4.1. Параметрические стабилизаторы

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Для стабилизации напряжения на мало­мощ­ной нагрузке, а также в опорных источниках используются парамет­рические стабилизаторы напряжения –стабилитроны.Полупроводнико­вый стабили­трон предста­вляет собой диод (иначе его называют диодом Зенера), который при определенном напряжении обратного смещения (U_ст)пробивается. Ток пробоя очень быстро растет при увеличении напряжения. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 6.

Как видно из рис. 6, стабилизация тем луч­ше, чем круче идет кривая. Основным пара­мет­ром стабилитрона, определяющим коэффи­ци­ент стабилизации, является дифференциальное сопротивление r_д=dU/dI. Харак­терные величиныr_ддесятки ом. Другим параметром, особенно важным для опорных источников напряжения, явля- ется температурный коэффициент напря­жения стабилизации_ст = (U_ст/U_ст)/T [1/С].Единицами измерения_стмогут быть также [мВ/С]. В приложении 1 приведены параметры некоторых ста­би­литронов. Заметим, что_стиr_дсильно зависят от тока через стабилитрон [Хоровиц, Хилл, 1984].

На рис. 7 приведена схема источника питания с параметрическим стабилизатором на полупроводниковом стабилитроне.

Рис. 7. Источник питания на стабилитроне

Если на входе схемы существуют пульсации тока, то пульсации напряжения на выходе будут снижены за счет малой величины дифференциального сопротивления стабилитрона. Для пульсаций резисторы R₁||R_ниr_добразуют делитель напряжения, так что

U_н = r_д/(r_д+ R₁||R_н)U_вх, (6)

где U_вх– пульсации входного напряжения,R₁||R_н – сопротивление параллельного соединения токозадающего резис­тора и нагрузки. Для приведенных на рис. 7 номиналов приr_д  40 Ом, R_н > R₁  U_н/U_вх  0,05.

Недостатком схемы параметрического стабилизатора, изображенной на рис. 7, является малый ток в нагрузке, так как этот ток составляет только часть тока стабилитрона, который ограничен максимальной мощностью тепловыделения.

Рис. 8. Стабилизатор с эмит­тер­ным повторителем

Улучшить нагрузочную способность параметрического стабилизатора можно дополнив его эмиттерным повторителем, как на рис. 8. Здесь транзистор является регулирующим и усилива­ющим элементом, а стабилитрон – источником опор­ного нап­ря­жения. Выходное нап­ря­же­ниеU_вых = U_оп – U_бэ . РезисторR = 10Ом служит ограничителем тока при коротком замыкании на выходе – другой защиты нет. Входное напря­жение должно быть большеU_опна 24 В плюс величина пульсаций, чтобы транзистор всегда находился в активной области. Именно этим объясняется малая величина к.п.д. для линейных ИП. В нашем случае, как легко видеть из схемы, приU_вх = 10 Вкоэффициент полезного действия< 50%.

Выходное сопротивление можно определить как выходное сопротив­ление эмиттерного повторителя R_вых = r_э + (r_б + r_д)/( + 1),гдеr_д– диф­ференци­аль­ное сопротивление стабилитрона,r_б– внутреннее сопро­тивление базы (десятки Ом),r_э– сопротивление эмиттера, которое при не очень больших токах можно оценивать по формулеr_э  0,025/I_э Ом.

4.2. Компенсационный стабилизатор

Рис. 9. Функциональная схема последовательного компен­са­ционного стабилизатора

На рис. 9 приведена функциональная схе­ма стабилизатора последова­тельного типа, где 1 – регулятор (достаточно мощ­ный тран­зистор), 2источ­ник опор­ного напряжения (стабилитрон), 3 – усилитель сигнала ошиб­ки. Это типичная схема авто­матического регулирования с отрицатель­ной обратной связью.

Усилитель сравнивает сигналы U_опиU_вых , усиливает разность между ними (сигнал ошибки) и выдает управляющее воздействие на регулятор. При измененииU_вхилиR_нуправляющее воздействие меняется таким образом, чтобы уменьшитьU_вых.

Если коэффициент передачи сетевых возмущений через регулятор обозначить K₀, коэффициент усиления сигнала ошибки черезK, то можно записать

U_вых = K₀U_вх + K(U_вых  U_оп) = K₀U_вх + KU_вых ; (7)

следовательно

. (8)

Отсюда ясно, что для уменьшения U_выхкоэффициент усиленияKдолжен быть отрицательным. Таким образом, согласно формуле (3) для коэффициента стабилизации получаем

приK < 0. (9)

При выводе (9) U_опсчитается постоянным. ЕслиK₀ определяется эффектом Эрли (как на рис. 10), тоK₀ <<    1.

Заметим, что уже при K_ст > 10³следует учитывать влияние других параметров – нестабильность источника опорного напряжения, внутренние и внешние наводки, падение напряжения на подводящих проводах и т. д.

Выходное сопротивление стабилизатора, как системы с отрицательной обратной связью дается формулой R_вых = R_вых0/(1+K),гдеR_вых0– выходное сопротивление без обратной связи.

На рис. 10 приведена схема компенсационного стабилизатора последова­тель­ного типа с защитой от короткого замыкания. Опорное напряжение вырабатывается стабилитроном КС156А. Выходное напряжение можно менять с помощью резистора R₃от 5,6 В до(U_вх – U_кэ.VT1).Токозадающий резистор стабилитрона подключен к нестабилизированному напряжению, что конечно увеличивает пульса­цииU_оп и, как следствие, пульсации выходного напряжения (см. формулу (6)). Существенно уменьшить эти пульсации можно заменив резисторR₁, питающий стабилитрон, источником тока на транзисторе (см. задание 5.5, рис 14, а), каскадировать стабилитроны (см. задание 5.3.2, рис. 13) или запитать стабилитрон от выходного напряжения (см. задание 5.3). Максимальный выходной ток стабилизатора определяется коэффициентом усиления по току транзистораVT1 () и максимальным током, который может отдать операционный усилительI_вых.max  I_ОУmax . При этом мощность, рассеиваемая на транзистореP_VT1 = (U_вх  U_вых)I_вых.maxне должна превышать предельно допустимое значение. Методы отвода тепла и характеристики различных радиаторов хорошо описаны в [Хоровиц, Хилл, 1984].

Рис. 10. Компенсационный стаби­лизатор с защитой от к.з.

Обязательная в каждом ста­би­ли­­заторе защита от короткого замы­ка­ния реализована на тран­зи­с­тореVT2 и резистореR₂. ЕслиU_бэ.VT2 = I_выхR₂превышает ~0,6 В, транзисторVT2 отпирается и отво­дит базовый токVT1 в нагруз­ку (замыкает базу на эмиттер) и ток черезVT1 больше не увеличи­ва­ется. РезисторR₄служит для ог­ра­ничения выход­ного тока ОУ. ДляR₂ = 4,7 Ом защита включается приI_вых  0,6/R₂  130мА.

Коэффициент усиления ОУ на часто­тах ~100 Гц имеет порядок 10⁴. Коэф­фициент стабилизации согласно (9) даже приK₀ ~1имеет величину ~10⁴, аR_вых  ~10^‑3Ом. Но пульса­ции выход­ного напряжения в этой схеме определя­ются пульсациямиU_опи сос­тавляют несколько десятков милливольт (см. формулу (6)).

    а) б)

Рис. 11. Интегральный стабилизатор

Промышленностью выпускаются инте­гральные стабилизаторы, где все, что изображено на рис. 8, за исключениемR_н , выполнено на одной подложке. Внешне такие стабилизаторы выглядят как обычные мощные транзисторы (рис. 11, а), а схема применения совсем проста (рис. 11, б). Для сведения приведем пара­метры стабилизатора КР142ЕН5А:U_вых = 5 В;U_вх = 7,515 В;U_вых = 0,1 В;I_вых.max = 3 А;P_т = 10 Вт;_ст = 3^‑.