2.1.2. Основные схемы параметрических стабилизаторов

Схема однокаскадного параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.2, а) состоит из источника напряжения U_вх , гасящего резистора R1, кремниевого стабилитрона V1 и сопротивления нагрузки R_Н питаемого устройства. Как известно, на вольт-амперной характеристике кремниевого стабилитрона, включенного под обратное напряжение, имеется участок, на котором при измене тока напряжение на приборе остается неизменным (участок обратимого пробоя). В связи с этим при изменении U_вх или R_Н в определенных пределах выходное напряжение меняется мало, поскольку в схеме непрерывно происходит перераспределение входного напряжения между гасящим сопротивлением и внутренним сопротивлением стабилитрона и входного тока между внутренним сопротивлением стабилитрона и нагрузкой.

а) б) в)

Рис. 2.2. Параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах: а — однокаскадный стабилитрон; б — двухкаскадный стабилитрон; в —. схема с термокомпенсирующими диодами.

Широкая номенклатура выпускаемых кремниевых стабилитронов позволяет выполнять стабилизаторы с выходным напряжением от единиц до сотен вольт. Однако таким стабилизаторам присущ ряд серьезных недостатков. Они работают эффективно лишь при условии, что ток нагрузки I, меньше тока I_ст через стабилитрон. В противном случае ухудшается стабильность выходного напряжения при изменения сопротивления нагрузки. Этот недостаток можно устранить, применяя двухкаскадные стабилизаторы, в которых выход одного каскада соединяется с входом второго (рис. 2.2, 6). Но это приводят к снижению КПД стабилизатора. Существенно влияет на работу схемы и то обстоятельство, что большинство кремниевых стабилитронов имеет положительный температурный коэффициент напряжения стабилизации _ст. В целях термокомпенсации последовательно с основным стабилитроном, работающем при обратном напряжении, включают дополнительные диоды в проводящем направлении (при этом их коэффициент _ст отрицателен) (рис. 2.2, в). Но в этом случае резко(в 4—5 раз) снижается стабилизирующее действие схемы. Все это обусловливает использование параметрических стабилизаторов на кремниевых стабилитронах только при небольших токах нагрузки (единицы — десятки миллиампер).

2.1.3. Порядок расчета однокаскадного параметрического стабилизатора

При расчете схемы однокаскадного параметрического стабилизатора (рис. 2.2, а) исходят из заданных технических требований. Обычно известны следующие параметры: номинальное значение выходного напряжения U_вых; номинальный ток нагрузки I_Н; допустимые относительные отклонения напряжения на входе стабилизатора от номинального в сторону увеличения а_вх и уменьшения b_вх, %; допустимые относительные отклонения напряжения на выходе стабилизатора от номинального в сторону увеличения а_вых и уменьшения b_вых, %; допустимые относительное отклонения тока нагрузки от номинального в сторону увеличения с и уменьшения d, %.

В результате расчета необходимо определять тип кремниевого стабилитрона, напряжение на входе стабилизатора величину гасящего сопротивления R1, а также максимальную величину тока, проходящего через стабилитрон I_{ст max}.

Расчет производим в следующем порядке:

1. Выбираем тип кремниевого стабилитрона. Основанием для выбора служит заданное значение U_вых с учетом его допустимых относительных изменений а_вых и b_вых. Основные параметры кремниевых стабилитронов малой и средней мощности приведены в табл. 2.2. Выписываем из таблиц параметры выбранного стабилитрона U_ст , I_ст , I_{ст min} , I_{ст max} , r_ст , _ст .

2. Определяем требуемое значение коэффициента стабилитрона

К_ст = (а_вх + b_вх)/( а_вых + b_вых).

3. Находим максимальное значение коэффициента стабилизации

К_{ст max}=[ U_вых (1 — b_вх/100)]/[ I_Н (1 + с/100) + I_ст ] r_ст .

Величина К_{ст max} должна быть больше требуемого значения коэффициента стабилизации К_ст в 1,3…1,5 раза

К_{ст max}  (1,3. . .1,5) К_ст

Если это условие не выполняется, следует использовать более сложную (двухкаскадную) схему стабилизатора (рис. 2.2, 6).

4. Определяем необходимое значение напряжения на входе стабилизатора

U_вх= U_вых/(1 — b_вх/100) (1 — К_ст/ К_{ст max} )

5. Находим величину сопротивления гасящего резистора

R1 = [U_вх/(1 — b_вх/100) — U_вых]/ [ I_Н (1 + с/100) + I_ст ]

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет

Р_R1 = (I_Н + I_{ст max} ) R1.

По шкале номинальных сопротивлений резисторов (табл. 2.1) выбираем стандартный тип резистора.

6. Рассчитываем максимальное (расчетное) значение тока стабилитрона I_{ст max расч}

I_{ст max расч} = I_ст +I_Н (1 + с/100) — I_Н (1 — d/100) +

+ [К_{ст max} ( I_Н (1 + с/100) + I_ст ) (а_вх + b_вх) /100] / [К_ст (1 — b_вх/100)]

Необходимо, чтобы найденное значение тока I_{ст max расч} не превышало величину I_{ст max} для выбранного типа стабилитрона