Простейший параметрический стабилизатор

Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 3.5-1.

Рис. 3.5-1. Простейший параметрический стабилизатор (а) и характеристики, поясняющие его работу (б)

Схема содержит балластный резистор \(R_б\) и стабилитрон \(VD1\), включаемый параллельно нагрузке \(R_н\) (т.е. это стабилизатор параллельного типа), в целях снижения пульсаций выходного напряжения при колебаниях тока в нагрузке может включаться фильтрующий конденсатор \(C_ф\). Принцип работы параметрического стабилизатора хорошо виден при рассмотрении нагрузочных характеристик, представленных на рис. 3.5-1б. Здесь кривая представляет собой вольт-амперную характеристику стабилитрона, а угол наклона прямой (\(\alpha\)) определяется сопротивлением балластного резистора \(R_б\) (\(\operatorname{tg} \alpha = 1/R_б\)). Точка пересечения данной прямой с осью напряжений определяется заданным напряжением на входе стабилизатора \(U_{вх}\), а точка пересечения с ВАХ стабилитрона характеризует текущий режим работы этого прибора (\(I_{ст}\), \(U_{ст} = U_{вых}\)).

Выходное напряжение стабилизатора (\(U_{вых}\)), а также ток стабилитрона (\(I_{ст}\)) определяются положением точки пересечения нагрузочной прямой резистора и ВАХ стабилитрона. Если значение входного напряжения изменится (например, увеличится), то изменится и положение прямой (на рис. 3.5-1б показано пунктиром), а рабочая точка стабилитрона сместится в сторону больших токов. При этом очевидно, что напряжение на стабилитроне (соответственно, и на нагрузке) останется практически неизменным (т.е. происходит его стабилизация на уровне, определяемом типом конкретного применяемого стабилитрона). Приведенные выкладки сделаны в предположении, что \(R_н \gg R_б\) и \(I_б \approx I_{ст}\). С уменьшением \(R_н\) существенная часть тока стабилитрона будет ответвляться в нагрузку (\(I_б = I_{ст} + I_н\)). Влияние тока нагрузки на нагрузочные характеристики, приведенные на рис. 3.5-1б может быть выражено смещением кривой, изображающей ВАХ стабилитрона, вниз по оси токов на величину тока нагрузки (положение нагрузочной прямой балластного резистора должно оставаться прежним). Если такое смещение будет незначительным, то оно не окажет влияния на выходное напряжение стабилизатора, однако если в результате него рабочая точка стабилитрона перейдет в область с высокой зависимостью напряжения от тока, то стабилизирующие свойства схемы будут нарушены.

Из проведенного анализа следует, что режим работы стабилитрона (положение рабочей точки на ВАХ прибора) определяется значением входного напряжения \(U_{вх}\) и сопротивлением балластного резистора \(R_б\). Оптимальный выбор этого резистора (для обеспечения наилучшей стабилизации выходного напряжения при колебаниях входного напряжения) возможен только при учете характера нагрузки (постоянная, переменная) и величины протекающего через нее тока (и возможного диапазона его изменения).

Более глубокий анализ рассматриваемого параметрического стабилизатора позволяет получить следующие выражения для коэффициента стабилизации \(K_{ст}\) и для расчета оптимальной величины балластного сопротивления \(R_б\):

\( K_{ст} \cfrac{\operatorname{\delta} U_{вх}}{\operatorname{\delta} U_{вых}} = \cfrac{U_{вых} \left( 1 - 0,01 \cdot \operatorname{\delta} U_{вх} \right)}{r_{ст} \left( I_{н max} + I_{ст min} \right)}\)

\( R_б = \cfrac{U_{вх} \left( 1 - 0,01 \cdot \operatorname{\delta} U_{вх} \right) - U_{вых}}{I_{н max} + I_{ст min}}\),

где:

\(r_{ст}\) — дифференциальное сопротивление стабилитрона,

\(\operatorname{\delta} U_{вх}\) — предельное относительное отклонение входного напряжения от его среднего значения, %.

Конкретное значение выходного стабилизированного напряжения определяется типономиналом применяемого стабилитрона. При выборе стабилитрона следует учитывать и такой параметр, как максимально допустимый ток стабилизации (\(I_{ст max}\)). При переменном характере нагрузки может потребоваться достаточно большой запас по этому значению. Если напряжение стабилизации мало (1...3 В), вместо стабилитронов должны применяться стабисторы. Кроме этого возможно использование многих широко распространенных светодиодов, которые, также как и стабисторы, имеют резкий изгиб прямой ветви вольт-амперной характеристики в диапазоне напряжений 1,5...2,5 В.