Количественным показателем качества стабилизации напряжения является коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительных изменений входного и выходного напряжений.

К_СТ = (6.15)

Величина этого коэффициента усиления для схемы на рис. 6.12,а может быть получено из рассмотрения подобных треугольников, получающихся при построении на рис. 6.13,а. Участок этого рисунка, обведенный окружностью, в увеличенном масштабе представлен на рис. 6.13,б. Величина изменения тока стабилитрона, обусловленная изменением входного напряжения, может быть выражена формулой

, (6.16)

где - динамическое сопротивление стабилитрона. Аналогичная величина при идеальной стабилизации напряжения (нулевой величине динамического сопротивления стабилитрона) может быть рассчитана по формуле

. (6.17)

Из подобия треугольников на рис. 6.13,б следует:

.

После подстановки в это уравнение соотношений (6.16) и (6.17) нетрудно получить:

. (6.18)

Откуда видно, что для обеспечения стабилизации выходного напряжения должно выполняться условие

.

Тогда коэффициент стабилизации согласно определению (6.15):

. (6.19)

Для типовых полупроводниковых стабилитронов величина динамического сопротивления находится в пределах от единиц до нескольких сотен Ом. Величина коэффициента стабилизации, обеспечивающаяся схемой рис. 6.12,а, обычно не превышает 20÷40. Для получения более высокой стабильности напряжения необходимо использовать компенсационные стабилизаторы.