Стабилизаторы напряжения. Параметрические стабилизаторы напряжения. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения

~ ЛЕКЦИЯ 31 ~

Стабилизаторы напряжения

Выпрямленное напряжение зависит от изменения нагрузки потребителя и нестабильности напряжений U₁ и U₂ питающей сети. Это отрицательно сказывается на работе электронных устройств. Для стабилизации выпрямленного напряжения между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения С_т (рис. 2.1).

Существует два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные.

В параметрическом стабилизаторе стабилизирующим элементом является стабилитрон.

В компенсаторном стабилизаторе автоматическое регулирование напряжения на нагрузке осуществляется по компенсационному принципу с целью отрицательной обратной связи.

Для оценки работы стабилизаторов используют следующие параметры:

выходное сопротивление:

,

где DU_н, DI_н - абсолютные приращения напряжения и тока в нагрузке;

коэффициент  стабилизации

коэффициент  полезного действия

допустимый  дрейф выходного напряжения:

-  абсолютный:

DU_н = U_н1 -U_н2 ,

-  относительный:

где U_н1 и U_н2 - напряжения на нагрузке через определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

Параметрические стабилизаторы напряжения

Схема параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.21) состоит из двух элементов: баластного резистора R_б и стабилитрона VD. Вход стабилизатора подключается к выходу выпрямителя с фильтром, выход - к нагрузке.

Как уже говорилось, основным стабилизирующим элементом в схеме параметрического стабилизатора является стабилитрон.

Принцип действия и основные расчетные соотношения для параметрического стабилизатора рассмотрим с учетом рабочей вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 2.22).

Рис. 2.21. Параметрический стабилизатор напряжения.

Рис. 2.22. Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Для обеспечения стабильности напряжения на нгрузке U_н необходимо, чтобы ток стабилитрона I_c, не выходил за пределы рабочего участка: I_{cr min} < I_cт < I_{ст max}.

На основании законов Кирхгофа получим, что:

I_d = I_н + I_ст ;               U_{dн ср} = U_Rб + U_н ;           U_Rб = (I_н + I_ст)R_б .

Из этих соотношений определяем ток стабилитрона:

Напряжение U_н = U_ст при изменении тока стабилизации I_cт меняется незначительно на DU_ст и его можно считать неизменным. Ток стабилизации может меняться при изменении нагрузки R_н (тока I_н) и напряжения U_dн. Диапазон изменения тока I_ст от I_стmin до I_стmax, ему будут соответствовать значения U_{в min}, R_{н min} и U_{в max}, R_нmax.

При расчете стабилизатора определяющим является выбор резистора R_б, который задает величину тока I_{ст min}, соответствующего началу рабочей характеристики стабилитрона:

Максимально допустимый ток через стабилитрон I_{ст mах} должен не превышать максимального тока, указанного в паспорте стабилитрона:

Максимальные мощности, рассеиваемые в параметрическом стабилизаторе, рассчитывают по формулам:

P_{ст max} = U_ст I_{ст max} ,                    P_{Rб max} = (U_{dн max} - U_ст)² / R_б ,

где Р_{ст mах} - максимальная мощность, рассеиваемая на стабилитроне; Р_{Rб mах} - максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе R_б.

Напряжение на нагрузке стабилизатора определяется напряжением на стабилитроне в соответствии с вольт-амперной характеристикой прибора. Когда меняется ток стабилизации I_ст будет изменяться и напряжение на стабилитроне и нагрузке.

Качество стабилизации оценивают коэффициентом стабилизации К_ст, показывающим, во сколько раз относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора меньше вызывающего его тоносительного приращения напряжения на входе:

причем:

где  r_д - дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Если учесть, что  R_н >> r_д   и   R_б >> r_д  , то получим:

а коэффициент стабилизации:

Обычно величина К_ст не превышает 20-50.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора:

R_вых = r_д || R_б » r_д.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения

Преимуществом компенсационных стабилизаторов перед параметрическими является более высокий коэффициент стабилизации К_ст и меньшее выходное сопротивление R_вых. Принцип действия этих стабилизаторов основан на использовании в схеме регулирующего элемента (РЭ), препятствующего изменению напряжения U_н при изменении напряжения на выходе стабилизатора U_dн или изменении нагрузки R_н. В зависимости от способа подключения РЭ к нагрузке (параллельно или последовательно) различают две схемы компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельный (рис. 2.23) и последовательный (рис. 2.24).

Рис. 2.23. Структурная схема компенсационного

стабилизатора параллельного типа.

Рис. 2.24. Структурная схема компенсационного