Параметрические стабилизаторы

Раздел 7- Стабилизаторы в цепи постоянного тока

Основные определения

Стабилизатор – устройство автоматического поддержания в заданных пределах напряжения или тока при воздействии дестабилизирующих факторов (напряжение, ток, температура, давление, влажность и пр.).

Стабилизатор должен обязательно иметь регулирующий орган  (РЭ - регулирующий элемент).В зависимости от способа включения РЭ все стабилизаторы делят на параллельные и последовательные.

В параллельном стабилизаторе РЭ включен параллельно нагрузке. Эти стабилизаторы не боятся перегрузок по току и КЗ нагрузки .

Через балластный резистор  протекает ток . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения тока  можно менять падение напряжения на  и тем самым поддерживать выходное напряжение  постоянным .

В последовательном стабилизаторе РЭ включен последовательно в цепь тока нагрузки:

Здесь . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения внутреннего сопротивления РЭ можно изменять падение напряжения на нём и поддерживать  выходное напряжение постоянным .

В зависимости от того, чем управляется  РЭ все стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах  управление РЭ производится тем же внешним воздействием, которое нарушает постоянство выходной величины. В них используются  нелинейные свойства  характеристик приборов (вольт-амперных, ампер-вольтовых, вебер-амперных, Ом-градусных, вольт-секундных и др.) - это стабилитроны, дроссели насыщения, термосопротивления  и  т.п.

В компенсационных стабилизаторах управление РЭ производится отклонением выходной величины от заданного значения независимо от того, чем вызвано это отклонение. Эти стабилизаторы содержат эталон и цепь обратной связи.

Стабилизаторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению в номинальном режиме:

иногда используется нестабильность выходного напряжения при неизменной нагрузке (или статическая ошибка)

                                                       при

 2. Внутреннее сопротивление стабилизатора:

                                                         при

  Зная  можно найти  при изменении тока нагрузки.

  Вместо  иногда используют нестабильность выходного напряжения по току  

  нагрузки (или динамическая ошибка):

                                                         при

3. Температурная нестабильность:

                               или  

При                                       

4. Коэффициент сглаживания пульсаций:

                                            ,

    где - амплитуда пульсаций.

Если пульсации считать нестабильностью входного напряжения определённой частоты, то q должен быть равным K_U, но обычно это не выполняется в компенсационных стабилизаторах из-за частотных свойств цепи обратной связи, поэтому q ≠ K_U.  

5. Коэффициент полезного действия:

   Стабилизаторы напряжения переменного тока дополнительно характеризуются нестабильностью по частоте сети ( ), нестабильностью входного импеданса ( ) и коэффициентом мощности. Существенны также их масса, объём и срок службы.

  Наибольший вклад в общую нестабильность выходного напряжения вносят первые три составляющие. В зависимости от этой суммарной нестабильности  стабилизаторы делят на:

                       низкой точности   

                          средней точности 

                       высокой точности

                       прецизионные         

Для питания аппаратуры связи достаточно стабилизаторов средней точности.                                                          

Параметрические стабилизаторы

1. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока.

В качестве РЭ здесь, как правило, применяют стабилитроны, в которых используется обратный участок ВАХ – участок пробоя.

На рабочем участке значительным изменениям тока соответствует слабое изменение  Если превысить , то мощность рассеиваемая на стабилитроне, будет больше  допустимой и он выйдет из строя.

Недостатком стабилитронов является существенная зависимость напряжения от температуры, но теплового гистерезиса эти характеристики не имеют. Обычно температурный коэффициент напряжения имеет величину около  , причем, его ВАХ в отличие от простого p-n перехода смещается по горизонтальной оси, как показано на рисунке.  

Это свойство используется для термокомпенсации. Поэтому путем последовательного включения стабилитронов можно получить температурный коэффициент до ( прецизионные стабилитроны) 

Хотя внутреннее сопротивление (дифференциальное) этой цепочки больше, чем у одного диода , но стабильность высокая.

Диапазон напряжений – от единиц  до десятков вольт, токи – от долей мА до единиц Ампер. Емкость перехода порядка 1…7 нФ, поэтому стабилитрон практически безинерционен  до частот ~ 1 МГц, высокая надежность и большой срок службы. Стабилитроны с напряжением менее трёх вольт работают на прямом участке ВАХ и называются стабисторами.

  Простейший параметрический стабилизатор состоит из балластного резистора R0 и стабилитронаVD1:  

При заданных минимальных и максимальных значениях  рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего (линейного) участка.

Коэффициент стабилизации этой схемы по входному напряжению:

 , где - коэффициент передачи постоянной составляющей (иногда его называют КПД, но это очень приближённо).   

Видно, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона , тем выше стабильность. Можно взять больше R₀, но сильно увеличивать его нельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать , что приведет к снижению .

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется  стабилитрона, которое зависит от напряжения стабилизации.

Видно, что минимальное значение  находится около 6…7В, т.е. стабилитроны с таким  имеют . По этой причине прецизионные стабилитроны имеют напряжение стабилизации  9…10 Вольт (основной переход и несколько компенсирующих).

Коэффициент полезного действия стабилизатора:

 и составляет т.к. велики потери в . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.