При конструировании источников питания радиоэлектронной аппаратуры возникает задача обеспечения стабильности выходного напряжения этих узлов, причем такая стабильность должна поддерживаться независимо от колебаний напряжения в сети питания, тока потребления питаемого устройства, температуры окружающей среды и т.п. Для решения данной проблемы применяются стабилизаторы напряжения и стабилизаторы тока различных типов.
Существует несколько основных вариантов построения стабилизаторов.
По способу достижения стабильности напряжения различают параметрические и компенсационные стабилизаторы;
по способу включения регулирующего напряжение (ток) элемента - на последовательные (проходные) и параллельные,
по режиму работы регулирующего элемента - на непрерывные и ключевые (импульсные) или линейные и нелинейные.
Во всех видах стабилизаторов находят применение полупроводниковые диоды. Это, в первую очередь, стабилитроны, универсальные, выпрямительные и импульсные диоды. В непрерывных компенсационных стабилизаторах они включаются в цепи получения опорных напряжений и термокомпенсации, а в ключевых стабилизаторах - еще и в цепи коммутации накопительной индуктивности и защиты ключевых транзисторов. Наиболее примечательны параметрические стабилизаторы, работа которых основана исключительно на свойствах нелинейных элементов (нелинейность сопротивления) входящих в их состав (цепи обратной связи в параметрических стабилизаторах отсутствуют), в качестве таких нелинейных элементов чаще всего используются стабилитроны. Cхема параметрического стабилизатора приведена на рис. 13.
Рис. 13. Параметрический стабилизатор (а) и характеристики, поясняющие его работу (б)
Схема содержит балластный резистор Rб и стабилитрон VD1, включаемый параллельно нагрузке RН (т.е. это стабилизатор параллельного типа). В целях снижения пульсаций выходного напряжения при колебаниях тока в нагрузке может включаться фильтрующий конденсатор Cф. Принцип работы параметрического стабилизатора хорошо виден при рассмотрении нагрузочных характеристик, представленных на рис. 13б. Здесь кривая представляет собой вольт-амперную характеристику стабилитрона, а угол α наклона прямой нагрузки определяется сопротивлением балластного резистора Rб (tgα =1/Rб). Точка пересечения нагрузочной прямой с осью напряжений определяется заданным напряжением на входе стабилизатора Uвх, а точка пересечения с ВАХ стабилитрона характеризует текущий режим работы этого прибора - Iст, Uст = Uвых.
Выходное напряжение стабилизатора (Uвых), а также ток стабилитрона (Iст) определяются положением точки пересечения нагрузочной прямой резистора и ВАХ стабилитрона. Если значение входного напряжения изменится, например, увеличится, то изменится и положение прямой (на рис. 13б показано пунктиром), а рабочая точка стабилитрона сместится в сторону больших токов. При этом очевидно, что напряжение на стабилитроне, соответственно, и на нагрузке останется практически неизменным (т.е. происходит его стабилизация на уровне, определяемом типом конкретного применяемого стабилитрона). Приведенные выкладки сделаны в предположении, что Rн ≫ Rб и Iб ≈ Iст. С уменьшением Rн существенная часть тока стабилитрона будет ответвляться в нагрузку
(Iб = Iст + Iн). Влияние тока нагрузки на нагрузочные характеристики, приведенные на рис. 13б может быть выражено смещением кривой, изображающей ВАХ стабилитрона, вниз по оси токов на величину тока нагрузки (положение нагрузочной прямой балластного резистора должно оставаться прежним). Если такое смещение будет незначительным, то оно не окажет влияния на выходное напряжение стабилизатора, однако, если в результате него рабочая точка стабилитрона перейдет в область с высокой зависимостью напряжения от тока, то стабилизирующие свойства схемы будут нарушены.
Из проведенного анализа следует, что режим работы стабилитрона (положение рабочей точки на ВАХ прибора) определяется значением входного напряжения Uвхи сопротивлением балластного резистора Rб. Оптимальный выбор этого резистора для обеспечения наилучшей стабилизации выходного напряжения при колебаниях входного напряжения возможен только при учете характера нагрузки (постоянная, переменная) и величины протекающего через нее тока и возможного диапазона его изменения.
Некоторые расчетные соотношения
- коэффициент стабилизации ;
- для расчета оптимальной величины балластного сопротивления Rб:
,
где rст - дифференциальное сопротивление стабилитрона; δUвх - предельное относительное отклонение входного напряжения от его среднего значения, %.
Конкретное значение выходного стабилизированного напряжения определяется типономиналом применяемого стабилитрона. При выборе стабилитрона следует учитывать и такой параметр, как максимально допустимый ток стабилизации (Iст.max). При переменном характере нагрузки может потребоваться достаточно большой запас по этому значению. Типовые схемы параметрических стабилизаторов обеспечивают приемлемые параметры только при достаточно малых тока нагрузки - не более (0,5-1)⋅Iст.max.
Рис. 13. Параметрический стабилизатор (а) и характеристики, поясняющие его работу (б)
;
,