Материалы по стабилитронам / SN2

Стабилизаторы напряжения.

Стабилизаторы используются в основном для питания низковольтной (как правило, E_пит<50В) аппаратуры (в первую очередь транзисторной).

Основными параметрами стабилизаторов являются:

1.Коэффициент нестабильности выходного напряжения

2.Коэффициент температурной нестабильности выходного напряжения

3.Выходное сопротивление

Все три параметра надо стремится уменьшать.

Диодные стабилизаторы.

Являются простейшими устройствами стабилизации без использования усилительных элементов. В качестве опорного элемента используется диодный стабилитрон.

На рис. 2(а) приведена принципиальная схема однокаскадного диодного стабилизатора.

Рассмотрим ВАХ стабилитрона (см. рис. 3)

Аппроксимируем ВАХ в рабочем диапазоне токов I_min<I_Д<I_max кусочно-линейной функцией.

схема, соответствует принятой аппроксимации, приведена на рис. 2,б.

Получим Выражение для К_стаб.

Для этого свяжем U_вых c U_вх:

В реальных схемах различных стабилитронов колеблется в пределах 1 - 10² Ом; а сопротивление R₀=10² – 10⁴ Ом т.е. как правило:

следовательно К_стаб<<1.

Выходное сопротивление R_вых≈R_Д .

Рассмотрим схему 2^х каскадного диодного стабилизатора

Выразим потенциал точки А:

Тогда напряжение на выходе:

Вычислим коэффициент нестабильности:

Выходное сопротивление такое же, что и в однокаскадном стабилизаторе

R_вых≈R_Д2 .

Поскольку в диодных стабилизаторах U_вых определяется напряжением на стабилитроне, то коэффициент нестабильности К_Т полностью определяется температурным коэффициентом напряжения (ТКН) стабилитрона.

К_Т=ТКН_СТ

тип стабилитрона	ТКНст.,
прецизионый	2·10-4 ÷ 10-2
маломощный	0,02 ÷ 0,08
средний	0,05 ÷ 0,12
большой	0,07 ÷ 0.12

Транзисторные стабилизаторы.

Рассмотрим на примере однокаскадного стабилизатора с питанием от входного напряжения.

Схема представляет собой ЭП.

Эквивалентная схема транзисторного стабилизатора будет иметь следующий вид:

Свяжем зависимостью U_вых и U_вх

Потенциал точки Б

(1)

(2)

(3)

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

(4)

Сравнивая соответствующие выражения для К_стаб простейших диодных и транзисторных стабилизаторов видна, что при прочих равных условиях у диодного стабилизатора коэффициент К_ст выше.

Транзисторный стабилизатор с оптронной обратной связью.

Схема одновременно выполняет функции стабилизатор и зарядного устройства для аккумуляторов

Диодный мост и конденсатор С₁ выпрямляют и фильтруют входное напряжение переменного тока.

1. Работа как зарядное устройство.

При неполном заряде аккумулятора напряжение на нём 12,7 В (V_Z+V_Д). Стабилитрон выключен (смотри точку А на характеристике) и через светодиод оптрона ток практически не протекает. Через фототранзистор оптрона ток также не протекает.

В этом случае транзистор Т₁ открывается и пропускает ток через аккумулятор. Ток I_А ограничивается резистором R₂. Когда напряжение на АКК превышает величину (V_Z+V_Д), стабилитрон включается и появляется ток I_Z. Оптрон включается, через фототранзистор течёт ток, напряжение U_КЭФТ мало и транзистор Т₁ запирается. Ток I_А прекращается.

2. Режим стабилизации напряжения U_вых.

Имеет место в отсутствии АКК. Выходной ток I_Н зависит в основном от величины R_Н.

Величина U_вых и I_Н устанавливаются соответственно выбором резисторов R₁ и R₂ и стабилитрона.

Допустим, что известны R_Н и U_вых, тогда

Значение R₁ определяется из условия закрытого транзистора Т₁:

, пренебрегая U_КЭФТ ≈0

Значение R₂ определяется из условия открытого транзистора Т₁:

Рассмотрим коэффициент нестабильности без ОС и с ОС.

1. без ОС, когда Т₁ открыт, ФЭ ток не пропускает

, однако гораздо хуже чем в однокаскадном транзисторном стабилизаторе.

если

1. Т₁ – открыт

ФЭ – закрыт

однако существенно хуже чем для транзисторного стабилизатора.

если

2)Т₁ закрыт, т.к. ФЭ проводит.

;

2.с целью ОС, когда ФЭ пропускает ток и Т₁ закрыт

;

Получим, что U_ФЭ не зависит от U_вых.

(2)

Сравнивая (2) с (1) видно, что

Выражение (2) аналогично выражению для обычного диодного стабилизатора.

Для диодного оптрона:

где K_I – коэффициент передачи оптрона по току

I_ФО - темновой ток оптрона

т.е. улучшается при увеличении K_I и уменьшении I_ФО оптрона.

Стабилизаторы тока

Стабилизаторы представляют собой схемное воплощение источников тока.

Стабилизаторы тока должны поддерживать неизменным выходной ток при изменении нагрузки и входного (питающего) напряжения.

Рассмотрим общую схему стабилизатора тока:

Идеальный стабилизатор тока имеет горизонтальную ВАХ.

Характеристики реальных стабилизаторов имеют наклон пропорциональный ctgγ=R_i.

Обычно для реализации ВАХ рис.2 используется транзистор, включённый по схеме с ОЭ или ОБ.

В случае ОЭ U_Tmin ≈ 0,2 - 0,3B; для ОБ - U_Tmin ≈ 0.

В схеме ОБ : ; в схеме ОЭ: .

В общем случае в зависимости от различных влияющих дестабилизирующих факторов могут меняться величины I _О, U_вх, U_вых.

Оценим изменение I _Н:

- для наихудшего случая.(1)

Качество стабилизатора тока характеризуется параметром, который называется относительной нестабильностью.

(2)

Выражение (2) получено из (1) путем деления на нелинейное значение

Н – нелинейная нагрузка. Которая может меняться. Стабилизированный ток задаётся цепью R_О, E_О.

Выразим ток I_Э:

для этого запишем уравнение для токов в узле Б

; ;

Выразим ток I_Э и оценим его стабильность

(1)

Рассмотрим схему рис.4 с заземлённым диодом.

Видно что по сравнению со схемой рис.2 стабильность схемы рис.4 хуже, т.к.

(2)

т.е. надо ещё учитывать нестабильность источника E_Э.

В схеме рис.2 уменьшение ΔE_Э приводим одновременно к ΔU_Э и ΔU_Б , которые компенсировали друг друга.

Итак для схемы рис.2 в наихудшем случае

(3)

Из (3) видно, что нестабильность тока ΔI_Э тем меньше чем больше R_Э и чем качественнее стабилитрон (т.е. чем меньше и R_Д ΔU_О).

Отражатель тока – широко распространённая разновидность стабилизаторов тока, известная ещё и под названием токовое зеркало.

В отличие от схемы рис.2 вместо стабилитрона используется резистор R₁ и транзистор Т₁ в диодном включении.

Пусть R₁ =R₂ и транзисторы Т₁ и Т₂ одинаковы. Это условие легко выполнить в интегральном исполнении.

Рабочий диапазон резисторов 100 Ом < R₁, R₂< 20 кОм.

Работа отражателя тока основывается на равенстве:

1. пренебрежем малым током I_Б2, тогда:

при равенстве R₁ =R₂ и идентичности транзисторов U₁=U₂ I_вх=I_Н

т.е. выходной ток нагрузки I_Н повторяет или отражает входной ток. Т.е. это схема токового повторителя.

Пусть , тогда

I_вхR₁ =I_НR₂ или

т.е ток в нагрузке может “повторять” ток на входе в заданном масштабе. Масштаб задаётся отношение .

2) c учётом малого тока

при U₁≈U₂ ; R₁=R₂

Эта составляющая определяет температурную нестабильность “отражателя” тока.

Эта нестабильность тем меньше, чем больше коэффициент усиление β₂ транзистора T₂.

Пример №1

Рассчитать нестабильность тока I_Н для транзисторного стабилизатора тока из рассмотрим при изменении температуры на ΔT=20ºC.

пусть мы имеем типовой интегральный транзистор, для которого