2.1.4. Стабилизирующие свойства диодов, стабилитрон и его применение
Стабилизирующее свойство диодов проявляются у так называемых стабилитронов (диоды Зенера). Стабилитронами называются диоды, предназначенные для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т.д. Его условное графическое обозначение приведено на рис. 11.
Рис. 11. Условное графическое обозначение стабилитрона
Для стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя вольт– амперной характеристики в области обратных напряжений (рис. 12). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока через диод в определенных пределах. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона такая же, как и у обычного диода.
К основным параметрам стабилитрона относятся:
1. номинальное
напряжение стабилизации
– напряжение
на стабилитроне в рабочем режиме (при
заданном токе стабилизации);
Рис. 12. Вольт – амперная характеристика стабилитрона
2. минимальный
ток стабилизации
– наименьшее
значение
тока стабилизации, при котором режим
пробоя устойчив;
3. максимально
допустимый ток стабилизации
– наибольший
ток стабилизации, при котором нагрев
стабилитронов не выходит за допустимые
пределы, а пробой является обратимым;
4. дифференциальное
сопротивление
– отношение приращения напряжения
стабилизации к вызывающему его приращению
тока стабилизации
. (14)
Величина
,
как правило, составляет десятки Ом и
мало уменьшается с ростом тока
,
поэтому на данном рабочем участке ВАХ
стабилитрона можно аппроксимировать
линейной зависимостью:
. (15)
2.1.5. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне
Работа параметрического стабилизатора, электрическая схема которого приведена на рис. 13, основана на использовании нелинейности обратной ветви ВАХ стабилитрона.
Рис. 13. Электрическая схема параметрического стабилизатора
напряжения на стабилитроне
При изменении
напряжения питания приращение напряжения
на балластном резисторе
приближенно равно приращению входного
напряжения. При изменении тока нагрузки,
например увеличении, ток через стабилитрон
уменьшается, а суммарный ток через
резистор
остается величиной неизменной. В обоих
случаях выходное напряжение стабилизатора
изменяется незначительно.
Основным параметром всех стабилизаторов является коэффициент стабилизации :
, (16)
где
,
- динамическое (дифференциальное)
сопротивление стабилитрона. Так как
,
то приближенно можно записать:
. (17)
Динамическое сопротивление стабилитрона обычно приведено в справочнике. Иногда оно определяется по ВАХ с использованием формулы:
. (18)
При выборе
стабилитрона рекомендуется, чтобы ток
нагрузки схемы стабилизатора
не превышал
максимально допустимого тока через
стабилитрон, указанного в справочнике.
В качестве примера,
для схемы, представленной на рис. 13,
произведем расчет стабилизатора
напряжения наиболее полным аналитическим
методом. Пусть требуется рассчитать
стабилизатор напряжения для которого
требуется обеспечить
=9
В и нестабильность этого напряжения
при нестабильности напряжения на входе
.
Сопротивление нагрузки
примем равным
.
Выберем стабилитрон
типа КС191А,
имеющий
.
На основании (16) запишем:
,
следовательно:
.
Для стабилитрона
КС191А
из справочника находим
.
Поэтому
.
Номинальное напряжение на входе стабилизатора определяется как сумма напряжений:
,
где
;
;
.
По справочнику
также находим:
,
.
Отсюда
.
Учтем также, что для стабилитрона КС191А
напряжение стабилизации
,
тогда, производя вычисления, получим:
.
На этом, в принципе, расчет стабилизатора напряжения можно считать завершенным. Режим стабилизации у него должен сохраняться при изменении в некоторых пределах сопротивления нагрузки и входного напряжения. Поэтому важно также определить эти пределы.
Определим пределы
изменения сопротивления нагрузки, для
которого режим стабилизации сохраняется.
Из справочника следует, что ток
стабилизации для стабилитрона КС191А
может изменяться от
до
,
т.е.
.
Среднее значение тока нагрузки
.
Поэтому ток нагрузки может изменяться
в пределах от
до
,
что соответствует следующим сопротивлениям
нагрузки:
,
.
Определим допустимые пределы изменения входного напряжения, при которых сохраняется режим стабилизации. Минимальное (максимальное) входное напряжение соответствуют случаю, когда через стабилитрон течет минимальный (максимальный) ток стабилизации. Следовательно:
,
.
На практике часто используется более практичный, упрощенный, метод расчета стабилизатора напряжения на стабилитроне, который будет предложен при выполнении соответствующей лабораторной работы.