Краткие теоретические сведения.

Стабилизатором называется устройство, включаемое между питающей сетью и нагрузкой и обеспечивающее автоматическое поддержание с определенной точностью напряжения на нагрузке U н (стабилизатор напряжения) или тока в нагрузке I н (стабилизатор тока) при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Основными параметрами стабилизатора напряжения являются:

- частный коэффициент стабилизации по входному напряжению (часто называемый коэффициентом стабилизации), определяемый как отношение относительной нестабильности входного напряжения (U вх) к относительной нестабильности напряжения на нагрузке при постоянном сопротивлении нагрузки (R н) и отсутствии других дестабилизирующих факторов

(1)

- выходное сопротивление R вых, определяющее наклон внешней характеристики стабилизатора:

(R н = var); (2)

- коэффициент полезного действия

h = P н/ P вх, (3)

где P н = U н I н - мощность, поступающая из стабилизатора в нагрузку,

P вх = U вх I вх - мощность на входе стабилизатора.

По принципу построения схем стабилизаторы делятся на два больших класса - параметрические и компенсационные. Отличие компенсационных стабилизаторов в том, что в них есть цепь обратной связи.

Рис.1

В самом общем виде любой стабилизатор напряжения (как параметрический, так и компенсационный) может рассматриваться как делитель напряжения, составленный из сопротивления нагрузки и сопротивления, входящего в состав стабилизатора и включенного последовательно с ней (рис. 1). Стабилизатор в этом смысле представляет собой некое балластное сопротивление R б, включенное между входными и выходными зажимами. В качестве такого сопротивления может выступать резистор, транзистор (или другой электронный прибор), катушка индуктивности (в стабилизаторах, работающих в цепи переменного тока). В некоторых схемах стабилизаторов параллельно выходным зажимам могут включаться другие устройства (транзисторы, стабилитроны), но элемент R б присутствует всегда.

При подобном рассмотрении напряжение на нагрузке определяется как разность входного напряжения и падения напряжения на R б:

U н = U вх - I вх R б. (4)

Чтобы выходное напряжение оставалось примерно постоянным (в пределах, определяемых стабилизирующими свойствами), необходимо, чтобы при изменении U вх соответствующим образом изменялось падение напряжения на сопротивлении R б. И, наоборот, при изменении сопротивления нагрузки (тока в цепи нагрузки) падение напряжения на R б должно оставаться примерно постоянным. Очевидно, что такое положение можно обеспечить всего лишь двумя способами (см. выражение (4)): изменяя либо само сопротивление R б, либо ток, проходящий через него.

В параметрическом стабилизаторе напряжения используют особенности вольтамперной характеристики стабилитрона. ВАХ стабилитрона выглядит следующим образом:

Первым способом строятся компенсационные стабилизаторы с последовательным (относительно нагрузки) включением регулирующего элемента, сопротивление которого изменяется соответствующим образом при изменении выходного напряжения. Вторым способом - компенсационные стабилизаторы с параллельным (по отношению к нагрузке) включением регулирующего элемента и стабилизаторы параметрические, в которых параллельно нагрузке включается нелинейный двухполюсник. В этом случае ток регулирующего элемента или нелинейного двухполюсника (в параметрическом стабилизаторе) должен сильно изменяться с изменением выходного напряжения. Замыкаясь через сопротивление R б, этот ток и создает дополнительное падение напряжения в случае изменения входного напряжения. При изменении сопротивления нагрузки ток этого элемента компенсирует изменение тока в цепи нагрузки, обеспечивая тем самым малое изменение тока, текущего через сопротивление R б.

Рис.2

Подобное представление работы стабилизатора наглядно демонстрирует и основной недостаток стабилизаторов с непрерывным регулированием. Выходное напряжение здесь не может быть больше входного при самом минимальном его значении, т. е. эффект стабилизации достигается за счет того, что весь излишек входного напряжения выше минимального падает на балластном элементе R б. Учитывая, что по R б протекает весь входной ток стабилизатора, мощность, которая в нем рассеивается, будет большой. Поэтому коэффициент полезного действия стабилизаторов с непрерывным регулированием невысок, и тем ниже, чем в больших пределах возможно изменение входного напряжения. Изменение сопротивления нагрузки в схеме с последовательным включением регулирующего элемента на коэффициент полезного действия не влияет. Напротив, в стабилизаторах с параллельным включением регулирующего элемента, и в параметрических стабилизаторах, коэффициент полезного действия уменьшается при снижении нагрузки (в энергетическом смысле), достигая нуля на холостом ходу.