Параметрический стабилизатор напряжения

Любой электронной схеме требуется стабилизированное напряжение, необходимое для питания входящих в её состав активных элементов (транзисторов, микросхем и т. п.). Несмотря на большое разнообразие видов линейных источников в основе всех их лежит классический параметрический стабилизатор напряжения (смотрите рис. ниже).

Упрощённая схема

При построении большинства таких устройств используется нелинейный полупроводниковый элемент – диод, называемый в этом случае стабилитроном.

Порядок включения

Классический стабилизатор на стабилитроне относится к простейшему виду устройств данного класса и является самым дешёвым и лёгким в исполнении. Своеобразная «расплата» за эту простоту – невысокий стабилизирующий эффект, сильно зависящий от величины нагрузки и наблюдаемый в очень узком диапазоне.

Входящий в состав стабилизатора напряжения полупроводниковый элемент (стабилитрон) представляет собой выпрямительный диод, включенный в обратном направлении. Благодаря этому, рабочая точка элемента может быть установлена на нелинейном участке вольтамперной характеристики (ВАХ) с резко уходящей вниз ветвью.

С примером типовой вольтамперной характеристики стабилитрона можно ознакомиться на приводимом ниже рисунке.

ВАХ стабилитрона

Принцип работы параметрического стабилизатора на стабилитроне (ПСН) неразрывно связан с видом обратной ветви характеристики стабилитрона, имеющей следующие особенности:

• При значительных изменениях тока через прибор напряжение на этом участке колеблется совсем в небольших пределах;
• Путём выставления величины токовой составляющей можно установить рабочую точку по центру обратной ветви;
• За счёт выбора напряжения стабилизации в фиксированной зоне ВАХ удаётся расширить динамический диапазон изменения тока стабилитрона (или его дифференциального сопротивления).

Принцип работы

Суть работы стабилизатора напряжения удобнее всего пояснить на примере диода, включённого в цепь постоянного тока. Когда напряжение на нём имеет прямую полярность (плюс подключён к аноду, а минус – к катоду), полупроводниковый переход смещён в проводящем направлении и пропускает ток.

При обратном порядке подачи полярности n-p переход закрыт и поэтому тока практически не проводит. Но если продолжать увеличивать обратное напряжение между электродами, то в соответствии с его ВАХ можно достичь точки, в которой диод вновь начинает пропускать поток электронов (но уже в другую сторону за счёт пробоя перехода).

Обратный ток в данной ситуации может считаться рабочим параметром, изменяющимся в пределах регулировки напряжения, а сам диод, работающий в режиме обратного включения, носит название стабилитрона.

Основные параметры

При изучении функционирования параметрического стабилизатора напряжения особое значение придаётся техническим характеристикам самого регулирующего прибора. К ним следует отнести:

• Напряжение стабилизации, определяемое как падение потенциала на нём при протекании тока средней величины;
• Максимальное и минимальное значения тока, пропускаемого через обратно смещенный переход;
• Допустимая рассеиваемая мощность на приборе Pmax.;
• Проводимость перехода в динамическом режиме (или дифференциальное сопротивление стабилитрона).

Последний параметр определяется как отношение приращения напряжения ΔUCT к вызвавшему его изменению стабилизирующего тока ΔICT.

Относительно первых двух параметров следует заметить, что для разных образцов полупроводниковых диодов они могут сильно различаться по своей величине (в зависимости от мощности прибора). Напряжение стабилизации для большинства современных стабилитронов варьируется в диапазоне от 0,7 до 200 Вольт.

Допустимая мощность рассеяния определяется уже перечисленными ранее параметрами и также сильно зависит от типа элемента. Это же можно сказать и о дифференциальном сопротивлении, в определённой мере влияющем на эффективность процесса стабилизации.

Схема параметрического стабилизатора

Особенности схемы

Полное схемное представление стабилизатора параметрического типа, в котором стабилитрон выполняет функцию опорного элемента, приводится на размещённом ниже рисунке.

Рабочая схема стабилизатора

Эту схему можно рассматривать как делитель напряжения, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD с подключённой в параллель нагрузкой RН.

При изменениях входного потенциала соответственно будет меняться и ток через стабилитрон; при этом величина напряжения на нём (а значит и на нагрузке) останется практически неизменной. Её значение будет соответствовать напряжению стабилизации при колебаниях входного тока в некоторых пределах, определяемых характеристиками диода и величиной нагрузки.

Расчёт рабочих параметров

Исходными данными, согласно которым осуществляется расчет стабилизатора параметрического типа, являются:

• Подаваемое на вход питание Uп;
• Напряжение на выходе Uн;
• Выходной номинальный ток IH=Iст.

С учётом этой информации рассчитаем искомую величину, воспользовавшись функцией онлайн-калькулятора, например.

В качестве примера положим:

Uп=12 Вольт, Uн=5 Вольт, IH=10 мА.

Исходя из этих данных, вводимых предварительно в онлайн-калькулятор или вручную, выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL с напряжением стабилизации 5,1 Вольт и дифференциальным сопротивлением порядка 10 Ом. С учётом этого вычисляем величину балластного сопротивления R1, определяемую следующим образом:

R1= Uо–Uн/Iн+Iст =12-5/0,01+0,01= 350 Ом.

Таким образом, весь расчет параметрического стабилизатора сводится к определению номинала балластного резистора R1 и выбору типа стабилитрона (исходя из того, на какое рабочее напряжение он рассчитан).

Возможности по увеличение мощности

Выходная мощность стабилизатора параметрического типа определяется максимальным током стабилитрона и его допустимой мощностью Pmax, которую при желании можно увеличить. Для этого следует дополнить схему транзисторным элементом, включаемым параллельно или последовательно с нагрузкой. Соответственно этому различают стабилизаторы параллельного и последовательного типа, в которых транзистор выполняет функцию усилителя постоянного тока.

Рассмотрим каждую их этих схем более подробно.

Параллельный стабилизатор

В схеме стабилизатора параллельного типа транзистор используется как эмиттерный повторитель, включённый параллельно нагрузке (смотрите рисунок ниже).

Схема стабилизатора параллельного типа

Напряжение на нагрузочном резисторе Rн составляет:

Uн=Uст+Uбэ (транзистора).

Схема работает по принципу отвода излишков тока через открытый переход К-Э транзистора, на базе которого постоянно присутствует напряжение (Uст). В этой схеме IСТ является одновременно базовым током транзистора, вследствие чего его величина в нагрузке может в h21e раз превышать исходное значение, то есть транзистор в данном случае работает как усилитель по току.

Последовательный стабилизатор

ПСН, собранный по последовательной схеме, представляет собой тот же эмиттерный повторитель на транзисторе VT, но с сопротивлением нагрузки Rн, включённым последовательно с переходом К-Э (смотрите рисунок).

Схема последовательного ПСН

Выходное напряжение устройства в данной ситуации равно:

Uн=Uст-Uбэ.

В этой схеме любые колебания тока в нагрузке приводят к противоположным по знаку изменениям напряжения на базе транзистора. Подобная зависимость вызывает открывание или закрывание перехода Э-К, что означает автоматическую стабилизацию выходного напряжения.

В заключение описания отметим, что как в последовательной, так и в параллельной схеме ПСН стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения, а транзистор – как усилитель тока.

Видео