4.3. Параметрические стабилизаторы

Ранее в этом пункте отмечалось, что при параметрическом методе режим стабилизации напряжения (тока) электропитания осуществляется за счет применения элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой [5].

Рис. 4.1.Вольтамперные характеристики нелинейных элементов.

Степень нелинейности вольт-амперных характеристик элементов, приведенных на рис. 4.1, на рабочем участке ВС оценивают отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление элемента Rcравно отношению падения напряжения на элементе U0 к величине тока I0, протекающего через элемент. Статическое сопротивление Rc– это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точкеАхарактеристики:

. (4.23)

Динамическое сопротивление элемента Rдравно отношению изменения падения напряжения на элементе DU к изменению ве­личины протекающего через элемент тока DI. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока:

.

Элементы, имеющие нелинейные вольт-амперные характеристи­ки, обладают различными величинами сопротивлений для постоянного по величине тока и для изменений тока. Разница в величинах статического и динамического сопротивлений позволяет эффективно использовать элементы с нелинейными вольт-амперными характеристиками для стабилизации напряжения или тока параметрическим способом.

Очевидно, что подключение нелинейного элемента с характеристикой, подобной рис. 4.1, а (Rд Rc),последовательно с сопротивлением нагрузки позволяет уменьшить изменение тока в цепи при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки, так как изменение тока в цепи определяется наибольшим сопротивлением цепи, т. е. динамическим сопротивлением Rд >Rc.

Характеристика, приведенная на рис. 4.1, а, называется характеристикой вида RU,а характеристика, приведенная на рис. 4.1, 6 – вида RI.

Структурные схемы параметрических стабилизаторов напряжения и тока приведены на рис. 4.2. Режим стабилизации напряжения или тока осуществляется с помощью только нелинейных элементов НЭ, так как для линейного элемента ЛЭ характерна пропорциональность между входной и выходной величинами и их относительные изменения будут одинаковы.

а) б)

Рис. 4.2. Структурные схемы параметрических стабилизаторов: напряжения (а) и тока (б).

Вольт-амперными характеристиками вида RUобладает ряд нелинейных элементов, которые используются в параметрических стабилизаторах напряжения: газонаполненные cтабиловольты, кремниевые стабилитроны, некоторые типы температурочувствительных элементов (термисторы). В настоящее время для параметрической стабилизации постоянного напряжения наиболее широко применяются кремниевые стабилитроны. По сравнению с другими нелинейными элементами, используемыми для стабилизации напряжения, они обладают следующими преимуществами: малое значение дифференциального (динамического) сопротивления Rд (единицы—десятки Ом); широкий диапазон напряжения стабилизации (3,3—198) В; широкий диапазон допустимой мощности рассеяния (до 8,0 Вт); малые габариты и масса.

Рассмотрим основные соотношения в схеме параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне. Кремниевый стабилитрон является полупроводниковым плоскостным диодом, обратная ветвь вольт-амперной характеристики (рис. 4.3) которого имеет область, где величина напряжения мало зависит от величины обратного тока. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики характерна для обычногоp-n-перехода. Рабо­чим участком вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона является участок А—Б обратной ветви характеристики. При изменении тока через стабилитрон от Imin до Im напряжение на стабилитроне изменяется на величину DUc. Значения тока через стабилитрон Ic< Imin напряжение на стабилитроне изменя-яа характеристике стабилитрона. При значениях обратного тока через стабилитрон Icт< Imin напряжение на стабилитроне изменяется практически линейно в соответствии с приложенным напряжением.

Значение тока Im соответствует предельно допустимому для данного типа стабилитрона току. Увеличение тока через стабили­трон Ic> Im вызывает увеличение мощности, рассеиваемой в стабилитроне выше ее предельно допустимого значения, температура p-n-перехода при этом возрастает выше допустимой и стабилитрон выходит из строя в результате теплового пробоя.

Рис. 4.3.Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона

Рис. 4.4. Принципиальная схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремниевом стабилитроне.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, в которой в качестве нелинейного элемента используется кремниевый стабилитрон, приведена на рис. 4.4, где Rб– балластный резистор; Д– кремниевый стабилитрон с напряжением стабилизации Uст = Uвых; Rн – сопротивление нагрузки. Токи и напряжения в схеме находятся по законам Кирхгофа:

Iвх = Iст + Iн; (4.26)

Uвх = Uвых + IвхRб.

При увеличении напряжения на входе стабилизатора Uвх напряжение на его выходе Uвых также стремится к увеличению. Небольшое увеличение напряжения на стабилитроне Двызывает в соответствии с вольт-амперной характеристикой стабилитрона резкое увеличение тока через него. При этом падение напряжения на балластном резисторе Rб увеличивается за счет увеличения тока через стабилитрон Iст, который является составляющей входного тока Iвх. Напряжение на нагрузке Rнстабилизатора изменяется на величину DUст, которая тем меньше, чем меньше величина дифференциального сопротивления стабилитрона Rд. Таким образом, величина приращения напряжения на входе стабилизатора DUвх распределяется между изменением напряжения на балластном резисторе DURб и на нагрузке, равном DUст: DUвх = DURб + DUст. При Rб>>Rд, что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения на кремниевых стабилитронах, DUвх »DURб при DUст®0.

Работа стабилизатора при уменьшении входного напряжения происходит аналогично.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим параметрический стабилизатор функциональной схемой для изменений напряжения на входе. Эквивалентная схема модели стабилизатора показана на рис. 4.5. Считаем, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление Rн, изменение DUвх является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона постоянно в пределах рабочего участка характеристики стабилитрона. С уче­том сделанных допущений передаточная функция, связывающая возмущение на входе DUвх с реакцией на выходе DUвых, представляется коэффициентом деления

. (4.28)

Преобразуя (4.28), имеем

. (4.29)

Из (4.28) определяем

. (4.30)

Отношение DUвх / DUвых является дифференциальным коэффициентом стабилизации Кст.д.н, который связан с коэффициентом стабилизации Кст.н выражением (4.11).

, (4.31)

где Uвых/Uвх = К0– коэффициент передачи стабилизатора по напряжению.

Рис. 4.5. Функциональная схема модели параметрического стабилизатора постоянного напряжения при изменении напряжения.

Рис. 4.6.Функциональная схема модели параметрического стабилизатора постоянного напряжения для определения Rвых.

На практике часто пользуются упрощенным выражением дляопределения коэффициента стабилизации, учитывая, что всегда выполняются неравенства RдRб/Rн; Rб/Rд>>1. Тогда коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне

. (4.32)

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения определяется при постоянстве входного напряжения Uвх= const (или DUвх = 0).

Учитывая сказанное выше, функциональная схема модели параметрического стабилизатора для изменений напряжения на выходе, вызванных изменением тока нагрузки, принимает вид, показанный на рис. 4.6. В соответствии с этим рисунком выходное сопротивление стабилизатора напряжения

. (4.33)

Так как для стабилизаторов напряжения на кремниевых стабилитронах Rд