7.6. Стабилизаторы напряжения на диодах

При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры к стабильности выходного напряжения предъявляются высокие требования.

Простейшими стабилизаторами напряжения являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока.

Такую вольтамперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 7.33). Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис. 7.34. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном
	Рис. 7.33

	параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно.
Рис. 7.34

Действительно, входное напряжение распределяется между балластным резистором и стабилитроном:

, (7.26)

где - падение напряжения на балластном резистореот протекания токов стабилитронаи нагрузки.

Так как напряжение на стабилитроне в соответствии с вольтамперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка отдо, то приращение входного напряженияравно приращению напряженияна резисторе.

Так как ток нагрузки остается при этом неизменным, то

, (7.27)

т.е. при изменении входного напряжения на значение ток стабилитрона изменяется на значение.

Предположим, что нагрузка изменилась, например, уменьшилось сопротивление резистора , что привело к увеличению тока нагрузки. Так как при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока, то увеличение токавлечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

- коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности, т.е.

; (7.28)

- коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора к относительному приращению напряжения на выходепри постоянной нагрузке

; (7.29)

- выходное сопротивление, равное отношению приращения напряжения на выходе стабилизатора к приращению тока нагрузки

. (7.30)

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 7.35) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики, посколькувсегда существенно меньше

, (7.31)

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне , а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон.

	Записав и учитывая выражение (7.27), найдем в соответствии с формулой (7.29) коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора: (7.32)
Рис. 7.35

Из формулы (7.32) следует, что с ростом сопротивления увеличивается коэффициент стабилизации. Однако при заданных параметрах,,сопротивлениеоднозначно определяется из выражения

, (7.33)

где - номинальный ток стабилитрона (рис. 7.33).

Увеличить сопротивление можно, лишь повысив напряжение, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению величины. Поэтому коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения не превышает 50. Для повышения величиныможно применять каскадное включение стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки .

Одной из основных характеристик параметрического стабилизатора на полупроводниковом диоде является, как и для ключевых схем ограничителей и выпрямителей, зависимость «вход-выход» (рис. 7.36)

	Передаточная характеристика содержит начальную область, которая близка к линейной и аппроксимируется прямой I. Прямая I может быть получена путем анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой диод заменяется эквивалентом (табл. 7.2) для участка 2 ВАХ.
Рис. 7.36

Рабочим участком характеристики «вход-выход» стабилизатора является участок от до, на котором, аппроксимирующийся прямойII. Этот участок характеристики строится в результате анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой диод заменяется эквивалентом (табл. 7.2) для участка 3 ВАХ. Для обоих участков характеристики «вход-выход» в большинстве схем .

Приведенная на рис. 7.37 нагрузочная характеристика стабилизатора также имеет рабочий участок отдо, на котороми для которого, а для участка, где, схема теряет свои стабилизирующие свойства.
	Рис. 7.37

Изменение окружающей температуры приводит к изменению выходного напряжения стабилизатора, которое зависит от - температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитрона, применяемого в схеме.

Средний температурный коэффициент напряжения стабилизации определяется отношением изменения напряжения стабилизации в процентах к абсолютному изменению температуры

. (7.34)

Стабилитроны с напряжением стабилизации меньше 5В имеют отрицательный температурный коэффициент, а стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В - положительный.

Параметрический стабилизатор со стабилитроном, работающим на участке пробоя обратной ветви вольтамперной характеристики, имеет эквивалентную схему рис. 7.35. Поскольку во время работы стабилизатора могут меняться входное напряжение , напряжение стабилизациии ток нагрузки, то полное изменение выходного напряжения определяется как

. (7.35)

Тогда относительное изменение выходного напряжения оценивается коэффициентом нестабильности

,

где - номинальное выходное напряжение.

С учетом эквивалентной схемы рис. 7.35 и соотношения частные производные в уравнении (7.35) могут быть найдены через элементы схемы, что приводит выражение (7.35) к виду

. (7.36)

Если , тогда

, (7.37)

где в имогут быть учтены температурные и временные изменения входного напряжения и напряжения стабилизации.

Так, для учета температурной нестабильности вольтамперной характеристики стабилитрона при изменении температуры на

, (7.38)

где .