Схемотехника параметрических стабилизаторов напряжения постоянного тока, построенных по мостовой схеме

Схема параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока, построенного по мостовой схеме, показана на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Принципиальная электрическая схема ПСН, построенного по мостовой схеме

Рассматриваемый ПСН, построенный по мостовой схеме, состоит из параметрического стабилизатора напряжения R1VD1, построенного по схеме делителя напряжения, и резистивного делителя напряжения R2R3.

Входное напряжение U_BX обеспечивает протекание токов по двум цепям. Первая цепь: (+f/_BX) — R1 — VD1 — (—t/_BX)*

Вторая цепь: (+?/_вх) — R2 — R3 — (—U_BX).

Согласно закону Ома можно записать, что падение напряжения U_VD1 на стабилитроне VD 1 равно:

а падение напряжения U_R3 на резисторе R3, часто называемом компенсирующим, равно:

Полярность напряжений на U_VD1 и U_R3 показана на рис. 4.9.

Нагрузка R_H в ПСН, построенном по мостовой схеме, включена параллельно последовательно включенным стабилитрону VD 1 и резистору R3. Поэтому выходное напряжение U_Bblx ПСН равно разности падения напряжения U_VD1 на стабилитроне VD 1 и падения напряжения U_R3 на резисторе R3, то есть:

Полученное выражение (4.12) показывает, что при изменении, например, увеличении U_BX увеличиваются силы токов, протекающих через стабилитрон VD 1 и резистор R3, а, значит, увеличиваются падение напряжения U_VD1 на стабилитроне VD 1 и падение напряжения U_R3 на резисторе R3. Согласно выражению (4.12) выходное напряжение U_Bblx остается неизменным.

Таким образом, в мостовых схемах ПСН постоянного тока реализуется принцип компенсации изменения напряжения стабилизации стабилитрона при изменении входного напряжения за счет противофазного изменения падения напряжения на компенсирующем резисторе (выражение (4.12)).

В соответствии с определением коэффициента стабилизации выходного напряжения по входному можно записать:

Дифференцируя выражение (4.10), получают:

Учитывая, что в реальных условиях эксплуатации ПСН сопротивление гасящего резистора R1—1000 Ом, а дифференциальное сопротивление стабилитрона R_VD1~10 Ом, то есть R_VD1 « R1. Тогда выражение (4.14) можно упростить и записать в следующем виде:

Дифференцируя выражение (4.11), получают:

При реализации мостовой схемы построения ПСН величину резисторов R2 и R3 выбирают примерно равными сопротивлению R1 и Rvdi> соответственно. В этом случае R3 « R2, что позволяет упростить выражение (4.16), записав его в виде:

Согласно выражению (4.12) изменение выходного напряжения сШ_вых определяется соотношением:

Полученное уравнение (4.18) с учетом выражений (4.15) и (4.17) можно записать в виде:

Из полученного выражения (4.19) следует, что при выполнении условия:

изменение выходного напряжения ПСН при вариации входного напряжения близко к нулю.

Выражение для К_и (формула (4.13)) может быть записана в виде:

Из выражения (4.21) следует, что при выполнении условия (4.20) величина К_и -> оо.

Таким образом, величина К_и ПСН, построенного по мостовой схеме, существенно выше К_и ПСН, построенного по схеме делителя напряжения.

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление Ri ПСН определяется по формуле:

Полезно сравнить дифференциальное сопротивление ПСН, построенного по мостовой схеме, с дифференциальным сопротивлением ПСН, построенного по схеме делителя напряжения.

Пусть сила тока нагрузки /_н ПСН, построенного по мостовой схеме, увеличилась. Тогда сила тока I_VDъ протекающего через стабилитрон VD1 уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения стабилизации U_VD1 (см. ВАХ стабилитрона на рис. 4.3).

А сила тока I_R3, протекающего через компенсирующий резистор R3, увеличится, что приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R3. Общее уменьшение выходного напряжения равно сумме изменений напряжений на стабилитроне VD1 и компенсирующем резисторе R3.

Следовательно, ПСН, построенный по мостовой схеме, имеет большее дифференциальное сопротивление Ri чем ПСН, построенный по схеме делителя напряжения, у которого изменение выходного напряжения, вызванное изменением силы тока нагрузки /_н, равно лишь изменению падению напряжения на стабилитроне.

Таким образом, у ПСН, построенного по мостовой схеме, внутреннее сопротивление больше, чем у ПСН, построенного по схеме делителя напряжения.

Надо отметить, что реально удается повысить стабильность мостовых ПСН по сравнению со стабильностью ПСН, построенных по схеме делителя напряжения, в пять раз. Однако при этом существенно увеличивается внутреннее сопротивление, а КПД значительно уменьшается.

Схему мостового ПСН (рис. 4.9) практически невозможно применить для стабилизации низковольтовых напряжений (~1 В). Для этих целей вполне можно использовать модифицированную схему мостового ПСН, показанную на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Принципиальная электрическая модифицированная схема мостового ПСН

Модифицированная схема мостового ПСН фактически представляет два ПСН, построенных по схеме делителя напряжения, включенных встречно и работающих на одну нагрузку.

В этом устройстве U_Bblx — U_VD1 — U_VD2. Подбирая стабилизаторы с необходимыми значениями напряжения стабилизации, реализуют стабилизацию низковольтовых напряжений.