Стабилизаторы напряжения

Качество работы любого электрического устройства в значительной мере зависит от стабильности напряжения и тока на выходе выпрямительных схем. Основными причинами нестабильности напряжения и тока на выходе выпрямительных устройств являются изменение переменного напряжения на входе выпрямителя и изменение сопротивления нагрузки на его выходе. Для стабилизации постоянных напряжений, снимаемых с выхода выпрямительных устройств, применяют стабилизаторы постоянного напряжения, включаемые между выпрямителем и сопротивлением нагрузки.
Основные показатели, характеризующие работу стабилизатора. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе:
Кст= ДUвх/Uвх : ДUвых/Uвых , где
Uвх и Uвых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора.
ДUвых и ДUвых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора.



Выходное сопротивление, равное отношению изменения выходного напряжения к изменению ток нагрузки:
Rвых= Д Uвых/Д Iн
Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной мощности на входе стабилизатора:
n=UвыхIн/UвхIвх
Существуют стабилизаторы напряжения двух принципиально различных групп: параметрические и компенсационные. На практике часто встречаются их комбинации.
В параметрических стабилизаторах напряжения используется п/п прибор с нелинейной зависимостью между током и напряжением - кремниевый стабилитрон. Стабилитрон включается таким образом, чтобы при колебаниях входного напряжения выходное напряжения практически не изменялось. Стабилитрон подключается параллельно нагрузочному резистору Rн, на котором необходимо поддерживать постоянное напряжение. В неразветвленную цепь схемы последовательно со стабилитроном включен балластный резистор Rб, по которому проходит ток I1=Iст+Iн . Стабилитрон работает в области пробоя, и рабочая точка в режиме стабилизации перемещается в пределах всего рабочего участка характеристики от Iст.мин до Iст.мах. Так как характеристика стабилитрона почти параллельна оси токов, то и напряжение на нагрузке практически не изменяется. Напряжение на входе схемы Uвх=I1Rб+Uст=Urб+Uст, где
Uст=Urн= Uвых
При изменениях напряжения Uвх меняется ток I, протекающий через сопротивление балластного резистора, за счет изменения тока стабилитрона Iст. Предположим, входное напряжение Uвх увеличилось на некоторое значение Д Uвх. При этом должно увеличиться и напряжение Uн на сопротивлении нагрузки Rн. Но стабилитрон,как видно из его характеристики, работает в таком режиме, что незначительное повышение напряжения на нем вызывает резкое возрастание тока стабилитроне Iст. Это приводит к увеличению тока I1, проходящего через балластный резистор, и к увеличению падения напряжения Urб на нем. В результате все приращение входного напряжения оказывается приложенным к балластному сопротивлению Rб, п напряжение на нагрузку практически окажется неизменным.
Другое объяснение.
Rб и стабилитрон можно представить как резистивный делитель. При увеличении Uвх должно увеличиться падение напряжения на стабилитроне, т.е. Uвых. Но, согласно характеристики стабилитрона, при этом увеличивается ток через него. Значит уменьшается внутреннее сопротивление стабилитрона. Следовательно увеличивается падение напряжения на Rб, которое почти полностью компенсирует увеличение Uвх. При уменьшении Uвх сопротивление стабилитрона увеличится.

Увеличится и падение напряжения на нем, что скомпенсирует уменьшение Uвх. При изменении тока нагрузки Iн произойдет перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой почти без изменения тока I1. Допустим, ток Iн увеличится. Это должно было бы привести к уменьшению напряжения на нагрузке ввиду дополнительного падения напряжения на Rб. Но незначительное уменьшение напряжения на стабилитроне приводит к резкому изменению тока в нем. В результате ток I1 в резисторе Rб, а следовательно, и падение напряжения на нем уменьшаться, а выходное напряжение на нагрузке останется практически постоянным.
Другое объяснение.
Rн стоит параллельно стабилитрону и вместе с ним входит в нижнее плечо резистивного делителя. При изменении Rн изменяется ток через стабилитрон и его сопротивление, которое компенсирует изменение Rн. Для увеличения стабилизированного напряжения применяют последовательное соединение стабилитронов; параллельное соединение стабилитронов не применяют, так как невозможно подобрать стабилитроны с абсолютно одинаковыми параметрами.

Параметрический стабилизатор не позволяет регулировать выходное напряжение, имеет сравнительно небольшей коэффициент стабилизации (порядка нескольких десятков); ввиду инерционности стабилитрон не может работать при быстрых изменениях входного напряжения и тока нагрузки, обладает температурным дрейфом. В связи с этим стабилизатор на кремниевом стабилитроне применяют для питания слаботочных полупроводниковых схем, а также в качестве источника опорного напряжения в более мощных компенсационных стабилизаторах.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения. Компенсационные стабилизаторы состоят из трех основных элементов: сравнивающего, усилительного и регулирующего, а также источника опорного напряжения.





По способу включения регулирующего элемента компенсационные стабилизаторы бывают последовательного и параллельного типов. Наибольшее применение нашли стабилизаторы последовательного типа. Изменение напряжения на выходе стабилизатора, например в сторону уменьшения, вызывает соответствующее изменение тока в цепи делителя напряжения базы транзистора Т3. Падение напряжения на резисторе R4 и регулировочном резисторе R3 уменьшается. Потенциал базы транзистора Т3 становится более положительным и несколько закрывает транзистор Т3. В схеме стабилизатора транзистор Т3 выполняет функцию элемента сравнения стабилизированного напряжения эмиттера Uоп и нестабилизированного напряжения базы U2вых, которое изменяется в зависимости от напряжения на выходе стабилизатора Uвых. Так как транзистор Т3 подзакрывается, то его внутреннее сопротивление увеличивается, ток в цепи и падение напряжения на резисторе коллектора R1 уменьшаются. Потенциал коллектора транзистора Т3, а также базы транзистора Т2 становится более отрицательным и еще больше открывает транзистор Т2. Внутреннее сопротивление транзистора Т2 уменьшается, ток в цепи и падение напряжения на резисторе R6 увеличиваются, потенциал эмиттера транзистора Т2, а также базы транзистора Т1 становится более отрицательным и еще больше открывает транзистор Т1. Внутреннее сопротивление транзистора Т1 уменьшается, потенциал эмиттера становится более отрицательным, в результате чего напряжение на выходе увеличивается до заданного значения. Транзистор Т1 выполняет функцию регулирующего элемента. Резистор R5 является балластным резистором стабилитрона Д. Для увеличения коэффициента стабилизации может быть применен многокаскадный усилитель вместо усилителя на транзисторе Т2. В высококачественных стабилизаторах применены специальные меры для защиты схемы и ее элементов от перегрузок и коротких замыканий на выходе. В стабилизаторах последовательного типа чаще всего подвержен перегрузкам регулирующий транзистор. Защита стабилизатора от перегрузок осуществляется или отключением схемы стабилизатора от выпрямителя с помощью специального реле или ограничением потребляемого тока.