10.4.1 Параметричні стабілізатори напруги

П ринцип дії таких пристроїв грунтується на використанні електронних приладів, які мають нелінійні вольт-амперні характеристики. Як основні регулюючі компоненти в параметричних стабілізаторах напруги (ПСН) широко використовуються кремнієві стабілітрони (розд.3.6.4.).

Для побудови ПСН стабілітрон вмикають паралельно навантаженню R_н (рис.10.8). Послідовно із цими компонентами вмикають обмежувальний (баластний) резистор R_об, oпip якого має бути значно більший, ніж диференціальний опір стабілітрона r_z. Чим більше відношення R_об/r_z, тим краща стабілізація напруги.

Стабілізатори напруги повинні забезпечити збереження постійної напруги на навантажені (U_н = сonst), у разі зміни напруги в електричній мережі або струму навантаження. У першому випадку змінюється напруга на виході випрямляча, тобто на вході стабілізатора (Е), у другому – збільшується або зменшується струм навантаження І_н.

Якщо напруга на вході стабілізатора Е під час роботи змінюється в обох напрямах відносно деякого значення U_z, то робочу точку С на ВАХ стабілітрона вибирають посередині робочої ділянки (рис.3.8), де струм стабілітронаІ_z = 0,5І_z mах.

Напруги на вході, виході та струми стабілізатора зв’язані рівняннями:

Е = U_z+ І₀R_об = U_z + R_об(І_z + І_н);

U_н = U_z = E – І₀R_об;

U_ВХ = I₀R_обм + U_ВИХ;

I₀ = I_z + I_H.

Розглянемо стабілізацію напруги у разі коливання напруги в електричній мережі.

Припустимо, що напруга на вході стабілізатора через нестабільність електричної мережі збільшилася на Е. Тоді починаєзростати напруга на стабілітроні та навантаженні. Але навіть незначне збільшення U_z спричинить різке зростання струму стабілітрона І_z ( рис.3.8). Струм, який протікає через обмежувальний резистор R_об,І₀ = І_z+ І_н. Тому, як тільки почне збільшуватися струм стабілітрона, почне збільшуватися і струм через баластний резистор, що, в свою чергу, посилить спад напруги на цьому резисторі:U_об = (І₀ + І_z) R_об.

Автоматична система регулювання напруги на навантаженні (U_н = = U_вх – І₀R_об), робота якої ґрунтується на властивостях ВАХ стабілітрона, забезпечує майже однакові зміни І₀R_об    Е, а отже,

U_н= (Е + Е) – (І₀ + І_z)R_об сonst.

Таким чином, зі збільшенням напруги на вході E параметричний стабілізатор внаслідок особливості ВАХ стабілітрона ( U_z ≈ 0) автоматично збільшує спад напруги на баластному резисторі, що і компенсує (значною мipою) зміну Е. Зрештою напруга на виході, тобто на навантаженні, залишається майже незмінною.

Аналогічно схема працює під час зменшення вхідної напруги. Сталість напруги на виході схеми забезпечується відповідною зміною струму стабілітрона та спадом напруги на обмежувальному резисторі. Параметричний стабілізатор як схема автоматичного регулювання забезпечує необхідний коефіцієнт стабілізації тільки в заданих межах І_z, які визначаються значеннями від І_z mах до І_z mіn.

Якщо напруга мережі (вхідна напруга) нестабільна та змінюється від Е_min до Е_max) за умови, що опір навантаження R_н – постійний, значення резистора R_обм для середньої точки:

де U_сер = 0,5(U_min + U_max) – середнє значення вхідної напруги ПСН; I_сер = 0,5(I_min + I_max) – середній струм стабілітрона:

– струм навантаження.

Другий можливий режим стабілізації реалізується в тому випадку, коли U_вх = const, а R_н змінюється в межах від R_min до R_max. Як приклад розглянемо випадок, коли R_н зменшується, тобто збільшується. Тоді струм у нерозгалуженому колі I₀ = I_z + I_H зростає. При цьому спад напруги на обмежувальному резисторі R_обм повинен був би збільшуватись, а на стабілітроні та навантаженні – зменшуватись. Зменшення напруги на стабілітроні викликає різке зменшення струму у ньому (рис. 3.8), внаслідок чого вхідний струм I₀, падіння напруги I₀R_обм та напруга на навантаженні майже не змінюються. Таким чином ріст струму навантаження на ∆ автоматично приводить до спаду струму стабілітрона на ∆I_Z. Причому ∆ I_H ≈ –∆ I_Z, так що I₀ = I_z + I_H = const, що забезпечує збереження величини напруги на навантажені. Очевидно, що стабілізатор працюватиме в необхідному режимі доти, доки для компенсації зміни струму навантаження буде достатньою зміна струму стабілітрона – від І_z mах до І_z mіn (рис.3.8).

Значення резистора R_обм в цьому випадку можна визначити за середнім значенням струмів:

де I_н.сер= 0,5(I_н.min + I_{н. max}), причому

.

Наведені формули дозволяють вибрати тип стабілітрона і розрахувати елементи параметричного стабілізатора за електричними параметрами та граничними експлуатаційними даними, які наведені у довідниках.

Якість роботи стабілізаторів напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації , який дорівнює відношенню відносної зміни вхідної напруги до відносної зміни напруги на виході:

Експлуатаційними параметрами стабілітрона є: U_Z – напруга стабілізації; ∆U_Zном – розкид значення напруги стабілізації; I_Zmin – мінімально допустимий струм стабілізації; r_ст– диференціальний опір стабілітрона; – температурний коефіцієнт напруги стабілізації.

Параметричні стабілізатори найчастіше використовують для живлення малопотужних блоків ЕС. Головна їх перевага – простота. Із недоліків необхідно виділити:

• неможливість регулювання вихідної напруги на навантаженні;

• невисокий коефіцієнт стабілізації (одиниці, десятки).

Для стабілізації малих напруг (близько 0,7 В) у параметричних стабілізаторах використовують стабістори. Це НД, які мають ділянку ВАХ з майже постійною напругою у разі прямого вмикання. Значення цієї напруги мало залежить від значення струму в деяких його межах. Для одержання стабільної напруги в межах 1 В послідовно з’єднують декілька стабісторів.