Основные теоретические положения. Стабилизатор является составной частью выпрямительного устройства и служит для поддержания неизменным (в определённом допуске) напряжения на нагрузке

 

Стабилизатор является составной частью выпрямительного устройства и служит для поддержания неизменным (в определённом допуске) напряжения на нагрузке, которое может меняться под действием различных дестабилизирующих факторов. Такими факторами могут быть, например, колебания напряжения сети, изменения сопротивления нагрузки.

Качество работы стабилизатора характеризуется следующими числовыми параметрами:

1) коэффициент стабилизации по напряжению

где DU_ВХ, DU_ВЫХ - абсолютные приращения входного и выходного напряжения стабилизатора соответственно;

2) выходное сопротивление

R_ВЫХ = DU_ВЫХ / DI_H

где DI_Н – абсолютное приращение тока нагрузки.

По способу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные.

На рис.1 представлена схема параметрического стабилизатора напряжения. Основным элементом стабилизатора является полупроводниковый стабилитрон VD. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона имеет участок стабилизации, на котором напряжение стабилитрона зависит от тока очень незначительно (рис.2). Учитывая, что стабилитрон имеет нелинейную ВАХ, для описания работы параметрического стабилизатора напряжения можно использовать графические методы анализа нелинейных электрических цепей.

Рассмотрим работу стабилизатора на холостом ходу, т.е. при R_H = ¥ (I_H = 0). В этом случае балластный резистор R_Б и стабилитрон VD будут соединены последовательно, и данную цепь можно анализировать методом опрокинутой характеристики. На рис.2 представлены ВАХ стабилитрона (кривая 1) и опрокинутая ВАХ резистора R_Б (прямая 2). Точка их пересечения определяет значения напряжения на стабилитроне, равное U_ВЫХ и точка I = I_СТ.

Если, например, входное напряжение U_ВХ изменится на некоторую величину DU_ВХ, то прямая 2 сместится параллельно самой себе и займёт положение, показанное на рис. 2 пунктиром, и выходное напряжение на нагрузке изменится при этом весьма незначительно, т.е. DU_ВЫХ <<DU_ВХ.

При наличии нагрузки R_H ВАХ параллельного соединения стабилитрона VD и резистора R_H будет несколько отличаться от ВАХ стабилитрона, однако при условии R_Б /R_H < (U_ВХ -U_ВЫХ) / U_ВЫХ точка пересечения характеристик будет соответствовать участку стабилизации стабилитрона. Изменение нагрузки очень мало влияет на величину напряжения U_ВЫХ, поскольку, например, увеличение тока нагрузки I_H компенсируется уменьшением тока стабилитрона I_СТ.

Сопротивление балластного резистора R_Б выбирается так, чтобы обеспечить значение тока стабилитрона I_СТ, соответствующее номинальной величине I_СТ.НОМ, указанной в паспорте для данного типа стабилитрона.

Возможности регулирования выходного напряжения у параметрического стабилизатора отсутствуют.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора относительно невысок и составляет 20 … 50.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на участке стабилизации и может находиться в диапазоне от долей Ома до десятков Ом.

Компенсационный стабилизатор представляет собой систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. На рис.3 представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения на полупроводниковых элементах. Последовательно с нагрузкой R_H включен регулирующий элемент – биполярный транзистор VT1, управляемый сигналом, пропорциональным отклонению части выходного напряжения aU_ВЫХ (a < 1) от опорного напряжения U_ОП, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD.

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом. Допустим, что под воздействием дестабилизирующих факторов напряжение U_ВЫХ уменьшилось. Тогда уменьшится также напряжение

U_OC = aU_ВЫХ, где a = R₂ / (R₁ + R₂). Поскольку U_ЭБ = U_OC – U_ОП, это приведёт к уменьшению напряжения между эмиттером и базой транзистора VT2 и тока базы I_Б2, что вызовет уменьшение тока коллектора I_K, проходящего через резистор R_K. Следовательно, возрастёт напряжение U_Б1 на базе транзистора VT1, так как U_Б1 = U_ВХ – I_KR_K. Транзистор VT1 перейдёт в более открытое состояние, что приведёт к увеличению напряжения U_ВЫХ на нагрузке, т.е. его первоначальное уменьшение почти скомпенсируется.

Компенсационный стабилизатор допускает возможность плавного регулирования выходного напряжения путём изменения коэффициента a.

Коэффициент стабилизации К_СТ компенсационного стабилизатора значительно выше, чем параметрического стабилизатора. Он зависит от коэффициента усиления усилительного каскада на транзисторе VT2 и может достигать нескольких тысяч.

Выходное сопротивление R_ВЫХ компенсационного стабилизатора значительно выше, чем параметрического стабилизатора. Он зависит от коэффициента усиления усилительного каскада на транзисторе VT2 и может достигать нескольких тысяч.

Выходное сопротивление R_ВЫХ компенсационного стабилизатора составляет величину порядка 0,001 … 0,01 Ом.

Важными графическими характеристиками, отражающими работу стабилизаторов напряжения являются:

1) зависимость выходного напряжения от входного U_ВЫХ = f (U_ВХ);

2) внешняя характеристика U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = const.

Зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ) имеет вид, представленный на рис.4. Для обеспечения требуемого значения напряжения U_ВЫХ на нагрузке, подключённой к выходу стабилизатора, необходимо, чтобы входное напряжение было не менее некоторого минимального значения U_ВХmin, которое в свою очередь должно превышать U_ВЫХ. При условии, что U_ВХ > U_ВХmin, изменение входного напряжения DU_ВХ приведёт к весьма незначительному изменению выходного напряжения DU_ВЫХ. Наклон данной характеристики на рабочем участке определяется величиной коэффициента стабилизации К_СТ.

Внешняя характеристика стабилизатора U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = const (рис.5) показывает, что при увеличении тока нагрузки I_H происходит некоторое снижение напряжения U_ВЫХ. Это обусловлено отличием от нуля выходного сопротивления стабилизатора. Чем больше выходное сопротивление стабилизатора R_ВЫХ, тем более крутым будет наклон внешней характеристики.

Снижение напряжения на выходе при росте тока нагрузки I_H в компенсационных стабилизаторах значительно менее выражено, чем в параметрических, что достигается наличием отрицательной обратной связи.