Ключевые положения. Стабилизаторы напряжения предназ-начены для обеспечения постоянства выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов: при изменении

Рисунок 4.1 – Амплитудная характеристика идеального параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизаторы напряжения предназ-начены для обеспечения постоянства выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов: при изменении входного напряжения, при изменении сопротивления нагрузки, при изменении напряжения питания и других факторов.

На рис. 4.1 приведена амплитудная характеристика U _вых= f (U _вх) идеального стабилизатора напряжения. Из этой характеристики видно, что, начиная с входного напряжения U _вх= U _0ст, дальнейший рост входного напряжения не вызывает изменения выходного напряжения U _вых, т.е. осуществляется стабилизация.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения (рис. 4.2) является делителем входного напряжения U _вх с ограничительным резистором R _огр в верхнем плече и стабилитроном VD в нижнем.

Рисунок 4.2 – Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизация достигается тем, что избыток входного напряжения

(U _вх– U _ст) гасится на ограничительном резисторе R _огр.

Поскольку стабилизатор является делителем напряжения, то при І _н<< І _ст, т.е. при большом сопротивлении нагрузки R _н, входное напряжение распределяется между его плечами по закону Кирхгофа, и поэтому выходное напряжение равно

U _вых = U _вх– І _ст R _огр. (4.1)

Из (4.1) следует, что единственной возможностью стабилизировать выходное напряжение (U _вых= const) является увеличение тока І _стпри увеличении входного напряжения U _вх> U _0ст.

Тогда идеальная ВАХ VD должна иметь вид, представленный на рис. 4.3, а именно: до какого-то определённого напряжения на стабилитроне (U _ст < U _0ст) ток стабилитрона І _ст отсутствует. Поэтому, как следует из (4.1), U _вых = U _вх, т.е. стабилизации нет.

Когда же напряжение на стабилитроне превысит напряжение стабилизации (U _ст > U _0ст), то появится ток стабилитрона І _ст, который вызовет падение избыточного напряжения І _ст R _огр на резисторе R _огр, из-за чего выходное напряжение U _выхостанется неизменным.

Стабилитрон, условное обозначение которого приведено на рис. 4.4, имеет ВАХ, близкую к идеальной (рис. 4.5).

Рисунок 4.3 – ВАХ идеального элемента стабилизации

Рисунок 4.4 – Стабилитрон: а) условное обозначение; б)полярность обратного напряжения

Рисунок 4.5 – ВАХ стабилитрона

Принцип действия стабилитрона можно пояснить следующим образом. При подаче обратного напряжения в стабилитроне возникает электрический пробой р - n -перехода, вызывающий неограниченный рост обратного тока из-за увеличения концентрации электронов в зоне проводимости.

Из рис. 4.5 видно, что большому изменению тока (І _{ст max}– І _{ст min}) сопутствует незначительное изменение обратного напряжения стабилитрона (U _{ст max}– U _{ст min}), т.е. оно остаётся стабильным. Это явление и используется в стабилизаторах напряжения.

Стабилизатор выполняет свои функции лишь при условии І _н<< І _{ст min}, т.е. при большом сопротивлении нагрузки R _н>> R _огр.

Для объяснения принципа действия стабилизатора найдём уравнение линии нагрузки. По закону Кирхгофа входное напряжение U _вх распределяется между стабилитроном VD и ограничительным сопротивлением R _огр (см. рис. 4.2):

U _вх= U _ст+ І _ст R _огр, (4.2)

откуда

І _ст= , (4.3)

где U _ст– обратное напряжение на стабилитроне, являющееся выходным.

Выражение (4.3) является уравнением линии нагрузки. Поскольку относительно осей координат (U _ст, I _ст) уравнение (4.3) первой степени, то линией нагрузки является прямая, которая при U _вх= U _вх1 строится по двум точкам 1 и 2 (рис. 4.6 ).

Точка 1: І _ст= 0, из уравнения(4.3) получаем: U _ст= U _вх1.

Точка 2: U _ст= 0, из уравнения (4.3) получаем: I _ст = .

Рисунок 4.6 – Диаграмма работы параметрического стабилизатора напряжения

Стабилизатор работает следующим образом.

Найдём изменение выходного напряжения при изменении входного. Пусть выходное напряжение возросло от U _вх1 до U _вх2. Тогда линия нагрузки сместится параллельно относительно самой себе (точки 3; 4). Из рис. 4.6 видно, что изменение выходного напряжения намного меньше изменения входного ( << ), т.е. выходное напряжение стабильно.

Наличие стабилизации объясняется следующим образом.

Выходное напряжение по закону Кирхгофа равно

U _вых= U _вх– І _ст R _огр. (4.4)

При малом входном напряжении электрический пробой стабилитрона VD не наступает, и поэтому его цепь фактически разорвана (І _ст= 0). Поэтому, как видно из формулы (4.4), выходное напряжение повторяет входное (U _вх= U _ст), т.е. стабилизации нет.

Когда же входное напряжение велико , стабилитрон VD пробивается. Появляется ток стабилитрона І _ст > 0:

І _ст= , (4.5)

создавая падение напряжения І _ст R _огр на ограничительном резисторе R _огр. Чем выше входное напряжение, тем больше ток І _ст и, как следствие, больше падение напряжения І _ст R _огр. Так избыток входного напряжения (U _вх– U _ст) падает на R _огр, оставляя выходное напряжение U _вых неизменным, т.е. стабильным.