СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Введение.

Стабилизаторы напряжения используются в источниках питания постоянного тока для поддержания величины выходного напряжения с требуемой точностью. Для оценки действия стабилизатора используют коэффициент стабилизации напряжения, который показывает, во сколько раз относительное изменение на входе стабилизатора больше, чем на выходе, при постоянной величине нагрузки:

, (1)

где DU_вх и DU_вых — изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора; U_вх и U_вых — средние значения напряжений на входе и выходе стабилизатора. Для оценки действия стабилизатора при изменении величины нагрузки вводят внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора:

, (2)

где DU_вых, DI — изменения выходного напряжения и тока. Очевидно, что для идеальных стабилизирующих устройств коэффициенты стабилизации равны бесконечности. Для реальных стабилизаторов этот коэффициент имеет значения от десятков до нескольких сотен и даже тысяч. Естественно, что каждый стабилизатор работает внутри только определенной области изменения напряжения или сопротивления нагрузки. Вне этой области коэффициент стабилизации уменьшается. По принципу действия стабилизаторы можно разделить на две группы: параметрические и компенсационные. Возможны также схемы, совмещающие оба принципа.

2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения.

Принцип действия параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН) основан на применении прибора с нелинейной вольт-амперной характеристикой, когда имеется насыщение напряжения (стабилитроны, варисторы). Наиболее простая схема ПСН представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения

Данная схема представляет собой делитель напряжения, верхнее плечо которого составляет резистор R_дб, а нижнее — стабилитрон, сопротивление которого нелинейно. Последнее должно иметь такую вольт-амперную характеристику, чтобы в пределах некоторого участка падение напряжения слабо зависело от величины протекающего по нему тока (рис. 2). Параллельно нижнему плечу подключается сопротивление нагрузки R_н.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона

Сопротивление R_дб, на котором выделяется все изменение выходного напряжения, называется балластным или ограничительным. Прямая ветвь ВАХ является нерабочей, в то время как обратная ветвь используется как основной рабочий участок. По наклону ВАХ в этой области можно определить его дифференциальное (динамическое) сопротивление:

. (3)

Рассмотрим принцип стабилизации напряжения на примере рис. 1, для которого имеем по правилам Кирхгофа следующие соотношения:

, (4)

. (5)

Благодаря параллельному включению стабилитрона и сопротивления нагрузки выходное напряжение, общее для нагрузки и стабилитрона, является слабо изменяющейся функцией тока через стабилитрон, который вследствие наличия большого балластного сопротивления примерно пропорционален входному напряжению. Подставляя (4) в (5), получим

. (6)

Дифференцируя (6) по U_вых и используя выражение (3) для дифференциального сопротивления, после несложных преобразований можно получить значение коэффициента стабилизации как функцию R_дб, R_н и статического сопротивления стабилитрона:

,

отсюда получаем:

. (7)

Схема параметрического стабилизатора применятся на практике в простых устройствах источников питания из-за невысокого КПД и сравнительно большого выходного сопротивления:

. (8)

2.3. Компенсационный стабилизатор напряжения.

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) также представляет собой делитель напряжения, образованный переменным сопротивлением регулирующего элемента и сопротивлением нагрузки R_н. При изменениях входного напряжения или тока нагрузки в определенных пределах регулирующая цепь поддерживает величину выходного напряжения с заданной точностью. В таких схемах стабилизации в качестве регулирующего элемента (переменного сопротивления) применяются или электронные лампы (триод, пентод), или транзистор (иногда составной). На рис. 3 приведена схема транзисторного стабилизатора напряжения. В данной схеме роль регулирующего элемента выполняет транзистор Т1. Для стабилизации вводят отрицательную обратную связь. Регулирование сопротивления перехода эмиттер — коллектор транзистора Т1 осуществляется усилителем постоянного тока на транзисторе T2 с большим коэффициентом усиления, включенным в цепь базы транзистора Т1. В цепь база — эмиттер транзистора Т2 подается часть выходного напряжения с делителя R3 и R4 и опорного напряжения U_ст со стабилитрона VD. Их разность образует напряжение между базой и эмиттером T2. В качестве источника опорного напряжения обычно применяются кремниевые стабилитроны. Сопротивление R2 определяет рабочую точку стабилитрона. Выходное напряжение стабилизатора равняется произведению напряжения на стабилитроне на коэффициент деления делителя R3R4. В режиме малых флуктуаций входного напряжения ток базы транзистора Т1 практически определяется цепью с сопротивлением R1, так как при этом транзистор Т2 закрыт (коллекторный ток его практически равен нулю).

Рис. 3. Схема компенсационного стабилизатора напряжений

Если по какой-то причине флуктуации напряжения U_вх увеличиваются, то это сопровождается увеличением тока коллектора транзистора Т2 из-за увеличения напряжения база — эмиттер (транзистор Т2 открыт). Это приводит к уменьшению напряжения базы T1. Последнее обуславливает увеличение сопротивления между эмиттером и коллектором T1, т. е. приводит к увеличению U_кэ Но ввиду того, что выходное напряжение есть разность между входным напряжением и U_кэ транзистора T1, увеличение выходного напряжения вследствие увеличения входного (уменьшение тока нагрузки) в значительной степени стабилизируется:

, (9)

где К_Т1 и К_Т2 — коэффициенты усиления транзисторов. Заметим, что через регулируемый элемент T1 проходит весь ток нагрузки и поэтому его мощность должна быть не меньше мощности нагрузки. Если требуемые значения напряжения и тока превышают максимально допустимые для транзистора данного типа, то можно применять последовательное или параллельное включение регулируемых транзисторов (см. лабораторный макет (рис. 3)).

Компенсационные стабилизаторы по сравнению с параметрическими держат постоянным выходное напряжение в более широком диапазоне изменений входного напряжения и сопротивления нагрузки при более высоких значениях коэффициента стабилизации. Кроме того, КСН имеют более низкое внутреннее (выходное) сопротивление:

, (10)

где a£1.