Стабилизаторы напряжения

Для нормальной работы многих электронных устройств в условиях колебания напряжения сети и изменения тока нагрузки необходима стабильность постоянного питающего напряжения. Для ее обеспечения между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизаторы, наиболее простые из которых – параметрические (рис. 2,а), состоят из стабилитрона и балластного резистора. Стабилитрон – разновидность полупроводникового диода, работающего на участке обратимого лавинного пробоя обратной ветви вольт-амперной характеристики. Резистор – это один из наиболее широко распространенных элементов электронной аппаратуры, обладающий практически сосредоточенным сопротивлением протеканию электрического тока. Чаще всего параметрические стабилизаторы напряжения являются частью более сложных схем стабилизаторов.

Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения основан на использовании нелинейности обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Она имеет ту особенность, что напряжение на стабилитроне при определенном диапазоне изменения обратного тока от I_ст min до I_ст max, почти постоянно: U_стf(I_ст)const (рис. 2,б). Поэтому в таком стабилизаторе нагрузка включается параллельно стабилитрону.

Чтобы при колебаниях входного напряжения рабочий ток стабилитрона не выходил за пределы допустимых значений, последовательно с источником входного напряжения включается балластный резистор R_б.

В соответствии со 1-м и 2-м законами Кирхгофа для стабилизатора можно составить следующие уравнения:

I_бI_ст+I_н, (2.1)

U_стU_вхR_б I_б. (2.2)

Вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики, колебание входного напряжения вызывает непропорционально большее изменение тока стабилитрона. При этом соответственно возрастает входной ток I_б и падение напряжения R_б I_б. Роль регулирующего элемента здесь играет резистор R_б, так как U_вхR_бI_ст.

При U_вхconst и идеальном стабилитроне (U_стconst) на основании уравнения (2.2) I_б(U_вхU_ст)/R_бconst. Поэтому из (2.1) можно сделать вывод, что изменение тока нагрузки вызывает обратное по характеру точно такое же изменение тока стабилитрона. У реального стабилитрона U_стconst, поэтому и входной ток I_бconst.

Указания к выполнению задачи 2

Расчет параметрического стабилизатора напряжения производится на основании уравнений (2.1) и (2.2) с учетом характера изменения тока стабилитрона при колебаниях входного напряжения и тока нагрузки.

A. Выбор стабилитрона.

Стабилитрон выбирается по напряжению стабилизации и максимальному току.

Напряжение стабилизации стабилитрона должно быть равно напряжению нагрузки:

U_стU_н.

Для увеличения напряжения нагрузки стабилитроны могут включаться последовательно; в этом случае U_ст1+U_ст2U_н.

При колебании нагрузки сила тока стабилитрона приблизительно изменяется на ту же величину, но противоположным образом. Максимально возможное изменение тока стабилитрона равно максимальному току нагрузки. При работе ток стабилитрона не должен превышать пределы максимально допустимого значения: I_ст<I_ст max. Поэтому расчетный максимальный ток стабилитрона

I_{расч max}I_ст min+I_{н max}. (2.3)

По табл. 2.2 выбираем стабилитрон. Выбранный тип стабилитрона должен удовлетворять условиям: U_стU_н и I_{ст max}>I_{расч max.} Если представленная в таблице выборка не позволяет выбрать требуемый стабилитрон необходимо воспользоваться соответствующим справочником.

Б. Выбор балластного резистора.

Выбор балластного резистора производится по сопротивлению и мощности потерь, выделяемой на нем при протекании тока.

Б1). Расчет сопротивления балластного резистора. Сопротивление балластного резистора должно быть рассчитано таким образом, чтобы при любом рабочем режиме ток стабилитрона не выходил за предельные значения: I_ст min<I_ст<I_ст max. Максимальная сила тока протекает через стабилитрон при максимальном входном напряжении (по условию – 1,1U_вх) и минимальном токе нагрузки (в режиме холостого хода – I_н min=0). Минимальная сила тока стабилитрона соответствует минимальному входному напряжению (0,9U_вх) и максимальному току нагрузки (I_нI_н max).

При расчете будем исходить из минимального входного напряжения:

U_{вх min}0,9U_вх. (2.4)

Как указано выше, сила тока I_б балластного резистора при колебаниях тока нагрузки практически не изменяется. Ее необходимо принять равной I_{расч max}, рассчитываемой по формуле (2.3):

I_бI_{расч max}, (2.5)

Сопротивление балластного резистора определяется из уравнений (2.1) и (2.2) с подстановкой величин U_вх и I_б, рассчитываемых по формулам (2.4)-(2.5):

R_б(U_{вх min}U_ст)/I_{расч max}. (2.6)

Полученное по (2.6) значение сопротивления R_б округляется до ближайшего меньшего номинального стандартного значения (табл. 2.3), что обеспечивает выполнение условия I_ст>I_ст min..

Промышленностью выпускаются резисторы с номинальным сопротивлением от долей Ома до нескольких Мом. Все номинальные значения сопротивлений в пределах 10ⁿ…10ⁿ⁺¹ Ом распределены в соответствии со стандартизованными рядами Е6, Е12, Е24 и др., каждый из которых соответствует определенному допустимому отклонению от номинального значения (см. табл. 2.3). Цифра после буквы «Е» в обозначении ряда указывает количество чисел в декаде данного ряда. Кратные или дольные значения ряда получаются умножением чисел ряда на множитель 10ⁿ, где n – целое число.

Таблица 2.3

Ряды Е12 и Е24 номинальных сопротивлений резисторов

Индекс ряда	Номинальные значения (единицы Ом, кОм, МОм и т.д.)						Допустимое отклонение
Е12	1	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8	±10%
	1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,2
Е24	1	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8	±5%
	1,1	1,6	2,4	3,6	5,1	7,5
	1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,2
	1,3	2,0	3,0	4,3	6,2	9,1

Поскольку сопротивление выбранного резистора меньше расчетного по (2,6), то необходимо выполнить проверочный расчет максимального тока стабилитрона, который не должен быть выше допустимого значения: I_{расч maxт}<I_ст max. Расчет проводится по выражениям (2.3) и (2.6) для максимального входного напряжения до (1,1) при отсутствии тока нагрузки (I_н0):