Стабилизаторы напряжения и тока с нелинейными элементами

Общие сведения о стабилизаторах напряжения и тока с нелинейными элементами

Одни потребители электрической энергии для нормальной ра­бом требуют стабильного напряжения, а другие, например ксеноновые лампы, требуют стабильности питающего их тока. По этой причине вопросы стабилизации напряжения и тока имеют большое практическое значение.

Разберем сущность работы стабилизаторов напряжения и тока.

Изменения в режиме работы приемников электрической энер­гии, вызывающие необходимость в стабилизации, могут иметь мес­то в трех случаях:

1) при неизменном сопротивлении потребителя изменения напряжения и тока могут быть вызваны изменением питающего напряжения;

2) при неизменном питающем напряжении изменения тока и напряжения потребителя могут вызываться из­менением величины его сопротивления;

3) изменения тока и на­пряжения потребителя могут быть вызваны одновременными из­менениями питающего напряжения и сопротивления потреби­теля.

Стабилизация во всех случаях может быть осуществлена толь­ко с помощью элементов, обладающих нелинейной электрической характеристикой, т. е. элементов, не подчиняющихся закону Ома. Два возможных варианта такой электрической характерис­тики изображены на рис. 1, а и б. Свойства электрической цепи, содержащей нелинейный элемент НЭ и некоторое добавочное со­противление R (рис. 2), можно пояснить графическим мето­дом. Для этого помимо характеристики нелинейного элемента следует изобразить характеристику сопротивления R, отложив ее от точки, соответствующей приложенному к цепи напряжению U₀. Рабочая точка N (рис. 21, а и б) режима цепи определится пересечением характеристик.

Если теперь изменим напряжение питания на величину ∆U₀, то рабочая точка займет новое положение - N'. При этом на нели­нейном элементе с электрической характеристикой, изображенной на рис. 1, а, мало изменится напряжение, а на нелинейном элементе с характеристикой, изображенной на рис. 1, б, будет не­значительное изменение тока.

Следовательно, нелинейный элемент с электрической харак­теристикой первого типа (рис. 21, а) может быть использован для стабилизации напряжения на сопротивлении потребителя (Z_H), если последний подключить параллельно нелинейному эле­менту). Элемент с электрической характеристикой второго типа (рис. 21, б) может быть использован для стабилизации тока, если нагрузочное сопротивление будет включено последовательно с нелинейным элементом.

Рисунок 21 Электрические характеристики нелинейных элементов, пригодных: а — для стабилизации напряжения;

б — для стабилизации тока

Рисунок 22 Схема включения нелинейного элемента с добавочным сопротивлением для стабилизации напряжения

Нетрудно заметить, что эффективность стабилизации напря­жения тем больше, чем больше рабочий участок электрической характеристики стабилизирующего элемента приближается к вер­тикальной линии. Подобной характеристикой обладает, например, газоразрядная лампа.

Для стабилизации тока желательно иметь стабилизирующий элемент с электрической характеристикой, приближающейся в рабочем диапазоне к горизонтальной прямой. Такой характери­стикой обладает, например, стабилитрон.

Отношение ∆U/∆I - для данной рабочей точки характеристики называется динамическим сопротивлением нелинейного элемента. Для стабилизаторов напряжения желательно иметь нелинейные элементы с динамическим сопротивлением близким к нулю, а для стабилизаторов тока желательно, чтобы динамическое со­противление стремилось к бесконечности.

Для оценки эффективности стабилизатора служит коэффи­циент стабилизации. Он определяется как отношение относительных изменений переменного параметра к относитель­ным изменениям стабилизируемого параметра. Если за пере­менный параметр принять напряжение питания U₀, то для слу­чая стабилизации напряжения коэффициент стабилизации

Кроме коэффициента стабилизации эффективность работы стабилизаторов напряжения и тока оценивается диапазоном ста­билизации, КПД и инерционностью устройства.

Диапазоном стабилизации называется ин­тервал изменения переменного параметра, в пределах которого относительные изменения стабилизируемого параметра не пре­вышают заданных значений.

Инерционность стабилизатора оценивается време­нем, по истечении которого стабилизатор реагирует на изме­нения переменного параметра.

Стабилизаторы переменного тока дополнительно характери­зуются коэффициентом мощности и коэффициентом искажения формы кривой, а стабилизаторы постоянного тока - выходным сопротивлением и коэффициентом фильтрации.

Стабилизаторы напряжения с кремниевыми стабилитронами

Принцип действия кремниевых стабилитронов.

Если к полу­проводниковому диоду приложить обратное напряжение, то в области электронно-дырочного перехода образуется запирающий слой, в котором практически отсутствуют носители зарядов. При малых значениях обратного напряжения наличие небольшого обратного тока объясняется тепловой ионизацией, вследствие которой образуются элементарные носители зарядов: электроны и дырки. Электроны при этом двигаются к плюсу внешнего ис­точника, а дырки - к его минусу. Чем больше величина приложенного обратного напряжения, тем быстрее в полупровод­нике движутся заряды. При некотором значении обратного на­пряжения, называемом пороговым напряжением U_пор, скорости носителей зарядов достигают такой величины, при которой столк­новение носителей зарядов с атомами полупроводника сопро­вождается расщеплением последних на электроны и положитель­ные ионы, которые в свою очередь при движении расщепляют другие атомы и т. д. Такой процесс называется ударной иониза­цией.

Некоторая неравномерность электрического поля в различ­ных точках электронно-дырочного перехода приводит к тому, что процесс ударной ионизации вначале происходит только в от­дельных наиболее слабых участках перехода и величина про­ходящего через диод тока не стабильна. В дальнейшем ударная ионизация охватывает все большие участки электронно-дыроч­ного перехода, при этом даже незначительные превышения порого­вого напряжения вызывают резкое увеличение проходящего че­рез диод тока. Вследствие рекомбинаций части носителей зарядов в самом полупроводнике процесс ударной ионизации не увели­чивается до бесконечности, а устанавливается на некотором опре­деленном уровне.

При уменьшении обратного напряжения процесс ударной ионизации прекращается и в полупроводниковом диоде вновь восстанавливается односторонняя электропроводность.

Рассмотренный процесс обратимого пробоя справедлив только для кремниевых диодов. В германиевых диодах из-за наличия дополнительной тепловой ионизации наступает так называемый необратимый тепловой пробой. В кремниевых диодах вследствие высокой температурной стабильности кремния теплового пробоя не наступает.

Вольтамперная характеристика и параметры кремниевых стабилитронов

На рис. 23 изображена вольтамперная характери­стика кремниевого электронно-дырочного перехода. Отличитель­ной особенностью характеристики является постоянство напря­жения пробоя в широком диапазоне изменений обратного тока. Эта особенность позволяет использовать кремниевые диоды для стабилизации напря­жения.

Кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, носят название опорных диодов или крем­ниевых стабилитронов.

Р абочим участком является диапазон от I_min до I_max в области электрического пробоя – на этом участке КС обладает малым сопротивлением току – на этом участке большим изменения тока соответствует малые изменения напряжения.

Рисунок 23 - ВАХ электронно-дырочного перехода КС

R_б – ограничивает ток через КС, его величина рассчитывается

R_б =

U_с – напряжение сети

Одним из главных параметров стабилитрона является температурный коэффициент стабилизации напряжения _ст – он характеризует относительное изменения U_ст при изменении t⁰ окружающей среды на 1⁰ С.

_ст – положительное при лавинном пробое;

_ст – отрицательное при туннельном пробое;

Если необходимо поддерживать неизменным напряжение, большее по величине, чем номинальное установленного прибора, то можно последовательно соединить несколько стабилитронов (количество определится отношением необходимого стабилизированного напряжения к номинальному напряжению прибора).

Если поддерживать стабильным надо напряжение небольшой величины ( в пределах 1В), то можно применять стабистор, рабочий участок которого выбирается на прямой ветви ВАХ.

Промышленностью выпускаются кремниевые стабилитроны типов Д808 - Д813. Эти стабилитроны могут быть использованы в стабилизаторах, рассчитанных на выходное напряжение от 7 до 14В.

Для получения более высоких стабилизированных напря­жений отечественной промышленностью освоено производство полупроводниковых кремниевых стабилитронов серии 2С (2С920А, 2С930А, 2С950А, 2С980А). Применение таких стабилитронов по­зволяет получить стабилизированные напряжения от 120 в (ста­билитрон 2С920А) до 180 в (стабилитрон 2С980А).

Схемы стабилизаторов напряжения с кремниевыми стабили­тронами. На рис.24 изображена схема простейшего стабилизатора напряжения с применением кремниевого стабилитрона (КС).

При значениях входного напряжения, меньших порогового напряжения U _пор, ток, проходящий через стабилитрон, практи­чески равен нулю и стабилитрон оказывается запертым. При величине входного напряжения, равной пороговому значению, в стабилитроне начинается процесс ударной ионизации, сопровожда­емый увеличением тока. Дальнейшее повышение входного напря­жения приводит к тому, что напряжение на выходе стабилизатора изменяется незначительно, т. е. осуществляется стабилизация напряжения.

Рисунок 24. Схема включения КС

Величина сопротивления нагрузки R_н определяет минималь­ный ток стабилитрона, соответствующий началу стабилизации. Балластный резистор R₆ ограничивает наибольший ток стабили­трона при максимальном значении входного напряжения.

Выбор сопротивлений резисторов R₆ и R_н обусловливается диапазоном изменений входного напряжения и величиной пре­дельно допустимого тока для взятого типа стабилитрона. Обычно величина максимального тока, проходящего через стабилитрон, бе­рется значительно меньше его предельно допустимого значения. Объясняется это тем, что при большом токе наблюдается разо­грев стабилитрона, вследствие чего изменяется величина его порогового напряжения, а это приводит к изменению величины номинального выходного напряжения.

Коэффициент стабилизации определяется как от­ношение относительного изменения напряжения на входе ста­билизатора к относительному изменению напряжения на его выходе, т. е.

величина коэффициента стабилизации будет выше при условии, что ВАХ балластного сопротивления пересекает ВАХ стабилитрона в рабочей точке (I_ном) и чем больше значение сопротивлений резисторов R_б и Rн.

Более высокий коэффициент стабилизации дает мостовая схема, изображенная на рис. 25, а. Эта схема обладает идеальными ста­билизирующими свойствами в том случае, когда характеристика зависимости напряжения на стабилитроне от входного на­пряжения и характеристика зависимости напря­жения на сопротивлении R_э от входного напряжения в рабочем диапазоне имеют одинаковую крутизну. В этом легко убедиться, если обратиться к графику, изображенному на рис. 25, б.

Рисунок 25 Мостовая схема стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном (а); характеристика стаби­лизации напряжения (б)

В практических условиях для точной настройки стабилизатора резистор R_э делается переменным. Изменением величины этого сопротивления удается получить одинаковую крутизну харак­теристик и тем самым обеспечить высокую точность стабилизации.

Н а рис. 26 дана схема стабилизатора переменного напряже­ния.

Рисунок 26 Схема стабилизатора переменного напряже­ния

В стабилизаторе применена схема моста, в одном плече ко­торого включены встречно-последовательно два кремниевых ста­билитрона: КС₁ и КС₂. Эти стабилитроны работают поочередно, при этом работа каждого из них продолжается в течение одного полупериода приложенного напряжения. Схема дает значитель­ные искажения формы напряжения, получающиеся в основном за счет третьей гармоники. Для подавления третьей гармоники на выходе стабилитрона обычно ставится фильтр. В этом случае на выходе фильтра получается стабилизированное напряжение, имеющее практически неискаженную форму.

Для повышения рабочего напряжения до нужной величины во всех рассмотренных схемах вместо одного кремниевого ста­билитрона может быть включено несколько стабилитронов последовательно. Качество всей последовательной цепочки стабилитро­нов при этом равно качеству одного стабили­трона. Использование параллельного включения кремниевых стабилитронов для повышения мощности рассеяния не дает желаемого результата, так как в этом случае весь ток будет проходить через стабилитрон, имеющий наи­меньшую величину порогового напряжения. Подобрать стабилитроны с абсолютно одинаковыми значениями порогового напряжения практически невозможно. В практических схемах иногда применяется переменно-параллельное включение двух или даже трех кремниевых стабилитронов, однако такое вклю­чение производится не для повышения мощности рассеяния, а иск­лючительно с целью увеличения надежности работы стабилизатора.