Лабораторная «Параметрические стабилизаторы»

Параметрические стабилизаторы

1. Стабилизаторы напряжения и тока

Так как напряжение на выходе выпрямительных устройств или аккумуляторных батарей под воздействием дестабилизи­рующих факторов (изменения напряжения питающей сети, сопротивления нагрузки и температуры окружающей среды) может изменяться в значительных пределах, то для обеспечения его постоянства и поддержания в заданных пределах применяют регулирующие устройства и стабилизаторы напряжения. В них используют противоэлементы, угольные   регуляторы, тиристоры, дроссели насыщения, феррорезонансные и полупроводниковые стабилизаторы.

     Виды стабилизаторов

1. По роду напряжения (тока) все стабилизаторы можно разделить на два типа – постоянного или переменного тока.
2. По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным, а с параллельным включением — шунтовым. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

3. По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1 Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания малых ЭВМ и маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др.

Основным параметром стабилизаторов является коэффициент стабилизации К_стU, характеризующий стабиль­ность выходного напряжения U_H при изменении входного напряже­ния U_ях, он показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабили­затора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменений на входе:

     Коэффициент стабилизации К_стI для стабилизатора тока по входному напряжению при постоянной нагрузке показывает, во сколько раз относительное изменение тока нагрузки меньше выз­вавшего его относительного изменения напряжения на входе:

Параметрические стабилизаторы напряжения. Одним из простей­ших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рис. 5.9, а). Кремниевый диод (стабили­трон) VD1, включенный в обратном направлении, является стабили­зирующим элементом. При малом обратном напряжении через стабилитрон протекает ток, мало зависящий от напряжения, как и в обычных диодах. Увеличение этого напряжения вызывает электрический пробой запорного слоя стабилитрона. В этом состоянии изменение тока в широких пределах почти не вызывает изменения напряжения на стабилитроне. Если мощность, выделяе­мая на стабилитроне, не превышает допустимую, то состояние пробоя может существовать бесконечно долго (десятки тысяч часов) и повторяться при включении и выключении диода. Это напряжение пробоя и является напряжением стабилизации U_ст.

Точка А на вольт-амперной характеристике стабилитрона (рис. 5.9, 6) соответствует пробою стабилитрона, который происхо­дит при напряжении U_стmin. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения U_cтmax при максимальном токе I_стmax (точка В), что соответствует максимальной мощности рассеяния. При дальнейшем увеличении тока мощность, выделяемая на стабилитроне, превысит допустимую и может произойти тепловой пробой (разрушение p-n-перехода).

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона тоже достаточно крутая, и может быть использована для стабили­зации малых напряжений от 0,5 до 0,8 В при включении стабили­трона в прямом направлении.

В схеме (см. рис. 5.9, а) через ограничивающий резистор R_о протекает общий ток I₀ = I_ст + I_н. При этом входное напряжение U_BX распределяется на резисторе R_o и на нагрузке R_Н: U_BX = U_R + U_Н = I₀R₀ + I_HR_H.

При увеличении входного напряжения в начальный момент времени напряжение на нагрузке также стремится к увеличению. Это незначительное изменение напряжения, прикладываемого к ста­билитрону (в соответствии с его вольт-амперной характеристикой), вызывает резкое увеличение тока, протекающего через него. При этом возрастает и общий ток I₀, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем сопротивлении R_o. Следовательно, изменение напряжения на входе стабилизатора рас­пределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке =+.

С уменьшением входного напряжения уменьшается ток стабилитрона и снижается падение напряжения на сопротивлении R_o. Таким образом, все изменения входного напряжения будут ском­пенсированы изменением падения напряжения на гасящем сопро­тивлении. Колебания напряжения на нагрузке будут определяться изменениями напряжения на стабилитроне , т.е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся простота схемы, низкая стоимость, небольшие масса и габаритные размеры. А к недостаткам довольно значительное выход­ное сопротивление; невозможность получения точно определен­ного значения выходного напряжения, а также плавной его регули­ровки; невысокий коэффициент стабилизации напряжения порядка 20-60; к. п. д. 30%; маломощны.

Для получения больших токов нагрузки, значительно превы­шающих токи стабилитрона, а также получения более высоких качественных показателей применяют компенсационные стабилиза­торы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения.

Основными элементами компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рис. 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УНТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два типа: параллельный и после­довательный.

Изменения входного напряжения или тока нагрузки в ком­пенсационных стабилизаторах вызывают отклонения выходного напряжения от номинального. Эти изменения сравниваются с опорным напряжением и через усилитель постоянного тока УПТ подаются на регулирующий элемент РЭ и изменяют его соп­ротивление. В компенсационных стабилизаторах напряжения па­раллельного типа (см. рис. 5.10. а) это вызовет изменение тока, протекающего через резистор R_o, и падение напряжения на нем. В компенсационных стабилизаторах напряжения последовательно­го типа (см. рис 5.10, б) изменится падение напряжения непосредст­венно на самом регулирующем элементе РЭ. В обоих случаях действие РЭ будет сводиться к поддержанию выходного напря­жения в заданных пределах, т.е. к его стабилизации.