Параметрические стабилизаторы напряжения

Одним из простей­ших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рисунок 5.9, а). Кремниевый диод (стабили­трон) VD1, включенный в обратном направлении, является стабили­зирующим элементом. При малом обратном напряжении через стабилитрон протекает ток, мало зависящий от напряжения, как и в обычных диодах. Увеличение этого напряжения вызывает электрический пробой запорного слоя стабилитрона. В этом состоянии изменение тока в широких пределах почти не вызывает изменения напряжения на стабилитроне. Если мощность, выделяе­мая на стабилитроне, не превышает допустимую, то состояние пробоя может существовать бесконечно долго (десятки тысяч часов) и повторяться при включении и выключении диода. Это напряжение пробоя и является напряжением стабилизации Uст.

Рисунок 5.9 – Схема параметрического стабилизатора напряжения (а)

и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)

Точка А на вольтамперной характеристике стабилитрона (рисунок 5.9, б)соответствует пробою стабилитрона, который происхо­дит при напряжении Uст min. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения Uст max при максимальном токе Iст max (точка В), что соответствует максимальной мощности рассеяния Pmax = Uст max Iст max. При дальнейшем увеличении тока мощность, выделяемая на стабилитроне, превысит допустимую и может произойти тепловой пробой (разрушение p-n - перехода).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона тоже достаточно крутая, и может быть использована для стабили­зации малых напряжений от 0,5 до 0,8 В при включении стабили­трона в прямом направлении.

В схеме (см. рисунок 5.9, а) через ограничивающий резистор R0 протекает общий ток I0, равный сумме токов стабилитрона и нагрузки Iн, т. е. I0 = Iст +Iн. При этом входное напряжение UВХ распределяется на резисторе R0 и на нагрузке RH: UВХ= UR0 + UН= I0R0 + IHRH.

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно вклю­ченном стабилитроне Uн = UСТ, которое определяется соотноше­нием: UСТ = Iст · rд, где rд = ΔUст/ΔIст - динамическое (дифференци­альное) сопротивление стабилитрона (см. рисунок 5.9, б).

При увеличении входного напряжения в начальный момент времени напряжение на нагрузке также стремится к увеличению. Это незначительное изменение напряжения, прикладываемого к ста­билитрону (в соответствии с его вольтамперной характеристикой), вызывает резкое увеличение тока, протекающего через него. При этом возрастает и общий ток I0, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем сопротивлении R0. Напряжение на нагрузке увеличится на DUСТ. Это изменение будет тем меньше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Следова­тельно, изменение напряжения на входе стабилизатора DUВХ рас­пределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке DUН = DUСТ, т. е. DUВХ = DUR0 + DUСТ. При соблюдении соотношения R0>>rД, что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах, DUСТ →0, тогда DUВХ ≈DUR0.

С уменьшением входного напряжения уменьшается ток стаби­литрона и снижается падение напряжения на сопротивлении R0. Таким образом, все изменения входного напряжения будут ском­пенсированы изменением падения напряжения на гасящем сопро­тивлении. Колебания напряжения на нагрузке будут определяться изменениями напряжения на стабилитроне DUСТ, т.е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

Изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении будут вызывать обратные изменения тока стабилитрона (с увеличе­нием тока Iн уменьшается ток Iст). Общий ток I0, протекающий через гасящее сопротивление, практически не изменится, что обес­печит постоянство напряжения на нем, а следовательно, и на нагрузке (на выходе стабилизатора).

Напряжение на выходе параметрического стабилизатора опре­деляется опорным напряжением стабилитрона. Для получения бо­лее высоких напряжений на выходе параметрического стабилиза­тора напряжения стабилитроны включают последовательно.

Как известно, кремниевые стабилитроны, включенные в обрат­ном направлении, обладают положительным (при Uст ном > 5 В) или отрицательным (при Uстном < 5 В) температурным коэффициентом. Для уменьшения температурной нестабильности в полупроводни­ковых стабилизаторах последовательно со стабилитроном в пря­мом направлении включают германиевый диод VD2 (один или несколько) (см. рисунок 5.9, а).

С повышением температуры напряжение лавинного пробоя ста­билитрона повышается, а прямое сопротивление диода уменьша­ется. При определенном соотношении сопротивлений диода и ста­билитрона может быть достигнута компенсация, т.е. выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения будет мало зависеть от температуры. Для этих целей промышленность выпускает стабилитроны, выполненные в одном корпусе вместе с термокомпенсирующим диодом.

К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся простота схемы, низкая стоимость, небольшие масса и габаритные размеры.

Однако параметрические стабилизаторы напряжения обладают и рядом существенных недостатков: довольно значительное выход­ное сопротивление; невозможность получения точного определен­ного значения выходного напряжения, а также плавной его регули­ровки; невысокий коэффициент стабилизации напряжения порядка 20-60; к. п. д. ≈ 30%; маломощны; токи нагрузки ограничиваются максимально допустимыми токами стабилитронов; не допускается параллельного включения стабилитронов, так как из-за различия сопротивлений токи через них будут распределяться неодинаково.

Для получения больших токов нагрузки, значительно превы­шающих токи стабилитрона, а также получения более высоких качественных показателей применяют компенсационные стабилиза­торы напряжения.