2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения

Одним из простейших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рис. 2.2, а). Кремниевый диод (стабилитрон) VD1, включенный в обратном направлении, является стабилизирующим элементом. При малом обратном напряжении через стабилитрон протекает ток, мало зависящий от напряжения, как и в обычных диодах. Увеличение этого напряжения вызывает электрический пробой запорного слоя стабилитрона. В этом состоянии изменение тока в широких пределах почти не вызывает изменения напряжения на стабилитроне. Если мощность, выделяемая на стабилитроне, не превышает допустимую, то состояние пробоя может существовать бесконечно долго (десятки тысяч часов) и повторяться при включении и выключении диода. Это напряжение пробоя и является напряжением стабилизации  .

 

Рис. 2.2. Параметрический стабилизатор напряжения:  а – принципиальная схема стабилизатора, б – вольт–амперная характеристика стабилитрона

 

Точка А на вольт-амперной характеристике стабилитрона (рис. 2.2, б) соответствует пробою стабилитрона, который происходит при напряжении  . В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения   при максимальном токе   (точка В), что соответствует максимальной мощности рассеяния   При дальнейшем увеличении тока, мощность, выделяемая на стабилитроне, превысит допустимую и может произойти тепловой пробой (разрушение p-n-перехода).

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона тоже достаточно крутая, и может быть использована для стабилизации малых напряжений от 0,5 до 0,8 В при включении стабилитрона в прямом направлении.

В схеме (рис. 2.2, а) через ограничивающий резистор  протекает общий ток  , равный сумме токов стабилитрона и нагрузки  , т. е.  . При этом входное напряжение  распределяется на резисторе   и на нагрузке  :  .

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно включенном стабилитроне  , которое определяется соотношением

,                                                                                                          (2.16)

где   динамическое (дифференциальное) сопротивление стабилитрона (рис. 2.2, б).

При увеличении входного напряжения в начальный момент времени напряжение на нагрузке также стремится к увеличению. Это незначительное изменение напряжения, прикладываемого к стабилитрону (в соответствии с его вольт-амперной характеристикой), вызывает резкое увеличение тока, протекающего через него. При этом возрастает и общий ток , что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем сопротивлении . Напряжение на нагрузке увеличится на  . Это изменение будет меньше, чем дифференциальное сопротивление стабилитрона. Следовательно, изменение напряжения на входе стабилизатора  распределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке  , т. е.  . При соблюдении соотношения  , что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах,  , тогда  .

С уменьшением входного напряжения уменьшается ток стабилитрона и снижается падение напряжения на сопротивлении  . Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы изменением падения напряжения на гасящем сопротивлении. Колебания напряжения на нагрузке будут определяться изменениями напряжения на стабилитроне  , т. е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

Напряжение на выходе параметрического стабилизатора определяется опорным напряжением стабилитрона. Для получения более высоких напряжений на выходе параметрического стабилизатора напряжения стабилитроны включают последовательно.

Расчет параметрического стабилизатора напряжения можно выполнить, располагая исходными значениями:  ;  ;  ;  ;  ;  ;  .

По опорному напряжению, максимально допустимому току и номинальной мощности выбирают тип стабилитрона. Максимально допустимый ток определяется из соотношения

 

,                                                                                                                   (2.17)

Сопротивление гасящего резистора должно быть выбрано таким, чтобы при напряжении   ток стабилитрона не умень­шился бы ниже тока   (см. рис. 1.2, а), а при напряжении   ток  . Сопротивление

.                                                                                              (2.18)

Выходное сопротивление стабилизатора  , т. е. определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.

Мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не должна превышать номинальную  .

Коэффициент стабилизации по напряжению определяется из соотношения   выражения (2.8).

К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся: простота схемы; низкая стоимость; небольшая масса и габаритные размеры.

Однако параметрические стабилизаторы напряжения обладают и рядом существенных недостатков: довольно значительное выходное сопротивление; невозможность получения точного определенного значения выходного напряжения, а также плавной его регулировки; невысокий коэффициент стабилизации напряжения порядка 20–60; кпд около 30 %; маломощны; токи нагрузки ограничиваются максимально допустимыми токами стабилитронов; не допускается параллельного включения стабилитронов, так как из-за различия сопротивлений токи через них будут распределяться неодинаково.

Для получения больших токов нагрузки, значительно превышающих токи стабилитрона, а также получения более высоких качественных показателей применяют компенсационные стабилизаторы напряжения.