Параметрические стабилизаторы. Работа и применение

Для питания самых различных электронных схем, не нуждающихся в высокой стабильности рабочего напряжения, применяются простые в сборке и недорогие параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН). Основу этих устройств, как правило, составляет полупроводниковый элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), называемый «стабилитроном». В некоторых схемах вместо него ставятся другие полупроводниковые изделия со схожими зависимостями выходного напряжения от потребляемого ими тока.

Чем привлекательны параметрические стабилизаторы на стабилитронах

К достоинствам электронных схем, в которых используются типовые полупроводниковые стабилитроны, относят:

Простоту реализации схемного решения.
Экономичность устройства.
Возможность его дополнения другими активными элементами (в частности, транзисторами).

При использовании дополнительных полупроводниковых изделий (транзисторов различной проводимости) удается изготавливать параметрические стабилизаторы с регулируемым выходом.

Недостатками таких схем считаются низкий коэффициент стабилизации, ограниченный диапазон рабочих токов и сильная зависимость характеристик от окружающей температуры.

Принцип работы стабилитрона, входящего в схему стабилизаторов

Прежде всего, отметим, что стабилитрон – это, по сути, полупроводниковый диод, при работе которого используется обратная ветвь вольтамперной характеристики. На приведенном графике рабочий участок этого прибора выделен красным цветом.

Parametricheskie stabilizatory 2

Особенность этой части ВАХ заключается в том, что при значительных изменениях тока через стабилитрон снимаемое с него напряжение Uобр. остается практически постоянным. А это означает что при изменении пассивной нагрузки, подключенной к ПСН, напряжение на ней не будет меняться. Излишки или недостатки тока будут гаситься или восполняться за счет его перераспределения между нагрузочной цепью и самим полупроводниковым элементом (стабилитроном). Причем происходить это будет в широком диапазоне значений токовой составляющей.

Задание режима работы стабилитрона

Чтобы вывести полупроводниковый прибор на выделенный красным участок вольтамперной характеристики – потребуется подать на него нестабилизированное напряжение Uвх, величина которого должна быть несколько больше, чем U обр. Для погашения разницы между этими двумя потенциалами в схему включения вводится дополнительный пассивный элемент – ограничивающий резистор R1. Одновременно с гашением части входного напряжения он задает режим работы полупроводникового элемента, «выводя» его параметры на нужную часть кривой ВАХ.

Parametricheskie stabilizatory 3

Данный участок характеризуется следующими показателями, определяемыми как эксплуатационные параметры данного стабилитрона:

Обратное номинальное напряжение Uобр.
Максимальное и минимальное значение тока через прибор Iмин и Iмакс.
Напряжение и ток стабилизации Uст. и I ст.

Первые три показателя зависят от марки и особенностей структуры выбранного полупроводникового изделия, а последний (I ст.) – от величины установленного последовательно с ним резистора.

Значение номинала этого элемента подбирается с тем расчетом, чтобы при колебаниях тока через стабилитрон падение напряжения на нем составляло порядка 2,5-3,5 В. При такой схеме включения R1 излишки энергии будут рассеиваться на его внутреннем сопротивлении.

Как рассчитываются параметрические стабилизаторы

В качестве исходных данных, используемых при расчете устройств, используются следующие показатели:

Входное нестабилизированное напряжение, обозначаемое как Uвх.
Ток в нагрузке или потребляемая ею мощность.
Токовая составляющая через регулирующий элемент (стабилитрон).
Выходное стабилизированное напряжение Uвых.

В качестве примера рассмотрим, как рассчитываются параметрические стабилизаторы со следующими исходными данными: Uвх=12 Вольт, Uвых=8 Вольт. При этом ток, протекающий через стабилитрон Iст. составляет 10 мА.

По величине выходного напряжения для заявленных целей оптимально подойдет распространенное в СССР полупроводниковое изделие типа Д814А. Его основные рабочие характеристики представлены ниже:

Напряжение стабилизации, выбираемое из диапазона 7,0-8.5 В.
Ток через стабилитрон в средней точке вольтамперной характеристики – 10 мА.
Температурный коэффициент по напряжению – 0,07 процента на градус.
Прямое падение напряжения на стабилитроне – 1 В при токе порядка 40 мА.
Дифференциальное сопротивление прибора – 6 Ом.
Максимальная мощность, рассеиваемая прибором (ориентировочно – 0,4 Вт).
Пределы изменения тока через полупроводниковый прибор – от 3 до 40 мА.

На основе этих данных сначала определим, какую величину должно иметь балластное (ограничивающее) сопротивление R1. Оно вычисляется по следующей простой формуле:

R1= Uвх-Uвых/Iст.

На этапе, когда определяются номиналы входящих в схему пассивных элементов, ток в нагрузке не учитывается. После расчета по формуле с использованием данных для стабилитрона Д814А получим значение балластного сопротивления. Оно равно: 12-8/0,01= 400 Ом.

По завершении этой операции переходим к определению коэффициента стабилизации и коэффициента полезного действия устройства, которые при необходимости рассчитываются по стандартным формулам.

Увеличение выходной мощности стабилизаторов

Типовые параметрические стабилизаторы имеют еще один существенный недостаток, состоящий в зависимости нагрузочной способности от максимально допустимого тока и мощности установленного стабилитрона. При желании указанная характеристика устройства может быть увеличена, для чего в его состав потребуется ввести дополнительные элементы. В этом качестве обычно используется биполярный транзистор, включаемый параллельно стабилитрону и выполняющий функцию усилителя постоянного тока.

Parametricheskie stabilizatory 4

В приведенной схеме стабилитрон одновременно служит источником опорного напряжения для транзисторного каскада. Активный элемент включается здесь по схеме с общим коллектором и представляет собой типовой эмиттерный повторитель. Нагрузка подсоединяется параллельно транзистору, а балластное сопротивление R1 может ставиться как в коллекторную цепь, так и в ветвь эмиттера электронного элемента.

Режим стабилизации с требуемыми параметрами в схеме реализуется следующим образом:

При нестабильном входном напряжении увеличение или уменьшение тока через нагрузочный элемент (резистор Rн) приводит к незначительному росту или падению напряжения Uст на выходе стабилизатора.
При этом разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора также либо возрастает, либо уменьшается.
Вследствие этого коллекторный ток через него изменяет свое значение в сторону увеличения или снижения соответственно.
А это приводит к перераспределению падения напряжения на балластном сопротивлении R1.
Благодаря этому возрастание напряжения на выходе параметрического стабилизатора частично компенсируется его падением на резисторе, а его недостаток восполняется снижением разности потенциалов коллектор-эмиттер.

Протекающий по полупроводниковому стабилитрону ток Iст. равен втекающей в базу транзистора токовой составляющей. Из этого следует важный вывод о том, что на выходе транзистора (в цепочке коллектор-эмиттер) ток может быть увеличен в h21 раз (последний показатель – это статический коэффициент усиления). С учетом того, что значение показателя h21 может достигать нескольких десятков единиц – нагрузочная способность такой схемы многократно возрастает.

Включенный между коллектором и базой резистор Rо необходим для того, чтобы отводить часть тока транзистора в параллельную ветвь, обеспечивая устойчивую работу схемы при больших значениях h21. Параметрические стабилизаторы с более высокой нагрузочной способностью удается получить путем применения составных транзисторов.

Области применения параметрических стабилизаторов

Такие схемы широко применялись во второй половине прошлого века, когда большой популярностью пользовалась воспроизводящая техника, не нуждающаяся в высокой стабильности питающего напряжения. К ней традиционно относились такие звуковоспроизводящие образцы устаревшей аппаратуры, как:

Катушечные и кассетные магнитофоны различных марок.
Электрофоны и проигрыватели виниловых грампластинок.
Низкочастотные усилители на дискретных элементах.
Радиопередающие и радиоприемные устройства и т. п.

В бытовых приборах параметрические стабилизаторы чаще всего устанавливались в б локи питания трансформаторного типа. В этих устройствах они обеспечивали получение более-менее стабильного напряжения при сравнительно небольших токах в нагрузке.

Сегодня эти устройства практически не используются в электронной аппаратуре и бытовой техники, поскольку на смену линейным БП пришли импульсные источники питания. В радиолюбительской практике еще иногда встречаются схемы, где применяются элементы параметрических стабилизаторов, например, задающие опорное напряжение, но не более.