Тема 4. Параметрический стабилизатор напряжения. Коэффициент стабилизации

1. Ключевые положения

Рисунок 4.1 – Амплитудная характеристика идеального параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизаторы напряжения предназ-начены для обеспечения постоянства выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов: при изменении входного напряжения, при изменении сопротивления нагрузки, при изменении напряжения питания и других факторов.

На рис. 4.1 приведена амплитудная характеристика U_вых = f(U_вх) идеального стабилизатора напряжения. Из этой характеристики видно, что, начиная с входного напряжения U_вх = U_0ст, дальнейший рост входного напряжения не вызывает изменения выходного напряжения U_вых, т.е. осуществляется стабилизация.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения (рис. 4.2) является делителем входного напряжения U_вх с ограничительным резистором R_огр в верхнем плече и стабилитроном VD в нижнем.

Рисунок 4.2 – Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизация достигается тем, что избыток входного напряжения

(U_вх – U_ст) гасится на ограничительном резисторе R_огр.

Поскольку стабилизатор является делителем напряжения, то при І_н << І_ст, т.е. при большом сопротивлении нагрузки R_н, входное напряжение распределяется между его плечами по закону Кирхгофа, и поэтому выходное напряжение равно

U_вых = U_вх – І_ст R_огр. (4.1)

Из (4.1) следует, что единственной возможностью стабилизировать выходное напряжение (U_вых = const) является увеличение тока І_ст при увеличении входного напряжения U_вх > U_0ст.

Тогда идеальная ВАХ VD должна иметь вид, представленный на рис. 4.3, а именно: до какого-то определённого напряжения на стабилитроне (U_ст < U_0ст) ток стабилитрона І_ст отсутствует. Поэтому, как следует из (4.1), U_вых = U_вх, т.е. стабилизации нет.

Когда же напряжение на стабилитроне превысит напряжение стабилизации (U_ст > U_0ст), то появится ток стабилитрона І_ст, который вызовет падение избыточного напряжения І_стR_огр на резисторе R_огр, из-за чего выходное напряжение U_вых останется неизменным.

Стабилитрон, условное обозначение которого приведено на рис. 4.4, имеет ВАХ, близкую к идеальной (рис. 4.5).

VD

VD

Рисунок 4.3 – ВАХ идеального элемента стабилизации

Рисунок 4.4 – Стабилитрон: а) условное обозначение; б) полярность обратного напряжения

Рисунок 4.5 – ВАХ стабилитрона

Принцип действия стабилитрона можно пояснить следующим образом. При подаче обратного напряжения в стабилитроне возникает электрический пробой р-n-перехода, вызывающий неограниченный рост обратного тока из-за увеличения концентрации электронов в зоне проводимости.

Из рис. 4.5 видно, что большому изменению тока (І_{ст max} – І_{ст min}) сопутствует незначительное изменение обратного напряжения стабилитрона (U_{ст max} – U_{ст min}), т.е. оно остаётся стабильным. Это явление и используется в стабилизаторах напряжения.

Стабилизатор выполняет свои функции лишь при условии І_н << І_{ст min}, т.е. при большом сопротивлении нагрузки R_н >> R_огр .

Для объяснения принципа действия стабилизатора найдём уравнение линии нагрузки. По закону Кирхгофа входное напряжение U_вх распределяется между стабилитроном VD и ограничительным сопротивлением R_огр (см. рис. 4.2):

U_вх = U_ст + І_ст R_огр, (4.2)

откуда

І_ст = , (4.3)

где U_ст – обратное напряжение на стабилитроне, являющееся выходным.

Выражение (4.3) является уравнением линии нагрузки. Поскольку относительно осей координат (U_ст, I_ст) уравнение (4.3) первой степени, то линией нагрузки является прямая, которая при U_вх = U_вх1 строится по двум точкам 1 и 2 (рис. 4.6).

Точка 1: І_ст = 0, из уравнения(4.3) получаем: U_ст = U_вх1.

Точка 2: U_ст = 0, из уравнения (4.3) получаем: I_ст = .

Рисунок 4.6 – Диаграмма работы параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизатор работает следующим образом.

Найдём изменение выходного напряжения при изменении входного. Пусть выходное напряжение возросло от U_вх1 до U_вх2. Тогда линия нагрузки сместится параллельно относительно самой себе (точки 3; 4). Из рис. 4.6 видно, что изменение выходного напряжения намного меньше изменения входного ( << ), т.е. выходное напряжение стабильно.

Наличие стабилизации объясняется следующим образом.

Выходное напряжение по закону Кирхгофа равно

U_вых = U_вх – І_ст R_огр. (4.4)

При малом входном напряжении электрический пробой стабилитрона VD не наступает, и поэтому его цепь фактически разорвана (І_ст = 0). Поэтому, как видно из формулы (4.4), выходное напряжение повторяет входное (U_вх = U_ст), т.е. стабилизации нет.

Когда же входное напряжение велико , стабилитрон VD пробивается. Появляется ток стабилитрона І_ст > 0:

І_ст = , (4.5)

создавая падение напряжения І_ст R_огр на ограничительном резисторе R_огр. Чем выше входное напряжение, тем больше ток І_ст и, как следствие, больше падение напряжения І_ст R_огр. Так избыток входного напряжения (U_вх – U_ст) падает на R_огр, оставляя выходное напряжение U_вых неизменным, т.е. стабильным.

Эффективность стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, который равен отношению относительных изменений входного и выходного напряжений:

. (4.6)

Всегда К_ст > 1 и чем больше его значение, тем стабильнее выходное напряжение.