15 Стабилизаторы постоянного напряжения
15.1 Классификация стабилизаторов постоянного напряжения
Значительная
часть электронных устройств потребляет
электрическую энергию в виде постоянного
тока. Если первичным источником служит
сеть переменного тока U~,
то источник вторичного электропитания
чаще всего имеет структуру, приведенную
на рис. 15.1.
Трансформатор Тр, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем В в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения (на нагрузке Н) с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным, не зависящим от изменений напряжения сети, тока нагрузки и других дестабилизирующих факторов. Необходимость применения стабилизаторов возникает и при питании электронных устройств от аккумуляторных батарей, напряжение на выходе которых уменьшается по мере их разрядки.
Принцип
работы наиболее часто используемых в
настоящее время стабилизаторов можно
пояснить на примере схем, приведенных
на рис. 15.2, а,
б.
Для схемы рис. 15.2, а справедливо следующее соотношение:
,
где Rупр – сопротивление управляемого элемента, например, транзистора, откуда видно, что, меняя сопротивление Rупр, можно поддерживать напряжение Uвых постоянным при изменении Rн и Uвх. Нетрудно показать, что и в схеме рис. 15.2, б постоянства выходного напряжения можно достичь, если определенным образом менять сопротивление Rупр.
Стабилизаторы, в которых регулирующее сопротивление включено последовательно с нагрузкой, называются стабилизаторами последовательного типа (пример рис. 15.2, а). Стабилизаторы, в которых регулирующее сопротивление включено параллельно с нагрузкой, называются стабилизаторами параллельного типа (пример рис. 15.2, б).
Существуют два типа стабилизаторов – параметрические и компенсационные. Первый вид использует нелинейные элементы, обладающие таким участком ВАХ, на котором один из параметров остается неизменным при изменении другого. Например, падение напряжения на стабилитроне при изменениях тока через него.
15.2 Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне
Схема параметрического
стабилизатора напряжения на кремниевом
стабилитроне приведена на рис. 15.3, а.
Кремниевый стабилитрон, включенный в
обратном направлении (см. рис. 15.3, б),
поддерживает неизменным напряжение
Uст
на своих зажимах при изменении тока
через прибор в пределах от Iст
min доп
до Iст
max доп
и имеет
на этом участке малое динамическое
сопротивление
.
Основные уравнения для токов рассматриваемой схемы стабилизатора можно записать в виде
,
где Rб – сопротивление балластного резистора.
Условия нормальной работы стабилитрона:
,
.
Анализ эквивалентной схемы для приращений напряжений (рис. 15.3, в) позволяет оценить нестабильность выходного напряжения по заданной нестабильности входного
.
Величину
сопротивления балластного резистора
рассчитывают по выражению
.
Качество стабилизатора характеризуют:
а) коэффициент стабилизации – отношение относительной нестабильности входного напряжения к относительной нестабильности напряжения на выходе:
;
б) выходное сопротивление (для рассматриваемой схемы оно определяется динамическим сопротивлением стабилитрона):
.
Суммарную нестабильность выходного напряжения можно оценить по формуле
.
Достоинством параметрических стабилизаторов параллельного типа являются простота конструкции и надежность в работе. Они не боятся коротких замыканий в нагрузке. К недостаткам следует отнести невысокий КПД (обычно не более 50%), относительно большое Rвых, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.