Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения: принцип действия, параметры, расчетные соотношения, область применения

Для питания радиоэлектронной аппаратуры, не требующей очень высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, на­дежные и дешевые параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН). Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на элек­тродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон.

Параметрический стабилизатор напряжения (тока) называется устройство, у которого стабилизирующие свойства определяются характеристикой нелинейного элемента и отсутствует элемент, измеряющий отклонение выходного напряжения (тока) от заданного значения.

Кремниевые стабилитроны представляют собой особую группу плоскостных диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя (рис. 2-1,а). Рассмотрим основные параметры стабилитрона.

Напряжение стабилизации U_CT определяется напря­жением на стабилитроне при протекании заданного тока стаби­лизации I_ст. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются приборы с напряжениями стабилизации от 0,7 до 180 В.

Максимально допустимый постоянный ток ста­билизации I_{ст.макс} ограничен значением максимально допусти­мой рассеиваемой мощности P_макс, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.мин. опреде­ляется минимальным значением тока через стабилитрон, при кото­ром еще полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.мин и I_{ст.макс} напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Статическое сопротивление стабилитрона R_cтат — величина, определяемая отношением напряжения стабилизации к то­ку стабилитрона I_ст в данном режиме работы:

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_cт — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_ст к вызвавшему его малому прираще­нию тока стабилизации Δi_ст в заданном диапазоне частот:

На рис. 2-1,б приведена зависимость дифференциального сопро­тивления r_cт маломощных стабилитронов от напряжения стабилиза­ции U_CT для различных значений I_ст. Из данного рисунка видно, что минимальное значение r_cт имеют стабилитроны с напряжением стабилизации около 7—8 В. Далее с увеличением U_CT дифферен­циальное сопротивление растет почти по линейному закону. Отсюда следует вывод, что при стабилизации напряжения постоянного тока, большего 14—16 В, для уменьшения r_cт вместо одного высоковольт­ного стабилитрона целесообразнее установить два или более после­довательно включенных низковольтных стабилитронов.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ά_ст определяется относительным изменением напряжения стабилизации ΔU_ст/U_ст, отнесенным к абсолютному изменению температуры окружающей среды ΔT_ср при постоянном токе стабилизации, I_ст, :

Структурные схемы параметрических стабилизаторов напряжения и тока приведены на рис.7.2. Режим стабилизации напряжения или тока осуществляется с помощью только нелинейных элементов НЭ, так как для линейного элемента ЛЭ характерна пропорциональность между входной и выходной величинами и их относительные изменения будут одинаковы. [Электропитание устройств связи О.А. Доморацкий, 178-179с.]

Основные расчетные формулы можем определить на основе принципиальной схемы параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне, представленной на рис. 2-4.

Коэффициент стабилизации однокаскадного ПСН (см. рис. 2-4) при линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики крем­ниевого стабилитрона (r_ст = const) равен:

Так как обычно R_н»r_ст Влияние изменения тока нагрузки I_н на выходное напряжение U_н оценивается выходным сопротивлением ПСН

Из формулы видно, что выходное сопротивление стабилизатора в основном определяется дифференциальным сопротивлением кремниевого стабилитрона r_ст и не зависит от балластного резистора R_БЛ.

Коэффициент полезного действия схемы однокаскадного ПСН

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием, схемы с последовательным включением регулирующего элемента, область применения, вывод формул показателей качества.

Компенсационный стабилизатор с непрерывным способом регулирования (НСН) представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования выходного напряжения при воздействии различных возмущающих факторов (изменение питающего напряжения, нагрузки, температуры окружающей среды и пр.), в которой выходное напряжение поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе.

В качестве регулирующего элемента (РЭ) схемы обычно используются биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типа, работающие в режиме усиления.

В стабилизаторах напряжения происходит непрерывное автоматическое сравнение выходного напряжения (или части его) с опорным напряжением; сигнал ошибки усиливается и используется для управления РЭ (транзистором) так, чтобы уменьшить эту ошибку.

Типичная простая схема компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непрерывным способом регулирования последовательного типа приведена на рис. 3-1,а. В состав схемы входят РЭ Т₁, усилитель постоянного тока (УПТ) на транзисторе Т₂, измерительный элемент – делитель напряжения на резисторах R_Д1, R_ПТ и R_Д2. Источником опорного напряжения является однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне Д, минимальное значение рабочего тока через стабилитрон определяется сопротивлением резистора R_СТ. Сравнение выходного и опорного напряжения производится на входе транзистора T₂ УПТ, он же усиливает сигнал ошибки и управляет РЭ.

При повышении напряжения питания U_п происходит увеличение выходного напряжения U_Н стабилизаторов и соответственно той его части U_Н.Д., которая снимается с резисторов R^//_пт, R_Д2 делителя напряжения.

Сигнал ошибки U_эб = U_Н.Д – U_ст воздействует на вход транзистора Т₂, вызывая увеличение его коллекторного тока I_К2. Что приведет к снижению базового тока транзистора Т₁, так как он работает в режиме усиления, то падение напряжения на нем возрастает, компенсируя происшедшее увеличение выходного напряжения.Коэффициент стабилизации выходного напряжения при изменении напряжения U_П равен:

где r_ВХ2 – входное сопротивление транзистора Т₂ в схеме с ОБ;

– коэффициент деления выходного напряжения;

– вспомогательный коэффициент; – коэффициент передачи тока транзистора Т₂.

Выходное сопротивление стабилизатора напряжения последовательного типа определяется выражением

где r_ВХ1 – входное сопротивление транзистора Т₁ в схеме с ОБ; r_и.п. – выходное сопротивление источника первичного питания.

33. Структурную схему преобразователя напряжения повышающего типа.

Здесь описаны преобразователи, в которых напря­жение напряжение на нагрузке больше напряжения источника и может регулироваться от величины напряжения источ­ника до значения, и несколько раз большего.