Параметрические стабилизаторы напряжения

Одним из простей­ших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рисунок 5.9, а). Кремниевый диод (стабили­трон) VD 1, 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 U_ст.

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 U_{ст min}. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения U_{ст max} при максимальном токе I_{ст max} (точка В), что соответствует максимальной мощности рассеяния Pmax = U_{ст max} I_{ст 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 R ₀ протекает общий ток I₀, равный сумме токов стабилитрона и нагрузки I_н, т. е. I₀ = I_ст +I_н. При этом входное напряжение U_ВХ распределяется на резисторе R₀ и на нагрузке R _H: U_ВХ= U_R0 + U_Н= I₀R₀ + I_HR_H.

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно вклю­ченном стабилитроне U_н = U _СТ, которое определяется соотноше­нием: U_СТ = I_ст · r_д, 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 DU_СТ. Это изменение будет тем меньше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Следова­тельно, изменение напряжения на входе стабилизатора DU_ВХ рас­пределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке DU_Н = DU_СТ, т. е. DU_ВХ = DU_R0 + DU_СТ. При соблюдении соотношения R₀>>r_Д, что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах, DU_СТ →0, тогда DU_ВХ ≈DU_R0.

С уменьшением входного напряжения уменьшается ток стаби­литрона и снижается падение напряжения на сопротивлении R ₀. Таким образом, все изменения входного напряжения будут ском­пенсированы изменением падения напряжения на гасящем сопро­тивлении. Колебания напряжения на нагрузке будут определяться изменениями напряжения на стабилитроне DU_СТ, т.е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

Изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении будут вызывать обратные изменения тока стабилитрона (с увеличе­нием тока I_н уменьшается ток I_ст). 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 U_{ст ном} > 5 В) или отрицательным (при U _стном < 5 В ) температурным коэффициентом. Для уменьшения температурной нестабильности в полупроводни­ковых стабилизаторах последовательно со стабилитроном в пря­мом направлении включают германиевый диод VD 2 (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.