Параметрический стабилизатор напряжения

Широкое распространение получили стабилизаторы, построенные на полупроводниковых стабилитронах. Стабилитрон работает на участке обратимого электрического пробоя вольтамперной характеристики (рис. 6).

Рис. 6. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона

Схема (рис.7, а) такого стабилизатора построена на стабилитроне V, последовательно с которым включается балластный резистор R_б. Нагрузка R_н включается параллельно стабилитрону. При этом полярность входного напряжения U_вх, такова, что на стабилитрон подается напряжение обратной полярности, т. е. на катоде – плюс, на аноде – минус.

Рис. 7. Параметрический стабилизатор напряжения: а – схема; б – схема замещения для приращений

Стабилизатор работает следующим образом. Если входное напряжение U_вх меньше напряжения стабилизации стабилитрона U_ст (рис. 6) U_вх<U_ст, то эффект стабилизации отсутствует, и выходное напряжение изменяется вслед за входным напряжением.

Если входное напряжение больше напряжения стабилизации стабилитрона U_вх>U_ст, то стабилитрон V открывается и через него начинает протекать ток I_ст. Ток I, протекающий по балластному резистору R_б, равный сумме тока нагрузки на I_вых и тока стабилитрона I_ст, I=I_вых+I_ст возрастает. Одновременно возрастает падение напряжения на балластном резисторе R_б. Приращение напряжения на нем равно приращению входного напряжения, за счет этого напряжение на нагрузке U_вых, равное напряжению стабилизации стабилитрона U_ст, остается неизменным.

Если входное напряжение снижается, оставаясь больше напряжения стабилизации, то уменьшается ток стабилитрона. Падение напряжения на балластном резисторе R_б уменьшается, а напряжение на нагрузке остается неизменным U_вых=U_ст.

Таким образом, на балластном резисторе R_б постоянно теряется большая или меньшая часть входного напряжения, оставшаяся часть прикладывается к нагрузке U_вх=(I_вых+I_ст)R_б+U_вых.

Учитывая, что I_вых=U_вых/R_н. имеем U_вх=(U_вых/R_н +I_ст)R_б+U_вых= I_стR_б+U_вых(R_б/R_н+1).

Из данного уравнения получим выражение для определения тока I_ст, протекающего через стабилитрон I_ст =(U_вх- U_вых(R_б/R_н+1))/ R_б .

Наибольший ток I_max,через стабилитрон протекает в режиме, когда входное напряжение максимально U_вх=U_вх.max, а нагрузка равна нулю R_н=∞ I_max=(U_вх.max -U_вых) / R_б .

В режиме, когда входное напряжение минимально U_вх=U_вх.min, а нагрузка максимальна R_н= R_н.min, через стабилитрон протекает минимальный ток I _min,
I _min=(U_вх.min - U_вых(R_б/R_н.min +1))/ R_б.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения U_вых=U_ст требуется выполнение условий I_max<I^ст_max и I _min> I^ст _min, где I^ст_max и I^ст _min – соответственно наибольший и наименьший токи стабилитрона, ограничивающие участок стабилизации на вольтамперной характеристике (рис. 6).

При увеличении сопротивления R_н нагрузки снижается ток нагрузки I_вых. Одновременно на ту же величину возрастает ток стабилитрона I_ст. В результате ток через балластный резистор R_б и падение напряжения на нем остаются неизменными, как и выходное напряженияU_вых=U_ст.

При увеличении тока нагрузки I_вых уменьшается ток стабилитрона на ту же величину. Поэтому выходное напряжение остается неизменным.

Для определения коэффициента стабилизации воспользуемся схемой замещения стабилитрона для приращений (рис.7, б), в которой r_ст сопротивление переменному току r_ст=ΔU_ст/ΔI_ст на участке стабилизации. Это сопротивление является параметром стабилитрона. Из схемы замещения имеем отношение

В реальных стабилизаторах существуют следующие соотношения между параметрами схемы r_ст<<R_н и r_ст<<R_б. С их учетом

Тогда на основании ранее полученной формулы для коэффициента стабилизации имеем

Таким образом, коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора прямо пропорционален сопротивлению балластного резистора R_б и обратно пропорционален сопротивлению r_ст, а также зависит от соотношения входного и выходного напряжения.

У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации обычно составляет 20…40.

Внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора R_н≈r_ст в большинстве случаев находится в пределах 2…400.

Когда такие показатели оказываются недостаточными, применяют компенсационные стабилизаторы.