9.5 Стабилизаторы напряжения и тока

В измерительных устройствах, в устройствах автоматики и радиотехнических схемах часто необходимо стабилизировать величины напряжения или тока, т. е. выполнять их независимыми от колебаний питающего напряжения или колебаний сопротивления нагрузки. Для этой цели применяют стабилизаторы напряжения и тока.

Стабилизатор напряжения – устройство, поддерживающее постоянное значение напряжения на нагрузке с заданной точностью при изменении питающего напряжения в определенных пределах.

Стабилизатор тока – устройство, обеспечивающее постоянное значение тока в нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки или напряжения сети в определенных пределах. Когда сопротивление нагрузки постоянно, стабилизация тока приводит также и к стабилизации напряжения.

Качество работы стабилизатора оценивается величиной коэффициента стабилизации, представляющего собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному намерению напряжения (тока) на выходе стабилизатора. Коэффициент стабилизации по напряжению

(9.3)

где

Коэффициент стабилизации по току

(9.4)

где

Для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока между выпрямителем с фильтром и нагрузкой (потребителем) ставят стабилизаторы постоянного напряжения. Выходное напряжение стабилизатора зависит как от входного напряжения стабилизатора, так и от тока нагрузки (выходного тока):

Uвых = f(Uвх,Iвых)

(9.5)

По принципу работы стабилизаторы делятся на два вида: параметрические и стабилизаторы, работающие по отклонению (компенсационные).

Суть параметрического метода в том, что для стабильного напряжения используется свойство нелинейных сопротивлений изменять свою величину в зависимости от протекающего через них тока или приложенного напряжения. Примером таких сопротивлений служат стабилитроны, конденсаторы с сегнетодиэлектриком, трансформаторы с насыщенным магнитопроводом.

П

I_ст+I_вых

I_вых

араметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой – полупроводникового стабилитрона. Напряжение стабилитрона на участке обратимого электрического пробоя почти постоянно при значительном изменении обратного тока через прибор. Схема параметрического стабилизатора на рисунке 9.9, а.

I₁ I₂

I_вых

Рисунок 9.9 – Параметрический стабилизатор (а) и внешняя

характеристика выпрямителя (б) со стабилизатором (кривая 2)

и без стабилизатора (кривая 1)

Входное напряжение стабилизатора должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона U_ст. Для ограничения тока через стабилитрон устанавливается балластный резистор R_б. Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Часть входного напряжения U_вх теряется на резисторе R_б, оставшаяся часть приложена к нагрузке:

Uвх=( Iст+ Iвых) Rб + Uвых

(9.6)

При увеличении U_вх растет ток I_ст, увеличивается падение напряжения на R_б, а U_вых =U_ст. При увеличении сопротивления нагрузки R_н уменьшается ток нагрузки, растет ток через стабилитрон, а падения напряжения на R_б, и на нагрузке неизменны. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току r_ст = ΔU_ст /ΔI_ст – параметр прибора. Тогда имеем, что

и

(9.7)

Выражения (9.7) показывают, что параметры стабилизатора определяются параметрами стабилитрона. Обычно для параметрических стабилизаторов K_ст не более 20 – 40, а R_вых – от нескольких Ом до сотен Ом.

Когда такие показатели оказываются недостаточными, применяют компенсационные стабилизаторы – вид стабилизатора, представляющий собой систему автоматического регулирования выходного напряжения, работающую по принципу отклонения.

Н

i_вых

а рисунке 9.10 приведена простейшая схемакомпенсационного стабилизатора, в котором нагрузка подключена к источнику входного напряжения через регулирующий нелинейный элемент – транзистор.

Рисунок 9.10 – Схема компенсационного стабилизатора с ОУ

На базу транзистора через ОУ подается сигнал обратной связи. На вход ОУ поступают напряжения с высокоомного резистивного делителя и эталонное (опорное) напряжение U₀ . Работа стабилизатора в следующем. Предположим, что увеличилось входное напряжение U_вх и напряжение на выходе U_вых. При этом на инвертирующий вход ОУ подается положительное приращение напряжения ΔU_выхγ, а на выходе ОУ возникает отрицательное приращение напряжения ΔU_б. К управляющему эмиттерному переходу транзистора VТ приложена разность базового и эмиттерного напряжений ΔU_б – ΔU_вых.

ΔUбэ = ΔUб –ΔUвых < 0

(9.8)

В рассматриваемом режиме ток транзистора VТ уменьшается и напряжение U_вых снижается практически до первоначального значения. Аналогично отрабатывается изменение U_вых при увеличении (уменьшении) R_н: изменится U_вых, возникнет ΔU_бэ и изменится ток транзистора I_вых.