Параметрический стабилизатор напряжения

Суть работы такого СН (рис.8.1) состоит в том, что напряжение нагрузки равняется напряжению стабилитрона U₂ = U_Д.

Рис. 8.1. Параметрический стабилизатор напряжения		Рис. 8.2. Его эквивалентная схема замещения для малых приращений сигнала

Последний работает на участке пробоя (рис.8.3), где малому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока диода. Дифференциальное сопротивление диода r_Д = DU_Д/DI_Д на этом участке составляет единицы-десятки Ом в зависимости от тока диода, напряжения пробоя и ряда других факторов. Схема является стабилизатором параллельного типа и между входным и выходным токами существует соотношение I₁ = I_Д + I_Н (Рис. 8.1).

Схема работает следующим образом: увеличение напряжения питания U₁ приводит к увеличению тока I₁ = (U₁ – U_Д) / R₀. Однако U_Д » const, и приращение тока I₁ вызовет практически такое же приращение тока диода и мало изменит ток (напряжение) в нагрузке (рис.8.3,а). С другой

Рис. 8.3. Графический анализ работы стабилизатора при: а – изменении входного напряжения; б – изменении сопротивления нагрузки

стороны, изменение величины резистора R_Н (например, его уменьшение) приведет к изменению тока нагрузки (его увеличению), что в свою очередь изменит (уменьшит) ток стабилитрона (рис.8.3, б). Важно, чтобы при таких изменениях стабилитрон оставался на участке пробоя. В этом случае напряжение в нагрузке останется практически постоянным, а DI_Н » » –DI_Д. Графические построения для анализа работы стабилизатора при изменении U₁ и при изменении R_Н представлены на рис.8.3,бив, соответственно.

Для нахождения параметров K_НU и K_НI   СН (рис. 8.1) можно представить в виде эквивалентной схемы замещения (рис. 8.2), которая справедлива для малых приращений напряжений (токов). Из схемы замещения следует, что выходное сопротивление стабилизатора составляет

r_ВЫХ = R₀½½r_Д » r_Д,

поскольку R₀ всегда выбирается существенно больше r_Д. Для определения K_НU необходимо найти отношение DU₂ / DU₁, которое легко получается из анализа рис. 8.2:

DU₂ / DU₁ = (R_Н½½r_Д) / (R₀ + R_Н½½r_Д) @ r_Д / R₀.

После чего

K_НU = (DU ₂ / U ₂) ×100% / DU ₁ = (r_Д / R₀ U₂) ×100%.

Для маломощных стабилитронов r_Д составляет 5 – 20 Ом, R₀ выбирают порядка нескольких сотен Ом, U₂ составляет 5 – 15 В при отношенииU₂/U₁ = 0,4 – 0,8. В таком случае типичное значение K_НU находится в пределах 0.5 – 2 % / B, а КПД = 20 – 40 %. Обычно средний ток нагрузки примерно равен половине максимально допустимого тока стабилитрона и составляет единицы – десятки миллиампер.

Коэффициент нестабильности по току

K_НI= (DU ₂/U ₂)×100% / (DI _Н/I _Н) = (r_ДI_Н/U₂)×100% = (r_Д/R_Н)×100%

тем меньше, чем меньше r_Д и имеет величину порядка 2 – 5 %.

Однокаскадные стабилизаторы

Для обеспечения более низких значений K_НU, K_НI, r_ВЫХ используют схемы СН с усилительными элементами, в качестве которых выступают одно- и многокаскадные усилители постоянного тока, в том числе и операционные усилители. При этом напряжение на нагрузке сравнивается с напряжением опорного (эталонного) элемента – стабилитрона. Разность напряжений усиливается усилителем и так управляет выходным элементом, что напряжение на выходе остается практически постоянным и пропорциональным напряжению опорного элемента. Глубокая отрицательная обратная связь по напряжению обеспечивает малое выходное сопротивление СН. Для таких устройств справедливы все соотношения, характерные для схем с отрицательными обратными связями по напряжению (см. лаб. работу № 6).

Если возникает необходимость обеспечивать большие токи нагрузки, то регулирующий элемент часто строят по схеме Дарлингтона с использованием сильноточного транзистора.

Рис. 8.4. Схемы однокаскадных стабилизаторов напряжения: а – последовательного типа; б – параллельного типа

Схемы однокаскадных нерегулируемых стабилизаторов напряжения последовательного и параллельного типов представлены на рис. 8.4 а и б, соответственно. В этих схемах напряжение в нагрузке повторяет напряжение опорного элемента с точностью до величины U_БЭ:

U₂ = U_ОП – U_БЭ – для схемы рис. 8.4, а;

U₂ = U_ОП + U_БЭ – для схемы рис. 8.4, б.

Схемы работают следующим образом: изменения напряжения нагрузки, возникающие по той или иной причине, приводят к изменению напряжения U_БЭ регулирующего транзистора (считаем U_ОП = const). В следствие этого регулирующий элемент изменит свой ток так, чтобы поддержать U₂ @ const. Например, при увеличении U₂ в схеме рис. 8.4,а, переход база-эмиттер транзистора VT1 будет призакрываться и уменьшать свой ток, а это ведет к уменьшению U₂ = I₂R_Н, что и является стабилизацией – проявлением отрицательной обратной связи. В схеме рис.8.4,б увеличение U₂ приводит к увеличению U_БЭ транзистора и дополнительно открывает его. В результате больший ток потечет через транзистор, ток нагрузки уменьшится, что и обеспечит эффект стабилизации U₂.

Д

Рис. 8.5. Схема для расчета выходного сопротивления стабилизатора

ля примера определим выходное сопротивление схемы рис. 8.4,б. Для этого положим Е_ПИТ = U₁ = const, на выход схемы вместо резистора R_Н подключим E_Г¢ = U₂ (рис. 8.5), зададим приращение DE_Г¢ = DU₂. Изменение тока DI₂ составит

DI₂ = DU₂ / R₀ + DU₂ / r_{ВХ управл} + DI_К = DU₂ / R₀ + DU₂ (b+1) / r_{ВХ управл}.

Здесь r_{ВХ управл} @ r_Д + r_{ВХ Э} – входное сопротивление транзистора со стороны цепи управления.

. При проведении оценочных расчетов предположим, что r_{ВХ Э} << R₁. В этом случае получим

DI_К = b DI_Б = DU₂ / r_{ВХ управл}.

Выходное сопротивление параллельного стабилизатора составит

r_ВЫХ = DU₂ /DI₂ = R₀½½(r_{ВХ управл}/(b+1)) @ r_{ВХ управл} /(b+1) =

= ((r_Д+r_Б) /(b+1)) + r_Э.

Как видно, полученный результат аналогичен выражению для выходного сопротивления эмиттерного повторителя (см. лаб. раб.№1). Величина r_ВЫХ уменьшается с ростом тока через регулирующий элемент, а также с ростом коэффициента усиления по току транзистора. Аналогичная величина ожидается и для схемы рис. 8.4 а.

Полученное выражение применимо и к более сложным схемам СН, поскольку может быть представлено в виде

r_ВЫХ = r_{ВХ управл} / (K_{I S} + 1), (8.1)

где K_{I S} – коэффициент усиления по току по контуру обратной связи.

Для определения коэффициента K_НU схем рис.8.4 необходимо воспользоваться схемой замещения рис.8.2, где вместо r_Д подставить выходное сопротивление этих схем (r_ВЫХ).

Для стабилизаторов параллельного типа K_НU @ (r_ВЫХ/R₀U₂)×100%, а для схем последовательного типа K_НU @ (r_ВЫХ/r_КЭU₂)×100%, т.е. существенно меньше, так как r_КЭ > R₀ (дифференциальное сопротивление транзистора r_КЭ оценочно можно подсчитать как r_{КЭ n-p-n} = 200 В/I_К, а r_{КЭ p-n-p} = 80 В/I_К). Однако, практически, обе схемы имеют одинаковые K_НU, поскольку нестабильность напряжения U₂ определяется прежде всего нестабильностью напряжения опорного элемента, который сам по себе является параметрическим стабилизатором параллельного типа.

Для понижения K_НU необходимо стабилизировать ток опорного элемента, что может быть достигнуто питанием его через резистор от отдельного стабилизированного источника напряжения, либо необходимо стабилизировать ток стабилитрона с помощью источника тока. При этом существенное понижение K_НU ожидается для схемы рис. 8.4, а.

Схемы стабилизаторов параллельного типа не боятся коротких замыканий на выходе. Действительно, с ростом тока нагрузки ток через регулирующий элемент уменьшается, одновременно снижается приложенное к коллектору транзистора напряжение, что приводит к уменьшению рассеиваемой им мощности. В пределе при коротком замыкании на выходе транзистор закрыт, а ток нагрузки составляет U₁ /R₀.

Схемы стабилизаторов последовательного типа боятся короткого замыкания в нагрузке, поскольку при этом регулирующий транзистор открывается максимально и источник питания U₁ оказывается замкнутым на открытый насыщенный транзистор. Протекание недопустимо большого тока через транзистор выводит его из строя. Для исключения таких неприятностей в схемы последовательного типа часто вводят схему электронной защиты от короткого замыкания в нагрузке.