Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

1. Расчет параметрического стабилизатора постоянного напряжения.

Действие параметрических стабилизато­ров основано на использовании нелиней­ности вольтамперной характеристики неко­торых элементов. Дестабилизирующий фактор (измене­ние напряжения сети или сопро­тивления нагрузки) действует непосредст­венно на параметр нелинейного элемента, что значительно ослабляет воздействие это­го фактора на стабилизи­руемый параметр (выходное напряжение или ток нагрузки). В схемах параметрических ста­билизато­ров постоянного напряжения полупроводниковые кремниевые стабилитроны.

Схемы включения стабилитро­нов не отличаются друг от друга (рис.1). При повыше­нии напряжения питания или при уменьшении тока нагрузки, ток через стабилитрон резко возрастает, что объясня­ется основным свойством его вольтампер­ной характеристики: незна­чительным изме­нением напряжения на стабилитроне при значительном изменении тока че­рез него. В результате возрастает падение напряже­ния на ограничивающем сопротивлении R, на котором падает почти весь избыток вход­ного напряжения. При уменьшении напря­жения питания или увеличении тока нагруз­ки ток через стабилитрон резко уменьшает­ся, что вызы­вает уменьшение падения на­пряжения на R. В обоих случаях выходное напряжение стабили­затора изменяется не­значительно.

а	б

Рис.1.1. Схемы параметрических стаби­лизаторов напряжения

Основным параметром всех стабилизато­ров является коэффициент стабилизации K_ст, представляющий собой отношение относи­тельных изменений входного и выходного напря­жений стабилизатора,

(1.1)

или , (1.2)

где ; ;

I_ст − ток через стабилитрон; R − ограничивающее сопротивление; R_дин − динамическое сопротивление стаби­литрона, определяемое из вольтамперной ха­рактеристики стабилитрона.

При выборе стабилитрона ток нагрузки схемы стабилизатора I_н не должен превышать максимально допустимо­го тока через стабилитрон, указанного в справочниках.

Для расчета схемы стабилизатора долж­ны быть заданы: входное напряжение E₀ и пределы его изменения; выходное стабилизи­рованное напряжение Е_ст; ток нагрузки I_н и пре­делы его изменения.

Рекомендуется следующий порядок рас­чета стабилизаторов.

Выбирают отношение n_ст в пределах 1,4÷2 и ток через стабилитрон I_ст.

Ограничивающее сопротивление опреде­ляют по формуле

. (1.3)

Мощность, выделяемая на резисторе R равна

. (1.4)

При использовании стабилитронов тлею­щего разряда необходимо выполнить ус­ло­вие

,

где R_н − сопротивление нагрузки стабили­затора; Е_з − напряжение зажигания стаби­литрона.

Максимальный и минимальный токи через стабилитрон равны

; , (1.5)

где ∆E₀^' – заданное увеличение (∆E₀^'' – уменьшение) входного напря­жения; ∆I_н^' – заданное увеличение (∆I_н^'' – уменьшение) тока нагрузки.

Значения I_{ст.макс} и I_ст.мин должны ле­жать в пределах, допустимых для выбран­ного ста­билитрона. Для увеличения коэффициента стабили­зации ток через стабилитрон I_ст выбирает­ся минимально возможным.

Для увеличения выходного стабилизиро­ванного напряжения Е_ст можно включить не­сколько стабилитронов последо­ва­тельно (рис.1, б). Если последовательно включены стаби­литроны разных типов, то значения I_{ст.макс} и I_ст.мин должны лежать в пределах, допу­стимых для любого из включенных стаби­литронов. В этом случае значение Е_ст представляет собой сумму напряжений стабилизации всех последовательно включенных стабилитронов, a R_дин – сумму динамических сопротивлений всех стабилитронов.

Для облегчения зажигания последова­тельно включенных стабилитронов тлеющего разряда рекомендуется часть из них шунти­ровать сопротивлениями порядка (0,1÷1) Мом.

Для увеличения коэффициента стабили­зации применяются двухкаскадные схемы ста­билизаторов, расчет которых производит­ся по приведенным формулам для каждого каскада в отдельности. В случае необходимости можно исполь­зовать напряжение первого каскада Е_ст1 имеющее невысокую стабильность, для пи­тания дополнительной нагрузки R_н1 (рис.1, б). Током нагрузки первого каскада являет­ся сумма токов нагрузок и тока через ста­билитрон второго каскада

I_н1общ=I_н1+I_н2+I_ст2.

Коэффициент стабилизации схемы равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада

K_ст=K_ст1K_ст2.

Рассмотренные схемы стабилизаторов постоянного напряжения обладают также сглаживающим действием. Коэффициент пульсации на выходе схемы K_п.вых уменьшается в K_ст раз по сравнению с коэффициентом пульсации на входе K_п.вх

.

Эта формула справедлива в тех случаях, когда частота пульсации выпрямленного на­пряжения (mf) не влияет на величину ди­намического сопротивления R_дин стабилитро­на. У стабилитронов тлеющего и коронного разряда динамическое сопротивление растет с повы­шением частоты. Заметный рост R_дин начинается при частотах (200÷300) Гц.

Для температурной компенсации напря­жения кремниевых стабилитронов использу­ют такие же стабилитроны или германиевые и кремниевые диоды, включаемые в прямом на­правлении последовательно с основными стабилитронами (рис.1.2). При прямом включении температурный коэффициент напряжения стабилитронов и диодов становится отрица­тель­ным, что позволяет осуществить темпе­ратурную компенсацию основных стабилит­ронов, включенных в обратном направлении и имеющих положительный ТКН. При этом абсолют­ное значение суммарного ТКН (мВ/град) диодов и абсолютное значение ТКН основного ста­билитрона должны быть примерно равны.

а	б

Рис.1.2. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения с термокомпенсацией

У кремниевых стабилитронов и диодов, включенных в прямом направлении, ТКН со­ставляет -(1,4÷1,7) мВ/град, а у герма­ниевых диодов -(1,5÷1,9) мВ/град. Стаби­литрон и тер­мокомпенсирующие диоды дол­жны находиться в одинаковых температур­ных условиях. Ре­гулируя величину допол­нительного тока через компенсирующие ди­оды, можно в небольших пределах изменять их ТКН.

Для расчета этих схем с термокомпенсацией можно пользо­ваться следующими соот­ношениями.

Изменение напряжения стабилитрона в заданном диапазоне температур ∆tº

. (1.6)

Число компенсирующих диодов

. (1.7)

Выходное напряжение

(1.8)

Общее динамическое сопротивление

(1.9)

В этих формулах E_стаб – напряжение стабилитрона, В; ТКН% – его температурный ко­эффициент стабилитрона, %/град; ТКН_д – температурный коэффициент компенсирующих диодов, мВ/град; R_{д.дин.пр} – динамическое сопротивление компенсирующего диода в пря­мом направлении, Ом; ∆E_д – падение напряжения на диоде, В.

Коэффициент стабилизации схемы опре­деляется по тем же формулам (1.1), (1.2) с учетом формул (1.8) и (1.9).