Методические пояснения

Стабилизация среднего значения выходной электрической величины осуществляется с помощью дополнительного звена, коэффициент передачи которого по постоянной составляющей изменяется таким образом, чтобы уменьшить или полностью исключить отклонение выходной электрической величины от заданного значения. Звено, выполняющее данную функцию, называется стабилизатором. Существующие стабилизаторы непрерывного типа могут быть разделены на два класса: параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента.

Компенсационный стабилизатор является замкнутой системой автоматического регулирования (САР), в которой коэффициент передачи звена, включенного в цепь передачи электрической величины, зависит от разности входного и некоторого эталонного сигнала. Это типичный пример устройства, содержащего цепь обратной отрицательной связи (ООС).

В зависимости от стабилизируемой электрической величины различают стабилизаторы напряжения, тока или мощности.

Изменение коэффициента передачи стабилизатора в зависимости от изменения электрической величины в нагрузке происходит за счет включения в него одного или нескольких элементов с регулируемым коэффициентом передачи.

По способу управления стабилизаторы делятся на непрерывные и ключевые. Стабилизаторы непрерывного типа используют активный режим работы биполярного или полевого транзистора, в то время как стабилизаторы импульсного или релейного типов — ключевой режим работы полупроводниковых приборов.

Основным параметром стабилизатора, характеризующим стабильность среднего значения его выходной электрической величины, является коэффициент стабилизации

K_cтU = (ΔU_вх / U_{вх ном}) / (ΔU_вых / U_{вых ном}).

В зависимости от стабилизируемой электрической величины различают коэффициенты стабилизации по напряжению K_стU, току K_стI или мощности K_стP.

Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структурная схема стабилизатора

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на использовании цепи ООС. Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительный элемент (ИЭ), элемент сравнения и источник эталонного напряжения U_эт. Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки

U_ош = U_эт – U_из

управляет коэффициентом передачи РЭ. Увеличение U_ош, вызванное уменьшением выходного параметра, увеличив коэффициент передачи РЭ, что ведет к восстановлению исходного значения выходного напряжения. И наоборот, увеличение выходного напряжения, уменьшая сигнал ошибки, уменьшает коэффициент передачи РЭ. Если выходное напряжение ИЭ пропорционально выходному напряжению устройства, то реализуется режим стабилизации напряжения (соответственно при измерении тока или выходной мощности можно получить стабилизаторы тока и мощности).

Параметрический стабилизатор напряжения использован в схеме на рис. 3.1 в качестве источника опорного напряжения (R2, VD1). Выходным напряжением источника опорного напряжения является падение напряжения на стабилитроне VD1. Стабилитрон работает в режиме обратимого обратного пробоя при токе, ограниченном резистором R2. Стабилитроны выпускаются на очень широкий диапазон стабилизируемых напряжений (от 3,3 до 200 В) и допускаемых токов (от 5 мА до сотен мА).

Контрольные вопросы и задания

3.1. Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения и поясните принцип работы.

3.2. Поясните принцип работы и назначение элементов компенсационного стабилизатора напряжения по схеме рис. 3.1.

3.3. Для чего используют последовательное и параллельное соединение стабилитронов?

Вопросы для самопроверки

3.1. Поясните с каким значением динамического сопротивления (высоким или низким) лучше использовать стабилитрон для стабилизации напряжения?

3.2. Какой марки стабилитрон имеет наилучшее значение динамического сопротивления для использования в стабилизаторах?

3.3. Приведите формулу для расчета коэффициента стабилизации.

3.4. Укажите факторы, вызывающие изменение выходного напряжения стабилизатора.

3.5. Как изменяются характеристики полупроводниковых стабилитронов при их нагревании?

3.6. Укажите маркировку отечественных стабилитронов.

3.7. Как изменяется ВАХ стабилитронов при их параллельном и последовательном соединении?

Дополнительная литература

3.1. http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=26373 – моделирование электронных устройств в системе Electronics Workbench: методические указания к лабораторным работам по курсу «Электроника». – Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2006. – 111 с.