3.2. Міри напруги на основі стабілітронів

Стабілітрон являє собою напівпровідниковий діод включений у зворотному напрямі. При певному значенні зворотної напруги U_ст – напруги стабілізації, виникає відновлювальний електричний пробій р-n переходу, що практично унеможливлює подальше зростання зворотної напруги [2, 26, 39, 40]. На рис.3.2 наведені вольт-амперна характеристика стабілітрона та найпростіша схема міри напруги на його базі – схема параметричного стабілізатора. Як видно із рис.3.2.а, при досягненні певного мінімального значення струму І_ст.min у зворотно зміщеному p-n переході виникає відновлювальний електричний пробій і напруга на ньому практично не змінюється при збільшенні струму до максимального значення І_ст.max. При струмах понад І_ст.max виникає незворотній тепловий пробій і стабілітрон виходить з ладу, тому на практиці струм через стабілітрон не повинен перевищувати І_ст.max. Струми І_ст.min та І_ст.max нормуються для конкретних типів стабілітронів і знаходяться в межах від 3 до 100 мА. Крім цього, для них нормується значення номінальної напруги стабілізації U_ст.н при номінальному струмі стабілізації, її допустимий розкид від зразка до зразка, температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілізації, її часовий дрейф, динамічний опір R_д= , (тут U_ст1, U_ст2 - напруга на стабілітроні при струмі через нього відповідно І_ст1, І_ст2 в межах від І_ст.min до І_ст.max).

Найпростішою мірою напруги на основі стабілітрона є параметричний стабілізатор (рис.3.2.б), схема заміщення якого наведена (рис.3.2.в). Вихідна напруга параметричного стабілізатора визначається як:

, (3.2)

Р ис. 3.2 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона та схема параметричного стабілізатора

вихідний опір R_вих

. (3.3)

Оскільки , то коефіцієнт стабілізації вихідної напруги К_ст дорівнюватиме

К_ст= . (3.4)

Як видно із поданих вище співвідношень, за умови, що баластний опір R_б є набагато більшим за динамічний опір R_д стабілітрона (R_б>>R_д), основні метрологічні характеристики параметричного стабілізатора практично визначатимуться характеристиками стабілітрона

(3.5)

Не важко також оцінити, що коефіцієнт впливу нестабільності напруги стабілізації стабілітрона на вихідну напругу стабілізатора за умови R_н>>R_д буде близьким до одиниці

. (3.6)

Наведені вище співвідношення для вихідних характеристик параметричного стабілізатора будуть виконуватись і при його роботі під навантаженням за умови, що опір навантаження R_н, увімкнений до виходу стабілізатора, буде значно більшим за динамічний опір стабілітрона, тобто R_н>>R_д.

Отже, для досягнення високих метрологічних характеристик параметричних стабілізаторів вибирають стабілітрони з найменшим динамічним опором, забезпечують режим роботи близьким до неробочого ходу (R_н>>R_д) та збільшують опір баластного резистора, а, отже, і збільшують напругу живлення. Збільшення останньої обмежене, здебільшого енергетичними показниками та прийнятим (стандартним) рядом її значень. Через технологічні обмеження сучасної мікроелектроніки не вдається зменшити динамічний опір до значень менших від декількох десятків ом. Тому для побудови прецизійних мір використовують ряд схемотехнічних прийомів: мостові стабілізатори, метод усереднення, стабілізацію струму живлення. Для усунення впливу ТКН стабілітронів застосовують активне термостатування. Як термостат, здебільшого, використовується цілий напівпровідниковий кристал, на якому розміщується схема стабілізатора, регулятор температури та нагрівач [40].

Основними характеристиками стабілітронів є номінальна напруга стабілізації (від 3,9 до 180 В) при номінальному струмі стабілізації (від 3 до 100 мА), розкид напруги стабілізації від зразка до зразка (не більший ніж ±15 %), динамічний опір (від 18 до 200 Ом), номінальне значення струму стабілізації (від 3 до 100 мА), температурний коефіцієнт напруги (від ±0,001 до ±0,1 %/К), часовий дрейф (від 3 до 150 мВ/1000 год), робочий діапазон температур (від –40 до +100 ⁰С).

Як видно з формул (3.4) - (3.6) для досягнення якісних параметрів ДОН слід збільшувати опір R_б (отже і напругу живлення) і вибирати стабілітрони з мінімально можливим динамічним опором r_g, забезпечувати режим близький до холостого ходу.

Мостові схеми дають можливість компенсувати зміну напруги U_ст протифазною зміною напруги на додатковому резисторі r_g (рис. 3.4) [39, 40].

Рис. 3.4 – Мостова схема параметричного ДОН

Якщо виконуються умови

r_g+R_g<<R_б1; r_g+R_g<<R_б2; R_вих<<R_н (3.7)

та умова компенсації динамічного опору r_g стабілітрона

r_g/R_б1≈R_g/R_б2, (3.8)

то вирази для вихідного опору та коефіцієнта стабілізації подамо у вигляді

R_вих=r_g+R_g, K_ст=R_б1/r_g-R_б2/R_g. (3.9)

Для забезпечення мінімального значення вихідного опору зазвичай вибирають R_g=r_g, тоді R_б1=R_б2.

Оскільки динамічний опір залежить від струму стабілізації, то коефіцієнт стабілізації може бути збільшений лише до певних значень, обмежених значеннями напруги живлення стабілізатора U_ж та струму його навантаження І_н. Практично вдається збільшити коефіцієнт стабілізації лише в 1,5…5 разів, але при цьому у два рази збільшується і вихідний опір мостового стабілізатора.

Д ля суттєвого збільшення коефіцієнта стабілізації доцільно використовувати як баластний резистор двополюсник з великим вихідним динамічним опором (рис. 3.5) або додатковий стабілізатор струму на основі ОП (рис. 3.6) [39-41]. Значення динамічного вихідного опору стабілізатора рис. 3.5

Рис. 3.5 Схема параметричного ДОН з генератором струму

обмежується параметрами використаних польових транзисторів і на практиці зазвичай складає значення (1…10) МОм, що дозволяє досягнути значень коефіцієнта стабілізації до10⁵ і при можливих змінах напруги живлення +10 % забезпечити границі допустимих значень похибки параметричного стабілізатора соті частки процента. Для реалізації найстабільніших ДОН доводиться використовувати окремий стабілізатор струму живлення основного стабілітрона VD2, який побудований на основі додаткового параметричного стабілізатора VD1, R_б1 та перетворювача напруга-струм DA1, VT1, R_б2 (рис. 3.6). З метою зменшення впливу зміни опору навантаження вихідну напругу стабілітрона подають до виходу через буферний масштабний підсилювач DA2, R₁- R₃. З допомогою резистивного зворотного зв’язку значення вихідної напруги стабілізатора може задаватися більшим від номінальної напруги стабілізації стабілітрона, наприклад, зручне для практичного використання значення 10 В. Окрім того, з допомогою змінного резистора R₃ можна коригувати технологічний розкид напруги стабілізації стабілітронів у процесі серійного виготовлення.

На основі стабілітронів можна реалізувати ДОН класу точності 0,005. Підвищенню класу точності ДОН перешкоджають недоліки стабілітронів: для їх живлення необхідно використовувати високо стабільні компенсаційні

Рис. 3.6. ДОН з додатковою стабілізацією робочого струму стабілітрона

стабілізатори напруги; великий рівень низькочастотних шумів (2...30 мкВ); ефект вимкнення живлення – мала повторюваність напруги стабілізації (до 100 мкВ або 0,001 % при U_ст=10 В); значний ТКН та часова нестабільність (особливо в початковий період стабілізації); явища гістерезису та незворотних змін напруги U_ст.

Незважаючи на ряд суттєвих переваг мір напруги на базі стабілітронів, останні не змогли повністю замінити нормальних елементів через більший рівень вихідної шумової напруги (2...30 мкВ), неповторюваність значень напруги U_ст (в межах до ±100 мкВ) при повторних включеннях напруги живлення, значну незворотну часову зміну напруги U_cт, особливо у початковий період експлуатації, прояви в деяких зразках явища гістерезису. Тому для використання в прецизійних мірах напруги застосовують спеціальні методики прискореного старіння стабілітронів з метою усунення вказаних недоліків, що суттєво підвищує їх вартість. Порівняно із мірами напруги на базі нормальних елементів при однаковій точності міри напруги на базі стабілітронів потрібно частіше повіряти (найточніші приблизно один раз на три місяці експлуатації). Принциповим недоліком стабілітронів, які обмежують подальші можливості покращення їх метрологічних характеристик, є можливий поверхневий пробій p-n переходу, зумовлений забрудненістю його поверхні та наявності на ній зарядів. Якщо якісне очищення поверхні p-n переходів є складною, але технічно вирішуваною задачею, то поверхневий заряд p-n переходів може змінюватись і від зовнішніх електромагнітних джерел, тобто може бути непрогнозованим.