Шпоры к экзамену / 07-08

1. Параметрический стабилизатор напряжения. Полупроводниковый стабилитрон. Вольтамперная характеристика и ее параметры, рабочий участок. Схема параметрического стабилизатора. Схема замещения. Графический анализ состояния стабилизатора в режиме вариации входного напряжения. Допустимые пределы входного напряжения. Коэффициент стабилизации.

2. Схема замещения параметрического стабилизатора напряжения в режиме вариации сопротивления нагрузки. Допустимые пределы сопротивления нагрузки.

Параметрический стабилизатор напряжения.

         В схеме выпрямительного устройства, рассмотренного на лекции №2 (рис. 3.1) для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение рассмотрены выпрямитель и сглаживающий фильтр. Напряжение на нагрузке поддерживается постоянным по значению с помощью стабилизатора Ст. Простейший стабилизатор напряжения – параметрический, в котором используются специальный диод – СТАБИЛИТРОН.

Рис.3.1.

         Стабилитрон имеет специфическую вольтамперную характеристику в обратном включении (рис.3.2). При отрицательном напряжении в.а.х. имеет достаточно протяженный участок, на котором напряжение изменяется мало, а ток изменяется значительно.

 Рис. 3.2. Пример вольтамперной характеристики  полупроводникового стабилитрона.

 

 Рис. 3.3. Параметрический стабилизатор напряжения.

а) электрическая схема стабилизатора,

б) схема замещения для малых изменений токов и напряжений (R_диф=ΔU_ст./ ΔI_ст –дифференциальное сопротивление)

в) графическое представление состояния стабилитрона и принципа стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения U_вх.

Принцип стабилизации заключается в следующем.

Схема на рис.3.3а описывается нелинейной системой уравнений:

I₀ - I_ст - I_н  = 0                 (1)

U_ст( I_ст ) - R_н I_н = 0                 (2)

- U_вх  + R_бI₀ + R_нI_н = 0           (3)

 Преобразуем систему к одному уравнения относительно тока I_ст.

Из (1) имеем I_н  = I₀ - I_ст , тогда из (3) следует

- U_вх  + R_бI₀ + R_н ( I₀ - I_ст ) = 0 ,

 отсюда  I₀ = (R_н I_ст  + U_вх ) / (R_б + R_н) и из (2) получаем

U_ст(I_ст) = R_н [ (R_н I_ст + U_вх ) / (R_б+R_н) - I_ст].           (4)

Этот же результат можно получить, если применить к схеме на рис.3.3а преобразование по методу эквивалентного активного двухполюсника, в который включим источник входного напряжения U_вх , балластный резистор R_б и приемник R_н (рис. 3.4).

 Рис. 3.4. Преобразование части схемы методом активного двухполюсника.

Эквивалентный источник имеет ЭДС  E_экв  = U_вх R_н / ( R_н  + R_б )

 и сопротивление R_экв  = R_б R_н / ( R_н  + R_б ).

 После эквивалентнго преобразования схема рис.3.3а приобретает вид (рис.3.5)

Рис.3.5

Из схемы на рис.3.5 получаем уравнение состояния параметрического стабилизатора:

 U_ст ( I_ст ) = E_экв - R_экв I_ст                     (5)

 Если в (5) подставить выражения вместо E_экв  и R_экв, то получим уравнение (4). Применение метода эквивалентного источника позволяет лучше представить физически принцип действия стабилизатора, зависимость его свойств от параметров элементов.

Положим, что сопротивление нагрузки R_н значительно больше сопротивления балластного резистора R_б. Тогда сопротивление нагрузки можно не учитывать и в схеме виден делитель входного напряжения из балластного резистора R_б и стабилитрона VD (рис.3.3а). Состояние цепи устанавливается в соответствие с рис.3.3в в точке A, где пересекаются  ВАХ стабилитрона и прямая линия 1, отсекающая на осях отрезки U_вх1 и U_вх1 /R_б. При увеличении входного напряжения до U_вх2 (линия 2) увеличивается ток стабилитрона (рабочая точка A’), увеличивается напряжение на R_б , а напряжение на нагрузке соответственно  увеличивается на ΔU_н. При этом значение ΔU_н << ΔU_вх, если R_диф <<R_б.

В общем случае состояние стабилитрона можно вычислить с помощью уравнения (5)

Приближенно, если рабочая точка  А стабилитрона находится на участке стабилизации, то  ВАХ стабилитрона на участке стабилизации можно заменить прямой линией:

U_ст( I_ст ) = U₀ +  R_диф I_ст

С учетом этой линеаризации уравнение (5) можно переписать  :

U₀+ R_дифI_ст =E_экв-R_экв I_ст          (6).

         Отсюда следует простое уравнение, если учесть, что  R_экв  >> R_диф:

 I_ст =(E_экв- U₀ )/ R_экв  

 Подставим сюда выражение для E_экв , пренебрегая  R_дифI_ст против U₀ , получаем

I_ст =[U_вх R_н / ( R_н +R_б) - U₀ ] / R_экв = U_вх / R_б - U₀ / R_экв

          Окончательно выражение для напряжения на нагрузке принимает вид:

 U_н=U_ст(I_ст)=U₀+ R_диф[U_вх /R_б - U₀/ R_экв]     (7)

Отсюда следует, что при изменениях входного напряжения:

 ΔU_н=(dU_ст/dU_вх) * Δ U_вх= R_диф /R_б * Δ U_вх

 Отношение приращений напряжения на нагрузке и на входе параметрического стабилизатора равно:

ΔU_н /Δ U_вх  = R_диф /R_б (8)

Из уравнения (7) следует, что при изменениях сопротивления нагрузки так же будет достигаться эффект стабилизации напряжения на нагрузке, если R_диф <<R_н:

ΔU_н=(dU_ст/dR_Н)* Δ R_Н= R_диф / R²_н* U₀ Δ R_вх

 .         В практических случаях параметры схемы и стабилитрона подбираются таким образом, чтобы рабочая точка на в.а.х. стабилитрона перемещалась в пределах участка стабилизации (I_ст.мин ,I_{ст.макс} ) при необходимом U_ст., которые записаны в паспорте стабилитрона.

          С помощью параметрического полупроводникового стабилизатора напряжения можно получить коэффициент стабилизации

K_ст. = (ΔU_вх /U_вх )/ (ΔU_вых /U_вых ) <=100.

          Во многих случаях это значение оказывается недостаточным и тогда применяются более сложные «компенсационные стабилизаторы напряжения».

         Заметим так же, что в параметрическом стабилизаторе напряжения нагревание балластного резистора приводит к потерям энергии. Поэтому к.п.д. параметрического стабилизатора напряжения не превышает 30%.