10.2. Источники стабилизированного питания

Стабилизатором напряжения называется устройство, предназначенное для автоматического поддержания постоянства значения электрического напряжения на входах потребителей электрической энергии независимо от колебаний подводимого напряжения и величины нагрузки.

Стабилизаторы подразделяются на параметрические стабилизаторы и стабилизаторы, в которых используются методы автоматического регулирования.

10.2.1. Параметрические стабилизаторы

Параметрические стабилизаторы напряжения содержат элементы, вольтамперная характеристика которых нелинейна. К числу компонентов с нелинейной вольтамперной характеристикой относятся полупроводниковые диоды. Для стабилизации используется, как прямая, так и обратная ветви характеристики. Диоды, применяемые с использованием обратной ветви характеристики, называются стабилитронами. В качестве материала для изготовления стабилитронов используется кремний.

Простейший метод параметрической стабилизации напряжения с помощью стабилитронов заключается в использовании делителей напряжения, в которых одно из сопротивлений является нелинейным [15]. При изменении, например, увеличении тока в цепи из этих двух последовательно соединённых сопротивлений, напряжение на нелинейном сопротивлении практически не меняется. Напряжение не меняется за счёт соответствующего изменения сопротивления стабилитрона. В рассматриваемом случае сопротивление уменьшается.

Рассмотрим рис. 10.6. Резистор R₁ называют гасящим (или балластным). В качестве нелинейного сопротивления применён кремниевый стабилитрон КС.

Рис. 10.6. Схема параметрического стабилизатора.

Характеристика стабилитрона представлена на рис. 10.7. Рассмотрим обратную ветвь этой характеристики.

Рис. 10.7. Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона.

Прямая ветвь характеристики имеет экспоненциальную зависимость от U. На обратной ветви характеристики имеется область лавинного пробоя, определяющая нелинейность этой ветви.

Для анализа устройств, содержащих стабилитроны, удобно пользоваться схемой замещения стабилитрона [15]. Если необходимо достаточно точно отобразить вольтамперную характеристику стабилитрона, следует воспользоваться схемой замещения, приведённой на рис.10.8. Для построения схемы замещения стабилитрона вводят нелинейное сопротивление R_НЕЛ, экспоненциальное сопротивление и источник ЭДС, обозначаемый Е₀. Сопротивление R_ЭКС с экспоненциальной зависимостью между током и напряжением достаточно точно для многих применений отображает прямую ветвь характеристики стабилитрона. Следует учитывать, что применение такой схемы, в простых случаях может привести к неоправданным усложнениям расчётов.

Рис. 10.8. Схема замещения кремниевого стабилитрона

Обратимся к рис. 10.6. На рисунке изображена параллельная схема стабилизации. Нелинейный элемент – стабилитрон и нагрузка, напряжение на которой поддерживается постоянным, включены параллельно. Рассмотрим использование обратной ветви характеристики, рис. 10.7. Задано напряжение на нагрузке (выходное напряжение на стабилизаторе) – U_ВЫХ. Известны: сопротивление нагрузки и пределы изменения входного напряжения U₁ и U₂. Задачей расчёта стабилизатора является определение величины R₁. Будем учитывать, что ток стабилитрона может изменяться только в определённых пределах I_{СТ МИН}≤I_СТ≤I_{СТ МАКС}. Напряжение на нагрузке может изменяться также при изменении сопротивления нагрузки. Пусть R_Н изменяется в пределах от значения R_{Н МИН} до R_{Н МАКС}. Положим, что R₁<<R_Н и ∆U_ВЫХ<<∆U_ВХ. Второе неравенство является задачей стабилизации. С учётом сказанного, расчёт параметрического стабилизатора можно сделать в соответствии с выражениями

Наряду со стабилитронами и стабисторами для стабилизации напряжения можно применять диоды других типов, например светодиоды. Падение напряжения на светодиодах, включённых в прямом направлении, зависит от цвета свечения светодиода возрастая от 1,4 В для инфракрасных светодиодов, до 2,4 В для зелёных.