Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора R_Г (см. рис. 2.4.3).

Рис.2.4.3

По I и II законам Кирхгофа

. (2.4.8)

Согласно 1:

.

Подставим в эту формулу уравнения (2.4.8):

.

Поскольку <<R и >>1, то

. (2.4.9)

увеличивается при уменьшении и увеличении . Но при увеличении нужно увеличивать U_вх. Поэтому нельзя получить очень высокий . Обычно не превышает нескольких десятков. Существует предельно достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации

,

где .

Но при увеличении возрастают потери мощности, снижается КПД:

. (2.4.10)

= 20-30%, что объясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность.

Существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Это изменение можно выразить линейной зависимостью:

, (2.4.11)

где g - абсолютный температурный коэффициент. Стабилитроны с U_ст<5 В имеют отрицательный g, то есть U_ст уменьшатся с ростом температуры, а стабилитроны с U_ст >5 В - положительный g.

Относительный температурный коэффициент, %/ °С:

.

Для уменьшения температурной нестабильности используют схемы с температурной компенсацией.

Наиболее простая схема предполагает использование одного или нескольких полупроводниковых диодов, смещённых в прямом направлении (рис.2.4.4.).

Рис.2.4.4

У открытых p-n переходов g отрицателен, поэтому такой способ пригоден для стабилитронов с U_ст >5 В.

Включение термокомпенсирующих диодов приводит к росту внутреннего сопротивления ветви со стабилитроном:

,

где - внутреннее сопротивление термокомпенсирующего диода.

K_ст немного уменьшается.

Другой способ заключается в использовании стабилитронов с внутренней термокомпенсацией, представляющих собой два p-n перехода, включенных навстречу друг другу и выполненных на одном кристалле. Это прецизионные стабилитроны 2С108В, 2С116В, 2С190Д с ТКН=±0,0005% /°C.

Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон в базовую цепь эмиттерного повторителя (см. рис. 2.4.5).

Рис.2.4.5

Таким образом, мощность нагрузки увеличена, а нестабильность снижена, так как базовый ток изменяется очень слабо в процессе стабилизации.
В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используют нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор. Если U_зи=const, то I_с»const (см. рис. 2.4.6). В нашем случае затвор и исток закорочены.

Рис. 2.4.6

Стабилизатор тока применяют в параметрических стабилизаторах напряжения для стабилизации входного тока (рис. 2.4.7). Включение стабилизатора тока вместо гасящего сопротивления даёт возможность повысить K_ст:

Рис. 2.4.7

,

где - дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора.

В результате КПД стабилизатора повышается.

Традиционные стабилитроны не охватывают весь диапазон напряжений. Для получения требуемого U_вых>U_ст используются операционные усилители (см. рис. 2.4.8).

Рис. 2.4.8

.

В связи с тем, что простой стабилитрон не отвечает требованиям, предъявляемым к источникам опорного напряжения (ИОН), были разработаны СИМС (стабилитронные ИМС), которые имеют два или три вывода и выполнены как обычный стабилитрон, хотя в действительности они являются ИМС, содержащей пассивные и активные элементы. Все СИМС можно разделить на три группы:

температурно-компенсированные СИМС;

температурно-стабилизированные;

опорные источники с напряжением запрещённой зоны (bandgap ИОН).

Температурно-компенсированные - 1009ЕН1. В неё входят 9 транзисторов и резисторы. U_ст =31-35 В, I_ст =5 мА, ТКН 0,006 % / °C. Предназначены для питания варикапов.

Температурно-стабилизированные ИОН содержат интегральный стабилитрон, а также прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры ДТ (переход база-эмиттер транзистора). Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. ТКН до 0,00005 % /°C, что на порядок меньше, чем у любого стабилитрона 2С483 (аналог LM199 фирмы National Semiconductor).

Опорные источники с напряжением запрещённой зоны состоят из биполярных транзисторов и резисторов. В них используется принцип термокомпенсации U_бэ падением напряжения на резисторе с положительным ТКН. Для изменения значения U_вых введена схема с операционным усилителем. На этом принципе выполнен регулируемый интегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 фирмы Texas Instruments). ТКН=0,0003 % /°C, U_вых =2,5-36 В, r_диф=0,2 Ом, I_нmax=100 мА. Эти параметры намного лучше, чем у прецизионных стабилитронов.