Параметрические стабилизаторы

Параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН) используются в маломощных источниках вторичного питания (ИВТ) (с выходным током до 15...20 мА), а также в качестве источников опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах и контрольно-измерительной аппаратуре. Для стабилизации постоянного напряжения в них применяются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой, напряжение на которых мало зависит от протекающего через них тока. В качестве таких элементов используются полупроводниковые стабилитроны (диоды Зенера) и стабисторы.

Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 12.7, а. При изменении входного напряжения Ui ток Is через стабилитрон VD изменяется, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне, а следовательно, и на нагрузке. Изменение Uo зависит от приращения напряжения dUi, сопротивления ограничивающего резистора Rо и внутреннего сопротивления стабилитрона, равного Rs=dUs/dIs. Коэффициент стабилизации определяется по приближенной формуле: Kcт=(Uo/Ui)(Ro/Rs). Внутреннее сопротивление стабилизатора, определяемое в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона, достигает минимального значения для стабилитронов с напряжением стабилизации 6...8 В.

Температурный коэффициент напряжения Ктн стабилитрона определяет отклонение выходного напряжения ПСН при изменении температуры. Установлено, что наибольшая температурная зависимость наблюдается для приборов с напряжением стабилизации Us>5,5 В. Температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (VD2 и VD3 на рис. 12.7, б). Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциального сопротивления термокомпенсирующих диодов. Кроме того, термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение Us и пониженный коэффициент стабилизации.

Коэффициент стабилизации ПСН по схеме рис. 12.7, б равен Kcт=(UoRo)/Ui(Rs+Rs'), где Rs'— суммарное динамическое сопротивление термокомпенсирующих диодов VD2, VD3. Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения, то применяются двухкаскадные или мостовые схемы стабилизаторов, приведенные на рис. 12.8 и 12.9. Коэффициент стабилизации ПСН по схеме рис. 12.8

где Rs, Rs' — динамические сопротивления стабилитронов VD1,VD2. Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадном ПСН (рис. 12.8) с помощью элементов Ro и VD1 позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах (рис. 12.9) достигается за счет компенсирующего напряжения на резисторе R2 или стабилитроне VD1 при изменениях входного напряжения. Коэффициент стабилизации при Rn=const для схемы рис. 12.9,

Для ПСН на рис. 12.9, б

где Rs, Rs' — дифференциальные сопротивления стабилитронов VD1 и VD2. В мостовых параметрических стабилизаторах коэффициент стабилизации теоретически может быть бесконечно большим, если выбрать элементы, исходя из условий равенства нулю выражений в скобках. Внутреннее сопротивление для схемы на рис. 12.9, a Ri=Rs+R2, а для схемы на рис. 12.9, б Ri=Rs+Rs'.

Величина отклонения выходного напряжения мостовых схем ПСН при изменении температуры зависит от температурных коэффициентов стабилитронов, а для схемы на рис. 12.9, а еще и от температурных коэффициентов резисторов R1 и R2. Особенностью мостовой схемы на рис. 12.9, б является возможность получения низких выходных напряжений при небольшом температурном уходе за счет применения стабилитронов с мало отличающимися температурными коэффициентами.

Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения в ПСН на рис. 12.8 и 12.9 достигается за счет значительного ухудшения КПД по сравнению со схемой на рис. 12.7.

Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 12.10 за счет применения источника тока, выполненного на транзисторе VT, стабилитроне VD1 и резисторах Re и Rb. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон VD2 и тем самым уменьшить нестабильность напряжения на нагрузке при изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этого ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 12.10.

Максимальная выходная мощность рассмотренных ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощностью стабилитронов. Если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в цепи базы (рис. 12.11, а), мощность в нагрузке может быть увеличена. Коэффициент стабилизации такого ПСН

,

а внутреннее сопротивление

RV - сопротивления базы, эмиттера, коллектора и коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ соответственно.

Отметим, что ПСН по схеме рис. 12.11, а при Us>5,5 В по температурной нестабильности уступает рассмотренным выше стабилизаторам.

На рис. 12.11, б приведена схема ПСН на транзисторах различной проводимости, выполняющих роль стабилизаторов тока. Для него характерна высокая стабильность выходного напряжения и возможность одновременного подключения двух нагрузок Rn и Rn' к различным шинам входного напряжения. По коэффициенту стабилизации и температурному уходу эта схема незначительно превосходит схему на рис. 12.10, а внутренние сопротивления Rs и Rs' определяются стабилитронами VD1 и VD2 соответственно.

Моделирование рассмотренных стабилизаторов можно проводить двумя способами: c использованием на входе стабилизатора источника постоянного напряжения с имитатором источника пульсации или с использованием рассмотренных в предыдущем разделе выпрямителей. При этом последовательно со стабилитроном необходимо включить амперметр, а на выход стабилизатора — вольтметр. При наличии этих двух приборов можно определить дифференциальное сопротивление Rs=dUo/dIs в рабочей точке стабилитрона и затем рассчитать коэффициент стабилизации по приведенным формулам. Поскольку они справедливы только для ненагруженного стабилизатора, то сопротивление нагрузки Rn необходимо выбирать больше 100 кОм. Для наблюдения и измерения пульсации используется осциллограф.