ГЛАВА 9. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

§ 9.1. Параметрические стабилизаторы

Стабилизаторы напряжения. При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (пульсации) напряжения питания существенно изменяют режим и параметры электронной схемы.

Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации вьшрямленного напряжения, колебания нагрузки и влажности окружающей среды. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.

Основные параметры стабилизаторов напряжения следующие:

1) коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности

2) коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора к относительному приращению напряжения на нагрузке при постоянной нагрузке:

3) выходное сопротивление, показывающее, во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки

При питании усилителей большое выходное сопротивление стабилизатора приводит к появлению паразитных обратных связей через источник питания, вызывающих изменения параметров усилителей и даже самовозбуждение. Поэтому снижение выходного сопротивления стабилизатора является важной задачей.

Высокую стабильность напряжения питания позволяют получить схемы стабилизаторов напряжения, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напряжение слабо зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 9.1, б).

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис. 9.1, а. Свойства такого стабилизатора определяются в основном параметрами стабилитрона.

В этой схеме колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, остается почти неизменным.

Действительно, входное напряжение распределяется в схеме между балластным резистором и стабилитроном, т. е.

где падение напряжения на резисторе от протекания токов стабилитрона и нагрузки .

Так как напряжение на стабилитроне в соответствии вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока литрона в пределах участка от до , то приращение входного напряжения примерно равно приращению напряжения на резисторе .

Так как ток нагрузки останется при этом неизменным, то можно записать

т. е. при изменении входного напряжения на ток стабилитрона изменится на величину .

Рис. 9.1.

Теперь предположим, что изменилась нагрузка, например уменьшилось сопротивление резистора , что привело к увеличению тока нагрузки. Поскольку при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока , увеличение тока влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 9.1, а) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной характеристики

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне , а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон: .

Записав и учтя выражение (9.5), в соответствии с формулой (9.2) найдем коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора

Из формулы (9.7) следует, что с ростом увеличивается коэффициент стабилизации. Однако при заданных сопротивление резистора однозначно определяется из выражения (9.1):

где — номинальный ток стабилитрона (рис. 9.1, б).

Увеличить можно, если повысить , а это приводит к уменьшению . Поэтому значение коэффициента стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения обычно не превышает 50. Для повышения можно применять последовательное включение стабилизаторов.

Рис. 9.2.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют существенные недостатки, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения, малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки .

Стабилизаторы тока. Основным параметром стабилизаторов тока, кроме выходного сопротивления, является коэффициент стабилизации выходного тока, равный отношению относительного приращения входного тока к относительному приращению тока нагрузки, т. е.

В маломощных параметрических стабилизаторах тока используются элементы с большим сопротивлением по переменному току, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где ток через элемент не зависит от напряжения на нем. Такую характеристику имеют биполярные транзисторы, включенные с общей базой (см. ряс. 4.29), сопротивление которых переменному току составляет несколько мегаом. В качестве стабилизатора тока можно использовать также схему на полевом транзисторе (рис. 9.2), в которой стабилизация тока осуществляется за счет действия глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой , Резистором в цепи истока . Падение напряжения на резисторе "и от протекания тока равно по абсолютной величине напряжению затвор — исток, т. е.

Записав и учитывая, что стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывается выражением

где — ток стока при ; — напряжение затвор — исток при отсечке тока будем иметь

Для обеспечения хорошей стабилизации тока должно быть по возможности большим, так как при увеличении R. возрастает внутреннее сопротивление транзистора, определяемое формулой

где — дифференциальное сопротивление сток — исток, значение которого лежит в диапазоне 80—100 кОм.

Схема стабилизатора тока (рис. 9.2) является двухполюсником и может быть включена вместо любого омического сопротивления. Эта особенность схемы используется для повышения коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения (см. рис. 9.1), заменив в нем балластный резистор стабилизатором тока (рис. 9.2). В этом случае коэффициент стабилизации напряжения может достигать .