Раздел №6 – Стабилизаторы в цепи постоянного тока

Параметрический стабилизатор напряжения

Основные понятия и определения

В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке.

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С – это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: R_С = U₀ / I₀ = tg a .

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

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока : Ð a < Ð b; R_С> R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем – простота исполнения и малое количество элементов, недостаток – отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора состоит из гасящего сопротивления R_Г ,

включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке.

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора. На рисунке изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U₂ = f (I_Н + I_СТ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки I_Н . Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₀ , строим из этой точки характеристику сопротивления R_Г . Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R_Г перемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U₂ = f (I_Н + I_СТ).

Как видно из рисунка, при изменении входного напряжения от U₁_MIN до U₁_MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎ , причем изменение выходного напряжения DU₂ значительно меньше изменения напряжения на входе DU₁ .

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе. Считая, что стабилизатор

нагружен на активное сопротивление R_Н , изменение DU₁ является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочеого участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе DU₁ с реакцией на выходе DU₂ , представляется коэффициентом деления

(1)

Преобразуя (1), имеем

(2)

Из (1) определяем

(3)

Отношение DU₁/DU₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации K_{СТ. Д.},который связан с коэффициентом стабилизации K_СТ._U выражением

(4)

где K₀ = U₂/U₁– коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора.