4.2 Параметрические стабилизаторы

4.2.1 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) ивольт, 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 меньшестабилитрон 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 увеличиватьнельзя, т.к. рабочая точка может уйти на нерабочую часть ВАХ или потребуется увеличивать, что приведет к снижению. Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основномстабилитрона, 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 резистореR_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 стабилитрономVD2,).

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.