4.6.1. Параметрический стабилизатор напряжения

П ринцип стабилизации напряжения раскрывается на основе простейшей схемы (рис. 4.30). Она содержит два основных элемента: стабилитрон VD и балластный резистор R_Б. Резистор нагрузки R_н – это элемент цепи, на котором стабилизируется напряжение U_н. Схема обеспечивает практическую неизменность выходного напряжения при изменении входного ΔЕ относительно номинального Е. Следует отметить, что диод подключается параллельно резистору нагрузки, так как именно при таком включении напряжение на этих двух элементах совпадает.

Балластный резистор выполняет двойную роль: в статическом режиме ограничивает величину тока через диод, а в динамическом – обеспечивает эффект стабилизации.

Статический режим работы схемы анализируется при постоянном номинальном значении входного напряжения Е. ЭДС входного источника распределяется между нагрузкой и балластным резистором:

E = U_н + U_Б, (4.17)

а общий ток I делится между диодом и резистором нагрузки:

I = I_ст + I_н. (4.18)

Установим взаимосвязь между входным и выходным напряжениями. Тогда на основе (4.17) с учетом (4.18) имеем

Е = U_н + (I_ст + I_н)R_Б. (4.19)

Выражая токи через выходное напряжение, получим

,

или окончательно

, (4.20)

где R_ст - статическое сопротивление диода.

Д ля анализа схемы в динамическом режиме заменим диод динамическим сопротивлением R_д. Тогда эквивалентная схема относительно изменений входного напряжения приведена на рис. 4.31. Эквивалентное сопротивление параллельной цепи определяется по формуле

а так как R_д<<R_н, то справедливо приближенное равенство

.

В этой схеме реализован принцип делителя напряжения относительно изменений входного напряжения, т.е. ΔЕ распределяется между R_Б и R_д. Так как R_д<<R_Б, то основное приращение напряжения падает на балластном резисторе, а изменение выходного напряжения незначительно:

,

т.е. ΔU_н<<ΔE. Отсюда становится очевидным назначение и название балластного резистора, он играет роль балласта, на котором падает основное изменение напряжения, поэтому только небольшая часть изменяющегося напряжения выделяется на резисторе нагрузки.

В этой схеме реализован также вспомогательный эффект – делителя приращений тока. Изменение общего тока, возникшее из-за нестабильности входного напряжения, делится между параллельными элементами R_д и R_н. Так как R_д<<R_н, то основное изменение тока пройдет через диод ΔI_д>>ΔI_н, а поэтому ΔU_н = I_нR_н также будет незначительным. Из эквивалентной схемы (см. рис. 4.31) следует

,

откуда

, т.е. ΔI_н<< ΔI.

В целом для динамического режима можно записать следующее соотношение по второму закону Кирхгофа:

,

или по аналогии с (4.20)

. (4.21)

Качество стабилизации всей схемы определяется коэффициентом стабилизации

, (4.22)

который показывает, во сколько раз относительные изменения входного напряжения больше, чем выходного. Используя взаимосвязь входных и выходных напряжений в статике (4.20) и динамике (4.21), получаем

(4.23)

Таким образом, здесь реализован схемотехнический принцип стабилизации напряжения, основанный на нелинейном делителе напряжения. Нелинейный элемент – диод, включенный в одно из плечей делителя, имеет существенные отличия в двух параметрах: статическом и динамическом сопротивлениях (R_ст>>R_д). Благодаря этому он удерживает сравнительно большое статическое напряжение при малой величине падения напряжения относительно его изменений.

Наряду с физическим и аналитическим обоснованиями принципа работы схемы можно дать и геометрическую интерпретацию на основе нагрузочной прямой. Построим линию нагрузки, используя опыты холостого хода и короткого замыкания. Режим холостого хода соответствует разрыву ветви с диодом (см. рис. 4.30). В точках подключения диода напряжение холостого хода составляет

.

Режим короткого замыкания U = 0 соответствует короткому замыканию ветви с диодом, тогда ток короткого замыкания в цепи I_К = E/R_Б. Отмечая точки холостого хода (1) и короткого замыкания (2) на осях координат ВАХ диода, получаем нагрузочную прямую (рис. 4.32). Нестабильность входного напряжения вызывает параллельное смещение нагрузочной прямой. Аналогично можно проанализировать изменение положения прямой при варьировании резисторов R_Б и R_н.

Основная характеристика рассмотренной схемы, определяющая взаимосвязь входного и выходного напряжений, - это передаточная динамическая характеристика U_н = f(E) (рис. 4.33). При Е<Е_п схема работает в режиме холостого хода, т.е. диод закрыт, а входное напряжение делится между R_Б и R_н. Значение порогового входного напряжения определяется из условия перехода диода в режим пробоя U_x = U_ст т.е.

.

По этой характеристике находится экспериментальное значение коэффициента стабилизации (2.9). Номинальные значения напряжений Е и U_н соответствуют рабочей точке А (см. рис. 4.33).