Параметрические стабилизаторы напряжения

Электропитание маломощных устройств РЭС с небольшим пределом изменения тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опорного напряжения (ИОН) в компенсационных стабилизаторах напряжения и тока.

Параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабис-тора, дросселя насыщения. Структурная схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 15.1. В ней нелинейный элемент НЭ подключен к входному питающему напряжению ?/₀ через гасящий резистор /?„ а параллельно НЭ включена нагрузка Я_н. При увеличении входного напряжения ?/₀ ток через нелинейный элемент НЭ увеличивается, в результате этого возрастает падение напряжения на гасящем резисторе так, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным. Стабильность выходного напряжения в параметрическом стабилизаторе определяется наклоном вольтамперной характеристики НЭ и является невысокой. В параметрическом стабилизаторе нет возможности плавной регулировки выходного напряжения и точной установки его номинала.

Как отмечалось, для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной ВАХ. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон. Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рис. 15.2.

Рис. 15.1 Структурная схема параметрического стабилизатора напряжения

Рис. 15.2. Схема однокаскадного параметрического стабилизатора

В этой схеме при изменении входного напряжения и_т на ±Д С/_т ток через стабилитрон VI) изменяется на А/_ст, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне (на ±Д?/„), а следовательно, и на нагрузке. Значение Д{/_н зависит от Д?/_вх, сопротивления ограничивающего резистора Я_т и

ди_ст

дифференциального сопротивления стабилитрона г_ст = ——.

^д1ст

На рис. 15.3 приведен пример статической характеристики стабилизатора для пояснения принципа стабилизации и определения коэффициента стабилизации.

Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН нарис. 15.2 и характеристикам на рис. 15.3 представляется как

А и_к и_т

и,„ «_г

«н

(15.1)

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. На рис. 15.4 приведены зависимости г_ст маломощных стабилитронов от напряжения стабилизации для различных токов стабилизации /_сх. Из графиков видно, что при увеличении /_ст дифференциальное сопротивление уменьшается и достигает

минимального значения для стабилизации 6—8 В.

стабилитронов с напряжением

Рис. 15.4. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от тока

Рис. 15.5. Зависимость температурного коэффициента стабилитронов от напряжения стабилизации

Температурный коэффициент напряжения а_н стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения ПСН при изменении температуры. На рис. 15.5 приведена зависимость а_н от напряжения стабилизации. Для приборов с и_ст > 5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (У0₂, К/)₃ на рис. 15.6, а).

Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопротивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направлении г_диф, которое зависит от выбранного типа диода и режима его работы. В качестве примера на рис. 15.7 приведены зависимости г_диф от прямого тока для не-

Лг

Я

н

Я

П

Я

г2

П/г„

Рис. 15.6. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения с улучшенными характеристиками:

а — с термокомпенсирующими диодами К/)₂, К/)₃; б — двухкаскадного стабилизатора; в — мостового стабилизатора с одним стабилитроном; г — мостового стабилизатора с двумя стабилитронами; д — стабилизатора с эмиттерным повторителем; е — с токостабилизирующим двухполюсником; ж — с токостабилизирующими транзисторами различной проводимости п-р-п ир-п-р

которых типов диодов и стабилитронов, включенных в прямом направлении. Необходимо отметить, что термокомпенсированный ПСН имеет повышенное значение г_ст и пониженный коэффициент стабилизации. На рис. 15.8 приведены зависимости температурного коэффициента от величины прямого тока для стабилитронов типа Д814 и диода ДЗ10, которые могут быть использованы для температурной компенсации.

Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения ПСН, то применяются двухкаскадные или мостовые схемы стабилизаторов, приведенные на рис. 15.6, б, в, г. Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадных ПСН (рис. 15.6, б), осуществляемая с помощью элементов Я_г, УЕ) и Г/)₂, позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения

и

(15.2)

Я _ГЯ_г2

к = к к ~ -1Л__^г| _

ст2к ^Кст1^Кст2 у , ₎₍ у

^ нх 'ст1 ' *ст2/'стЗ ' 'ст4 ' 'ст5 /

где к_ст, к_ст2 — коэффициенты стабилизации первого и второго каскадов; г_стЬ г_ст2 — дифференциальные сопротивления стабилитронов —КТ>₃; а*ст4, ^ст5 — дифференциальные сопротивления

диодов Уй4, Г/)₅. Температурный уход напряжения на нагрузке и внутреннее сопротивление двухкаскадного ПСН такие же, как в схеме на рис. 15.6, а.

Рис. 15.7. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов и диодов

от прямого тока

Рис. 15.8. Зависимость температурного коэффициента диода и стабилитронов

от прямого тока

Повышение коэффициента стабилизации в мостовых схемах (рис. 15.6, в, г) достигается за счет компенсирующего напряжения, возникающего на резисторе R₂ или стабилитроне VD при изменениях входного напряжения. Коэффициент стабилизации при R_H = const:

для схемы рис. 15.6, в

и»

U,Ar„/R₃-R₂/R,y

(15.3)

где U_H — напряжение на нагрузке R„;

для схемы на рис. 15.6, г

(15.7)

где г_сті и г_ст2 — дифференциальные сопротивления стабилитронов уЬ и уо₂.

В мостовых параметрических стабилизаторах теоретически коэффициент стабилизации может быть бесконечно большим, если выбрать элементы, исходя из условий: для рис. 15.6, в г_ст/Я₃ = R₂/R а для схемы на рис. 15.6, г г_ст2/Я₂ = г_ст/Я. Внутреннее сопротивление для схемы на рис. 15.6, в г_н = г_С1 + Я₂, а для схемы на рис. 15.6, г

Г_н Гст1+ Г-т2-

Следует отметить, что относительно высокая стабильность выходного напряжения в схемах ПСН на рис. 15.6, б—г достигается за счет значительного ухудшения КПД по сравнению со схемой на рис. 15.3. Повысить стабильность выходного напряжения ПСН без ухудшения КПД позволяет схема на рис. 15.6, е за счет применения в ней источника тока, выполненного на транзисторе УТ, стабилитроне У[) (вместо которого могут быть включены два диода, последовательно соединенных в прямом направлении) и резисторах Я_э и /?_б. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон У1)₂ и тем самым резко уменьшить отклонения напряжения на нагрузке при больших изменениях входного напряжения. Температурный уход и внутреннее сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как в схеме на рис. 15.2.

Максимальная выходная мощность рассмотренных схем ПСН ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в базовой цепи (рис. 15.6, д), то мощность нагрузки может быть увеличена. Коэффициент стабилизации ПСН на рис. 15.6, д

• (15.5)
• (15.6)

к - * ^и-

" (1 + цг_ст/А₀)?/_и’

а внутреннее сопротивление

где р =

/?(/)« р(г_э+/*_б/Л_21э);

г_б, ^гэ, И_2э — соответственно сопротивления базы, эмиттера, коллектора и коэффициент передачи тока в схеме ОЭ транзистора.

Однако такой ПСН при 1/_ст > 5,5 В по температурному уходу уступает стабилизаторам, приведенным на рис. 15.6, а—г.

На рис. 15.6, ж приведена схема ПСН с дополнительными транзисторами различной проводимости. Для нее характерным является высокая стабильность выходного напряжения и возможность одновременного подключения двух нагрузок /?_Н| и Я_н2 к различным шинам входного напряжения. По коэффициенту стабилизации и температурному уходу эта схема незначительно превосходит схему на рис. 15.6, е, а внутренние сопротивления г_ст] и г_ст2 определяются стабилитронами СД и Е/)₂ соответственно.