4.7.Стабилитроны и их применение в параметрических стабилизаторах

Стабилитрон – специальный прибор, предназначенный для стабилизации напряжения между узлами подключения. В стабилитронах используется лавинный и туннельный пробой.

Рис. 3.9

На рисунке 3.9, а приведен увеличенный фрагмент характеристики, позволяющий определить дифференциальное сопротивление стабилитрона r_ст=U_ст/I_ст, как раз и характеризующее постоянство напряжения на стабилитроне при изменении тока через него. Для большинства приборов сопротивление r_ст достаточно мало, от единиц ом до нескольких десятков ом. На рисунке 3.9, б приведено условное изображение стабилитрона в схемах и показана полярность прикладываемого напряжения. Прямая ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона ничем не отличается от характеристики обычного диода. Напряжение стабилизации U_ст в зависимости от типа стабилитрона лежит в пределах от единиц до сотен вольт, а максимальный ток, протекающий через стабилитрон, – от единиц миллиампер до единиц ампер.

Наиболее широко стабилитроны применяют при построении эталонов напряжения (см. Введение). В частности, вторичные источники постоянного напряжения (чаще всего их просто называют стабилизаторами) обычно должны иметь, слабо зависящее от напряжения сети, выходное напряжение.

Кроме того, к стабилизаторам предъявляется также требование малой зависимости выходного напряжения от тока нагрузки при изменении последнего в определённых достаточно широких пределах. Рассмотрим работу параметрического стабилизатора, схема которого приведена на рис. 3.10.

Рис. 3.10

При напряжении U_­пит меньшем, чем напряжение стабилизации стабилитрона U_ст ток через стабилитрон практически не идёт и напряжение на нагрузке U_н линейно зависит от напряжения питания. После того как напряжение U_н станет равным напряжению U_ст начнётся рабочий режим стабилизатора. Через балластный резистор протекает ток I_Rб=I_ст+I_н. Для того чтобы при изменении тока нагрузки напряжение на ней оставалось постоянным, необходимо обеспечить постоянство тока через балластное сопротивление. Таким образом, все изменения тока нагрузки компенсируются противоположным изменением тока, протекающего через стабилитрон. Само балластное сопротивление находится из уравнения:

R_б=.

Если изменение тока нагрузки I_н неизвестно, то можно принять:

, I_н = -I_ст, I_{н max} = I_ст-I_ст.min. (3.7)

Обычно выполняется неравенство r_ст << R_н, поэтомувсё изменение тока через балластный резистор, вызванное изменением напряжения питания будет, в основном, проходить через стабилитрон, т.е.

.

Качество стабилизаторов характеризуют с помощью коэффициента стабилизации (К_ст). Он показывает насколько изменится напряжение на нагрузке U_н при изменении напряжения питания U_пит. Эта зависимость представлена на рис. 3.10.

Рис.3.10

(3.8)

Чтобы рассчитать коэффициент стабилизации, включим в схему замещения параметрического стабилизатора резистор, отражающий сопротивление стабилитрона для приращений тока r_ст = r_диф (от 10 Ом до 50 Ом), последовательно со стабилитроном (рис. 3.11).

Рис. 3.11. (Ошибка на рисунке: надо U_пит и U_н)

Тогда, считая U_пит > U_ст и r_диф << R_н, можно не учитывать сопротивление нагрузки, включённое параллельно r_диф, и определить приращение напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания

^,

при этом коэффициент стабилизации будет равен

(3.10)

Для увеличения коэффициента стабилизации увеличивают R_б, но этот путь применим только для маломощных стабилизаторов из-за ухудшающегося их КПД. Для получения высокого качества стабилизаторов при достаточно большой выходной мощности прибегают к электронным стабилизаторам.