Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока

В качестве РЭ, как правило, используют полупроводниковые стабилитроны, которые работают на обратном участке ВАХ – участке пробоя. Условное обозначение стабилитрона и его ВАХ приведены на рис.4.2

Рисунок 4.2 – Стабилитрон и его ВАХ

На рисунке 4.2 показаны три стабилитрона первый – обычный, с рабочей областью (1) и напряжением стабилизации вольт, второй – стабистор с рабочей областью (3) и вольт, третий – двухсторонний стабилитрон с симметричной ВАХ (третий и первый квадранты). На рабочем участке (1) значительным изменениям тока соответствует слабое изменение напряжения стабилизации . Если превысить , то мощность, рассеиваемая на стабилитроне превысит допустимую (участок 4). При токе меньше стабилитрон выходит из режима стабилизации. Участок (2) является рабочим для других приборов – ограничителей напряжения, которые считаются приборами защиты, а не стабилизации.

К параметрам стабилитрона относятся:

а) напряжение стабилизации и пределы его изменения ;

б) номинальный ток и пределы его изменения ;

в) максимальная мощность ;

г) дифференциальное сопротивление на рабочем участке

; (4.10)

е) температурный коэффициент напряжения (ТКН) .

Последний показатель рассмотрим подробнее. Полупроводники очень чувствительны к температуре и их ВАХ существенно изменяются, как показано на рис.4.3. Для p-n перехода (диода) температурный коэффициент напряжения (ТКН) обычно составляет примерно .

Рисунок 4.3 – Температурные отклонения ВАХ

Это недопустимо большая величина. Значительно улучшить температурную стабильность можно путём последовательного включения переходов с ТКН разного знака (рис.4.4).

Рисунок 4.4 – Температурная компенсация ВАХ стабилитрона

Число термокомпенсирующих переходов может быть любым, но они увеличивают дифференциальное сопротивление. Поскольку, наименьшими дифференциальными сопротивлениями обладают стабилитроны с напряжением стабилизации около 6…7 вольт, то прецизионные (термокомпенсированные) приборы, выпускаются на напряжение 9…10 вольт при ТКН порядка [14,28].

Шкала напряжений стабилизации, выпускаемых стабилитронов очень широка – от единиц до сотен вольт, токи стабилизации – от долей миллиампер до единиц ампер. Ёмкость перехода около 1…7 пФ, поэтому стабилитроны практически безинерционны на частотах до единиц мегагерц.

Дискретность напряжения стабилизации создаёт неудобства при построении многоканальных ВУ, что привело к появлению интегральных стабилитронов с управляемым напряжением стабилизации [28]. Их условное обозначение и эквивалентная схема приведены на рис.4.5.

Рисунок 4.5 – Интегральный стабилитрон

Диапазон напряжений стабилизации 2,5…36 вольт при токе до 150мА, что перекрывает большинство применений стабилитронов в РЭА.

Основная схема параметрического стабилизатора приведена на рис.4.6.

Рисунок 4.6 – Параметрический стабилизатор

При заданных минимальном и максимальном значениях рабочая точка на ВАХ стабилитрона не должна выходить за пределы рабочего участка (точки А и В рис.4.2).

Коэффициент стабилизации по входному напряжению:

, (4.11)

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона;

– коэффициент передачи постоянной составляющей со входа

на выход.

Если пренебречь током внутреннего потребления (), то . Чем больше , тем лучше, но сильно увеличивать нельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать , что приведет к снижению . Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном стабилитрона, набор которых далеко не бесконечен.

КПД параметрического стабилизатора равен

(4.12)

и обычно составляет из-за потерь в балластном резисторе . Поэтому такую схему применяют для маломощных нагрузок.

Если требуется повысить стабильность выходного напряжения, то применяются каскадные или мостовые схемы стабилизаторов, которые приведены на рис. 4.7а,б соответственно.

В каскадных стабилизаторах результирующий коэффициент стабилизации и КПД равен произведению этих коэффициентов отдельных звеньев

(4.13)

.

Рисунок 4.7 – Разновидности параметрических стабилизаторов

а) каскадный; б) мостовой

Выходное сопротивление определяется только дифференциальным сопротивлением последнего стабилитрона (VD2). Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах достигается за счёт компенсации. Теоретически, коэффициент стабилизации по напряжению может быть равен бесконечности, если обеспечить равенство . (4.14)

В этой схеме возможно получение очень низких выходных напряжений и малых температурных коэффициентов (меньше чем у отдельного стабилитрона) за счёт использования стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами. Повышение коэффициента стабилизации связано с уменьшением КПД. Повысить стабильность и КПД позволяет использование токостабилизирующего двухполюсника – ТД (простейшего стабилизатора тока). Его схема показана на рис. 4.8.

Рисунок 4.8 – Токостабилизирующий двухполюсник

В схеме эмиттерного повторителя (рис.4.8), независимо от напряжение на резисторе R_Э неизменно, равно и, по закону Ома, ток тоже будет неизменным. Получили двухполюсник – простейший стабилизатор тока (Е_К изменяется, а ток I_Э не меняется). Его включают в схему параметрического стабилизатора вместо балластного резистора, как показано на рис.4.9.

Рисунок 4.9 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим двухполюсником

В схеме рис. 4.9 основным является стабилитрон VD2, а VD1– элемент двухполюсника (ТД) служит для фиксации потенциала базы транзистора.

В качестве токостабилизирующего двухполюсника можно использовать полевой транзистор, как показано на рис.4.10.

Рисунок 4.10 – Параметрический стабилизатор с токостабилизирующим

двухполюсником на полевом транзисторе

Применение двухполюсника позволяет стабилизировать ток через и существенно повысить стабильность выходного напряжения в широких пределах изменения . Температурная нестабильность здесь такая же, как и в основной схеме параметрического стабилизатора (определяется стабилитроном VD2,).

Для повышения мощности (тока) в нагрузке можно использовать эмиттерный повторитель (рис.4.11).

.

Рисунок 4.11 – Параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем

На рис.4.11а,б приведена одна и та же схема. Параметрический стабилизатор R₀VD₁ нагружен базовым током транзистора. Ток нагрузки примерно в раз больше, но выходное напряжение меньше напряжения стабилитрона на величину падения на базовом переходе транзистора и температурная стабильность за счёт последнего хуже.