6.2.1 Источники опорного напряжения на стабилитронах

Стабилитроны – кремниевые диоды, работающие при обратном смещении перехода и часто называемые диодами Зенера (Zener diodes). В отечественной литературе и за рубежом приняты различные обозначения стабилитронов на принципиальных электрических схемах, что показано на рис. 39. На рисунке обозначены напряжение и ток стабилизации. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (ВАХ) с участками прямого смещения и пробоя показана на рис. 40. Если при прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод – падение напряжения U_пр=0,7…0,9 В и температурный коэффициент напряжения (ТКН) () отрицательный, то параметры стабилитрона, работающего на участке пробоя, зависят от заданных требований, технологии изготовления и конструкции прибора.

Выпускаемые в настоящее время стабилитроны имеют широкий диапазон напряжений пробоя (стабилизации) – от единиц до десятков вольт. Максимальная мощность, рассеиваемая на стабилитроне, зависит от поверхности корпуса и от способа монтажа корпуса на плате. Перечислим важнейшие параметры стабилитрона, оказывающие влияние на работу ИОН:

• напряжение стабилитрона, U_с [В] – указывается для определенного тока стабилизации – 5 мА или менее для высоковольтных приборов при комнатной температуре;

• дифференциальное (динамическое) сопротивление, r_д [Ом] – характеризует наклон ВАХ на участке пробоя и указывается для того же тока стабилизации, при

Рис. 39 — Обозначения принятые для стабилитронов на принципиальных электрических схемах:

а – обозначение, принятое в России; б – обозначение, принятое за рубежом.

Рис. 40 — ВАХ стабилитрона.

• котором определялось напряжение U_с при комнатной температуре; сопротивление r_д может также указываться для тока значительно меньше того тока, при котором производилось измерение U_с;

• рассеиваемая мощность, Р_р[мВт] – максимальная мощность, указываемая при температуре 25^о С; при дальнейшем повышении температуры окружающей среды Р_р снижается, степень снижения зависит от конструктивных особенностей прибора;

• тепловое сопротивление переход – среда, R_тпс [^oC/Вт] – параметр, также зависящий от конструкции;

• максимальная температура перехода, T_п [^oC].

Для ИОН, работающего на основе стабилитрона, весьма важен технологический разброс напряжения стабилизации U_с. Существующие стабилитроны имеют разброс ,или%.

Дифференциальное сопротивление r_д оказывает влияние на стабильность выходного напряжения ИОН при изменении нагрузки; важно, чтобы это сопротивление было по возможности меньше. Сопротивление r_д зависит, в первую очередь, от напряжения стабилизации: оно наибольшее для стабилитронов с U_с= 2,4…5,1 В, составляя 70…40 Ом, минимально при напряжении U_с= 6…9 В(Ом) и возрастает при U_с>10 В.

С ростом тока стабилизации r_д резко снижается, уменьшаясь, например, в 2…25 раз при возрастании тока стабилизации с 0,2…0,5 до 2…5 мА.

ТНК стабилитрона, так же как и сопротивление r_д, зависит от напряжения U_с. Минимальный (по абсолютному значению) ТНК имеют стабилитроны с U_с = 5,1 В; при увеличении U_с ТНК возрастает, оставаясь положительным, а при уменьшении U_с от значения 5,1 В ТНК имеет отрицательный знак.

ИОН на основе стабилитрона представляет собой параллельный стабилизатор напряжения, поскольку регулирующий элемент включен параллельно нагрузке (рис.41). На этом рисунке R – сопротивление нагрузки, R_Б – балластное сопротивление. Ток, проходящий через сопротивление R_Б:

(6.2.1.1)

Рис. 41 — ИОН на основе стабилитрона.

Ток, проходящий через нагрузку:

(6.2.1.2)

Ток в стабилитроне:

(6.2.1.3)

Последнее отношение может быть приведено к виду:

(6.2.1.4)

где ; R_э – результат параллельного включения R и R_Б.

Соотношение (6.2.1.4) показывает, что минимальным ток стабилизации (I_{c min}) будет при U_{вх min} и R_min. При этих условиях задав ток I_{c min} и считая, что напряжение U_вых=U_{c max} (максимальное значение U_c из справочных данных), определим после преобразований из (6.2.1.4) балластное сопротивление R_Б:

(6.2.1.5)

Максимальный ток стабилизации (I_{с max}) будет при U_{вх max}, U_{c min} и R_max. Поскольку для выбранного типа стабилитрона U_{c min} известно из справочных данных, после расчета R_Б по соотношению (6.2.1.5) следует проверить, не превышает ли ток I_{с max} предельно допустимый:

(6.2.1.6)

Ток I_{c max} не должен превышать ток, равный P_p/U_{c max}, с учетом снижения P_p при возрастании температуры.

Изменение выходного напряжения при изменении входного учитывается с помощью соотношения, полученного из (6.2.1.4):

. (6.2.1.7)

При изменении сопротивления нагрузки также происходит изменение U_вых, которое можно учесть, преобразуя (6.2.1.4) и учитывая, что U_вх останется постоянным:

(6.2.1.8)

где - изменение сопротивления нагрузки от исходного значения, которое учитывается в эквивалентном сопротивлении R_э.

Соотношения (6.2.1.7) и (6.2.1.8) показывают, насколько важно, чтобы стабилитрон имел малое сопротивление r_Д. Температурные изменения напряжения на выходе ИОН учитываются с помощью ТКН стабилитрона, приводимого в справочных данных.