1.7. Стабилизаторы напряжения

Многие электротехнические устройства питаются от источников, вы­ходное напряжение или ток которых должны оставаться почти неизмен­ными при изменении дестабилизирующих факторов в широких пределах. В роли дестабилизирующих факторов могут быть колебания напряжения се­ти, температуры и влажности окружающей среды и др.

Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение или ток на стороне потребителя электрической энергии с требуемой точностью при изменении дестабилизирующих факторов, называются ста­билизаторами напряжения или тока. Стабилизаторы делятся на две группы - параметрические и компенсационные.

Параметрическими называют стабилизаторы с нелинейными элемента­ми, такими, как стабилитроны, стабисторы, термисторы, дроссели и др., параметры которых с изменением тока или напряжения изменяются таким образом, что ток или напряжение на потребителе остаются почти неизменными по величине.

В компенсационных стабилизаторах измерительный элемент, сравни­вая стабилизируемую величину с эталонной, вырабатывает сигнал рас­согласования, который через промежуточное устройство поступает на регулирующий элемент, где изменяется какой-либо из параметров для поддержания стабилизируемой величины напряжения или тока с требуе­мой точностью.

Основными параметрами стабилизатора являются коэффициент стаби­лизации и выходное сопротивление.

Коэффициент стабилизации напряжения есть отношение относительно­го изменения входного напряжения стабилизатора к относительному из­менению напряжения на нагрузке

К_ст = (ΔU_вх/U_вх)/(ΔU_н/U_н).

Параметрический стабилизатор является простейшим стабилизирующим устройством. В качестве нелинейного элемента в нем применяют стаби­литрон. Схема параметрического стабилизатора изображена на рис.1.9,а. Для создания необходимого режима работы стабилитрона в схему включают балластный резистор R_б. Принцип работы стабилизато­ра поясняют характеристики, представленные на рис.1.9,б. Здесь 1 - вольт-амперная характеристика стабилитрона, 2 - вольт-амперная ха­рактеристика балластного резистора R_б, 3 - суммарная вольт-амперная характеристика цепи стабилитрона (R_б, V). Графики рис.1.9,б показы­вают, что относительно большое изменение входного напряжения ΔU_вх не вызывает большого изменения напряжения на нагрузке ΔU_вых, вклю­ченной параллельно стабилитрону. Коэффициент стабилизации парамет­рического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне может достигать сотен. Для повышения величины стабилизированного напряже­ния используют последовательное включение стабилитронов. Параметри­ческий стабилизатор на стабилитроне обладает фильтрующими свойства­ми аналогично емкостному фильтру. Для малых напряжений стабилизации (0,7 ÷ 0,8 В) вместо стабилитрона используют стабистор, работающий на прямой ветви вольт-амперной характеристики.

Преимущества параметрических стабилизаторов - простота конструк­ции и надежность работы, недостатки - низкие коэффициенты стабили­зации, а также невозможность регулирования стабилизированного нап­ряжения.

По своей сути параметрические стабилизаторы представляют собой разомкнутые системы автоматического регулирования.

Компенсационные стабилизаторы выполняются с отрицательной обрат­ной связью и поэтому представляют собой замкнутые системы автомати­ческого регулирования, они лишены недостатков, свойственных пара­метрическим стабилизаторам.

Схема простейшего компенсационного стабилизатора представлена на рис.1.9,в. Стабилизатор состоит из двух частей: параметрического стабилизатора R_б, V, создающего опорное напряжение U_оп, и регулиру­ющего транзистора Т, который совмещает в себе и функции усилитель­ного элемента. В качестве измерительных элементов используются p-n-переход эмиттер-база, сопротивление нагрузки R_н и стабилитрон.

Режим работы регулирующего транзистора Т выбран таким образом, что при нормальных условиях он открыт не полностью. Степень его открытия определяется напряжением смещения эмиттер-база, которое обычно составляет величину порядка 0,3 В. Выходное напряжение при этом практически равняется опорному напряжению. Если по каким-либо причинам выходное напряжение изменится, то соответственно изменится и напряжение смещения эмиттер-база, что приведет к изменению сопро­тивления регулирующего транзистора таким образом, чтобы выходное напряжение осталось неизменным.

В данной схеме максимальный ток нагрузки определяется типом при­меняемого транзистора и зависит от параметров стабилитрона.

Для увеличения тока нагрузки применяют составной транзистор. С целью увеличения коэффициента стабилизации в цепь обратной связи включают усилитель. На рис.1.9,г представлен компенсационный стаби­лизатор напряжения, в котором в цепь обратной связи включен опера­ционный усилитель К1УТ401. В данной схеме можно регулировать напря­жение на нагрузке с помощью резистора R₂. Коэффициент стабилизации таких стабилизаторов может достигать нескольких тысяч.

В заключение следует отметить, что кроме стабилизаторов напряже­ния в электронике большое практическое применение находят и стаби­лизаторы тока, они также могут быть параметрическими и компенсаци­онными.