Розрахунок стабілітрона. Параметричний стабілізатор – типові розрахунки схеми. Послідовний компенсаційний на операційному підсилювачі

Найчастіше радіотехнічні пристрої для свого функціонування потребують стабільної напруги, яка не залежить від змін мережного живлення та від струму навантаження. Для вирішення цих завдань використовуються компенсаційні та параметричні пристрої стабілізації.

Параметричний стабілізатор

Його принцип роботи полягає у властивостях напівпровідникових приладів. Вольтамперна характеристика напівпровідника - стабілітрона показана на графіку.

Під час включення стабілітрона властивості подібні до характеристики простого діода на основі кремнію. Якщо стабілітрон включити у зворотному напрямку, то електричний струм спочатку зростатиме повільно, але при досягненні деякої величини напруги настає пробій. Це режим, коли малий приріст напруги створює великий струм стабілітрона. Пробійну напругу називають напругою стабілізації. Щоб уникнути виходу з ладу стабілітрона, перебіг струму обмежують опором. При коливанні струму стабілітрону від найменшого до найбільшого значення, напруга не змінюється.

На схемі показаний дільник напруги, який складається з баластного опору та стабілітрону. До нього паралельно підключено навантаження. Під час зміни величини живлення змінюється струм резистора. Стабілітрон бере зміни на себе: змінюється струм, а напруга залишається постійною. При зміні резистора навантаження струм зміниться, а напруга залишиться постійною.

Компенсаційний стабілізатор

Прилад, розглянутий раніше дуже простий конструкції, але дає можливість живлення приладу зі струмом, який не перевищує найбільшого струму стабілітрона. Внаслідок цього використовують прилади, що стабілізують напругу, і отримали назву компенсаційних. Вони складаються з двох видів: паралельні та послідовні.

Називається прилад методом підключення елементу регулювання. Зазвичай використовуються компенсаційні стабілізатори, що належать до послідовного вигляду. Його схема:

Елементом регулювання є транзистор, з'єднаний послідовно з навантаженням. Напруга виходу дорівнює різниці значення стабілітрона і емітера, яке становить кілька часток вольту, тому вважається, що вихідна напруга дорівнює стабілізуючій напрузі.

Розглянуті прилади обох типів мають недоліки: неможливо отримати точну величину напруги виходу та проводити регулювання під час роботи. Якщо необхідно створити можливість регулювання, то стабілізатор компенсаційного вигляду виготовляють за схемою:

У цьому приладі регулювання здійснюється транзистором. Основне напруження видає стабілітрон. Якщо напруга виходу підвищується, база транзистора виходить негативною на відміну емітера, транзистор відкриється велику величину і струм зросте. Внаслідок цього, напруга негативного значення на колекторі стане нижчою, так само як і на транзисторі. Другий транзистор закриється, його опір підвищиться, напруга висновків підвищиться. Це призводить до зниження напруги виходу та повернення до колишнього значення.

При зниженні виходу напруги проходять подібні процеси. Відрегулювати точну напругу виходу можна резистором налаштування.

Стабілізатори на мікросхемах

Такі пристрої в інтегральному варіанті мають підвищені характеристики параметрів та властивостей, які відрізняються від подібних приладів на напівпровідниках. Також вони мають підвищену надійність, невеликі габарити і вагу, а також невелику вартість.

Послідовний стабілізатор

• 1 – джерело напруги;
• 2 – Елемент регулювання;
• 3 – підсилювач;
• 5 – визначник напруги виходу;
• 6 – опір навантаження.

Елемент регулювання виступає як змінний опір, підключеного за послідовною схемою з навантаженням. При коливанні напруги змінюється опір елемента регулювання отже відбувається компенсація таких коливань. Вплив на елемент регулювання здійснюється по зворотному зв'язку, який містить елемент управління, джерело основної напруги та вимірювач напруги. Цей вимірювач є потенціометром, з якого надходить частина напруги виходу.

Зворотний зв'язок регулює напругу виходу, що використовується для навантаження, напруга виходу потенціометра стає рівною основному напрузі. Коливання напруги від основного створює деяке падіння напруги на регулюванні. Внаслідок цього вимірювальним елементом у певних межах можна здійснювати регулювання напруги виходу. Якщо стабілізатор планується виготовити певну величину напруги, то вимірювальний елемент створюється всередині мікросхеми з компенсацією температури. За наявності великого інтервалу напруги виходу вимірювальний елемент виконується за мікросхемою.

Паралельний стабілізатор

• 1 – джерело напруги;
• 2-елемент регулюючий;
• 3 – підсилювач;
• 4 – джерело основної напруги;
• 5 – вимірювальний елемент;
• 6 – опір навантаження.

Якщо порівняти схеми стабілізаторів, то пристрій послідовного вигляду має підвищений ККД при неповному завантаженні. Прилад паралельного вигляду витрачає постійну потужність від джерела і видає її на елемент регулювання та навантаження. Паралельні стабілізатори рекомендується використовувати при постійних навантаженнях при повній завантаженості. Стабілізатор паралельний не створює небезпеки при КЗ, послідовний вигляд при холостому ході. При постійному навантаженні обидва прилади виробляють високий ККД.

Стабілізатор на мікросхемі з трьома висновками

Інноваційні варіанти схем стабілізаторів послідовного вигляду виконані на 3-вивідній мікросхемі. Внаслідок того, що є лише три висновки, їх простіше використовувати в практичному застосуванні, оскільки вони витісняють інші види стабілізаторів в інтервалі 0,1-3 ампера.

1. U вх - необроблена напруга входу;
2. U вих - напруга виходу.

Можна не використовувати ємності С1 та С2, проте вони дозволяють оптимізувати властивості стабілізатора. Місткість С1 застосовується створення стабільності системи, ємність С2 необхідна з тієї причини, що раптове підвищення навантаження не можна відстежити стабілізатором. У такому разі підтримка струму здійснюється ємністю С2. Практично часто застосовують мікросхеми серії 7900 від компанії Моторола, які стабілізують позитивну величину напруги, а 7900 - величину зі знаком мінус.

Мікросхема має вигляд:

Для збільшення надійності та створення охолодження стабілізатор монтують на радіатор.

Стабілізатори на транзисторах

На 1-му малюнку схема транзисторі 2SC1061.

На виході приладу отримують 12 вольт, напруга виходу залежить прямо від напруги стабілітрона. Найбільший допустимий струм 1 ампер.

При застосуванні транзистора 2N 3055 найбільший допустимий струм виходу можна підвищити до 2 ампер. На 2-му малюнку схема стабілізатора на транзисторі 2N 3055, напруга виходу, як і малюнку 1 залежить від напруги стабилитрона.

• 6 - напруга виходу, R1=330, VD=6,6 вольт
• 7,5 - напруга виходу, R1 = 270, VD = 8,2 вольт
• 9 - напруга виходу, R1=180, Vd=10

На 3-му малюнку – адаптер для автомобіля – акумуляторна напруга в автомобілі дорівнює. Для створення напруги меншого значення використовують таку схему.

Стабілізатори бувають параметричними та компенсаційними. Принцип дії параметричних у тому, що у них використовуються особливі властивості елементів, параметри яких, саме опір, змінюються отже стабілізація стає можливим.

Нижче наведено характеристики звичайного транзистора (а) і крем'яного стабілітрона (б):

Стабілізатор струму

У першій їх опір елемента змінюється отже у значних межах змін напруги на елементи струм у ньому практично постійний. Інший навпаки – при значних змінах струму майже постійним є напруга. Тому транзистор (чи інші напівпровідникові прилади з такою характеристикою) можна використовуватиме стабілізації струму, а стабилитрон – для стабілізаційного напруги. Нижче наведена схема для стабілізації струму:

Для її розрахунку спочатку вибирають стабілізуючий елемент РЄ з відповідною характеристикою та струмом I ст (див. рисунок вище а). Напруга, яка буде додана до цього елемента, визначається як середня напруга між початком і кінцем стабілізації:

При цьому навантаження буде напруга I ст R н. За цими даними підраховують значення U вх, яке потрібно додати до стабілізатора:

На цьому завершується розрахунок стабілізатора струму.

Стабілізатор напруги

Стабілізатор напруги, показаний на схемі нижче, розраховується аналогічно:

За заданим значенням U ст підбирають відповідний стабілітрон і за його характеристикою визначають I min та I max . За цими даними підраховують струм I ст = (I min + I max)/2. Загальний струм I вх дорівнює I ст + U ст / R зв. щоб забезпечити підтримку на навантаженні U ст = I ст R н при зменшенні напруги в мережі, подане на вході U вх вибирають відсотків на 20 вище U ст. Це перевищення буде використовуватися на баластному резисторі R б величину якого знайдемо за формулою:

Для визначення якості стабілізатора введений коефіцієнт стабілізації, що дорівнює відношенню відносних відхилень вхідної напруги до відносних відхилень напруги на навантаженні:

При K ст = 1 стабілізація відсутня. Чим більше K ст відрізняється від одиниці, тим ефективніша стабілізація.

У параметричних стабілізаторів коефіцієнт стабілізації невеликий. Для якісної стабілізації використовуються звані компенсаційні стабілізатори. Стабілізуючим елементом у них є звичайні транзистори, які автоматично керуються таким чином, щоб їх колекторна напруга змінювалося і компенсувало відхилення вхідної напруги.

Електроживлення малопотужних пристроїв РЕМ із невеликою межею зміни струму споживання зазвичай здійснюється від параметричних стабілізаторів напруги (ПСН). Крім того, ці стабілізатори широко використовуються як джерела опорної напруги (ІОН) в компенсаційних стабілізаторах напруги і струму.

Параметричний стабілізаторздійснює стабілізацію вихідної напруги за рахунок властивостей вольтамперних характеристик нелінійного елемента, наприклад стабілітрона, стабістора, дроселя насичення. Структурну схему параметричного стабілізатора наведено на рис. 15.1. У ній нелінійний елемент НЕ підключений до вхідної напруги живлення?/ 0 через гасить резистор /?„ а паралельно НЕ включено навантаження Я зв.При збільшенні вхідної напруги? / 0 Струм через нелінійний елемент НЕ збільшується, в результаті цього зростає падіння напруги на резисторі, що гасить так, що вихідна напруга на навантаженні залишається постійним. Стабільність вихідної напруги у параметричному стабілізаторі визначається нахилом вольтамперної характеристики НЕ та є невисокою. У параметричному стабілізаторі немає можливості плавного регулювання вихідної напруги та точної установки його номіналу.

Як зазначалося, для стабілізації постійної напруги ПСН застосовуються елементи з нелінійною ВАХ. Одним із таких елементів є кремнієвий стабілітрон. Основну схему однокаскадного ПСН наведено на рис. 15.2.

Мал. 15.1

Мал. 15.2. Схема однокаскадного параметричного стабілізатора

У цій схемі при зміні вхідної напруги і тна ±Д С/тструм через стабілітрон VI)змінюється на А/ст, що призводить до незначних змін напруги на стабілітроні (на ±Д?/„), а отже, і на навантаженні. Значення Д(/ н залежить від Д?/ вх, опору резистора, що обмежує Я ті

ді ст

диференціального опору стабілітрону г ст =--.

д1 ст

На рис. 15.3 наведено приклад статичної характеристики стабілізатора для пояснення принципу стабілізації та визначення коефіцієнта стабілізації.

Коефіцієнт стабілізації (за вхідною напругою) схеми ПСН нарис. 15.2 та характеристикам на рис. 15.3 представляється як

А і до і т

і,"

Внутрішній опір стабілізатора визначається переважно диференціальним опором стабілітрона. На рис. 15.4 наведено залежності г стмалопотужних стабілітронів від напруги стабілізації для різних струмів стабілізації/сх. З графіків видно, що при збільшенні/ст диференціальний опір зменшується і досягає

мінімального значення для стабілізації 6-8 Ст.

стабілітронів з напругою

Мал. 15.4.

Мал. 15.5.

Температурний коефіцієнт напруги ан стабілітрону визначає величину відхилення вихідної напруги ПСН при зміні температури. На рис. 15.5 наведена залежність ан від напруги стабілізації. Для приладів з та ст > 5,5 при підвищенні температури напруга на стабілітроні зростає. Тому температурна компенсація у цьому випадку може бути досягнута включенням послідовно зі стабілітроном діодів у прямому напрямку. (У0 2 ,К/) 3 на рис. 15.6, а).

Однак при цьому зростає внутрішній опір ПСН за рахунок диференціальних опорів термокомпенсуючих діодів у прямому напрямку г диф, який залежить від обраного типу діода та режиму його роботи. Як приклад на рис. 15.7 наведено залежності г диф від прямого струму для не-

Мал. 15.6.

а- з термокомпенсуючими діодами К/) 2, К/) 3; б -двокаскадного стабілізатора; в -мостового стабілізатора з одним стабілітроном; г - мостового стабілізатора із двома стабілітронами; д -стабілізатора з емітерним повторювачем; е -з струмостабілізуючим двополюсником; ж -з струмостабілізуючими транзисторами різної провідності п-р-пі р-п-р

яких типів діодів та стабілітронів, включених у прямому напрямку. Необхідно відзначити, що термокомпенсований ПСН має підвищене значення г ст і знижений коефіцієнт стабілізації. На рис. 15.8 наведено залежності температурного коефіцієнта від величини прямого струму для стабілітронів типу Д814 та діода ДЗ10, які можуть бути використані для температурної компенсації.

Якщо потрібна підвищена стабільність вихідної напруги ПСН, застосовуються двокаскадні або мостові схеми стабілізаторів, наведені на рис. 15.6, б, в, р.Попередня стабілізація напруги в двокаскадних ПСП (рис. 15.6, б),здійснювана за допомогою елементів Я г, УЄ)і Г/) 2 дозволяє отримати досить високий коефіцієнт стабілізації вихідної напруги

Я Г Яг2

до = до до ~-1Л__ г | _

ст2к До ст1 До ст2 у,)(у

^ нх"ст1" *ст2/"стЗ " "ст4 " "ст5 /

де до ст, до ст2- Коефіцієнти стабілізації першого і другого каскадів; г стЬ г ст2 - диференціальні опори стабілітронів -КТ>3; а*ст4, ^ст5 - диференціальні опори

діодів Уй 4, Г/) 5 . Температурний догляд напруги на навантаженні та внутрішній опір двокаскадного ПСН такі ж, як у схемі на рис. 15.6, а.

Мал. 15.7.

від прямого струму

Мал. 15.8.

від прямого струму

Підвищення коефіцієнта стабілізації у мостових схемах (рис. 15.6, в, г)досягається за рахунок компенсуючої напруги, що виникає на резисторі R 2або стабілітроні VDпри змінах вхідної напруги. Коефіцієнт стабілізації при R H = const:

для схеми рис. 15.6, в

і»

U,Ar„/R 3 -R 2 /R,y

де U H- напруга на навантаженні R„;

для схеми на рис. 15.6, г

де гст і і г ст 2 - диференціальні опори стабілітронів уЬ і 2 .

У мостових параметричних стабілізаторах теоретично коефіцієнт стабілізації може бути нескінченно більшим, якщо вибрати елементи, виходячи з умов: рис. 15.6, у р ст /Я 3 = R 2 /Rа для схеми на рис. 15.6, г г ст2 /Я 2 = г ст/Я.Внутрішнє опір для схеми на рис. 15.6, в г н = г С1 + Я 2 ,а для схеми на рис. 15.6, г

Г нГст1+ Г-т2-

Слід зазначити, що щодо висока стабільність вихідної напруги у схемах ПСН на рис. 15.6, б-гдосягається з допомогою значного погіршення ККД проти схемою на рис. 15.3. Підвищити стабільність вихідної напруги ПСП без погіршення ККД дозволяє схема на рис. 15.6, еза рахунок застосування в ній джерела струму, виконаного на транзисторі УТ,стабілітроні У[)(замість яких можуть бути включені два діоди, послідовно з'єднані в прямому напрямку) та резисторах Я ета /? б. Це дозволяє стабілізувати струм, що протікає через стабілітрон У1) 2і тим самим різко зменшити відхилення напруги на навантаженні за великих змін вхідної напруги. Температурний догляд та внутрішній опір цієї схеми ПСН практично такі ж, як у схемі на рис. 15.2.

Максимальна вихідна потужність розглянутих схем ПСН обмежується граничними значеннями струму стабілізації і потужності, що розсіюється, стабілітрона. Якщо використовувати транзистор у режимі емітерного повторювача зі стабілітроном у базовому ланцюгу (рис. 15.6, д), то потужність навантаження може бути збільшена. Коефіцієнт стабілізації ПСН на рис. 15.6, д

• (15.5)
• (15.6)

до -*і -

"(1 + цг ст /А 0)?/ і '

а внутрішній опір

/?(/)« р(г е +/* б /Л 21е);

г б, г е, І 2 е -відповідно опору бази, емітера, колектора та коефіцієнт передачі струму у схемі ОЕ транзистора.

Однак такий ПСН при 1/ ст > 5,5 по температурному догляду поступається стабілізаторам, наведеним на рис. 15.6, а-р.

На рис. 15.6, жнаведено схему ПСН з додатковими транзисторами різної провідності. Для неї характерною є висока стабільність вихідної напруги та можливість одночасного підключення двох навантажень /? Н | і Я н2до різних шин вхідної напруги. По коефіцієнту стабілізації та температурному догляду ця схема трохи перевищує схему на рис. 15.6, е, а внутрішні опори гст] та г ст 2 визначаються стабілітронами СД та Е/) 2 відповідно.

У схемі випрямного пристрою, розглянутого на лекції №2 (рис. 3.1) для перетворення змінної напруги мережі в постійну напругу розглянуті трансформатор, випрямляч і фільтр, що згладжує. Напруга навантаження підтримується постійним за значенням за допомогою стабілізатора Ст.Найпростіший стабілізатор напруги – параметричний, у якому використовуються спеціальний діод – СТАБІЛІТРОН.

Стабілітрон має специфічну вольтамперну характеристику (ВАХ) у зворотному включенні (рис.3.2). При негативному напрузі ВАХ має досить протяжний ділянку, у якому напруга змінюється мало, а струм змінюється значно.

Мал. 3.2. Приклад вольтамперної характеристики напівпровідникового стабілітрону.

Стабілітрон використовується у параметричному стабілізаторі напруги (рис.3.3а).

Мал. 3.3. Параметричний стабілізатор напруги.

а) електрична схема стабілізатора,

б) лінійна схема заміщення для малих змін струмів та напруг ( Rдиф =Δ Uст. / Δ Iст = Δ UН/Δ Iст -диференціальний опір)

в) графічне подання стану стабілітрона та принципу стабілізації напруги на навантаженні (Δ UН<<ΔUвх) при зміні напруги Uвх та великому опорі навантаження ( RН >> Rдиф).

Принцип стабілізації ось у чому. Напруга на стабілітроні, тобто. на навантаженні залишається постійним через зміну струму стабілітрона і викликаного цим зміни напруги на баластному резистори.

Схема на рис.3.3а описується нелінійною системою рівнянь:

I 0 - Iст - Iн = 0 (1)

Uст ( Iст) - Rн Iн = 0 (2)

-Uвх + Rб I 0 + Rн Iн = 0 (3)

Перетворимо систему до одного рівняння щодо струму Iст.

З (1) маємо Iн = I 0 - Iст, тоді з (3) випливає

-Uвх + Rб I 0 + Rн ( I 0 - Iст) = 0,

звідси I 0 =(Rн Iст + Uвх) / ( Rб + Rн) та з (2) отримуємо

Uст ( Iст) = Rн [ ( Rн Iст + Uвх) / ( Rб + Rн) - Iст]. (4)

Цей результат можна отримати, якщо застосувати до схеми на рис.3.3а перетворення за методом еквівалентного активного двополюсника, в який включимо джерело вхідної напруги Uвх, баластовий резистор Rб і приймач Rн (рис. 3.4).

Мал. 3.4. Перетворення частини схеми методом еквівалентного активного двополюсника.

Еквівалентне джерело має

ЕРС Eекв = Uвх Rн / ( Rн+ Rб) і

опір Rекв = Rб Rн / ( Rн+ Rб).

Після еквівалентного перетворення схема рис.3.3а набуває вигляду (рис.3.5)

Зі схеми на рис.3.5 отримуємо рівняння стану параметричного стабілізатора:

Uст ( Iст) = Eекв - Rекв Iст (5)

Якщо в (5) підставити вирази замість Eекв і Rекв, то отримаємо рівняння (4). Застосування методу еквівалентного джерела дозволяє краще подати фізично принцип дії стабілізатора, залежність його властивостей від параметрів елементів.

Рівняння (4) придатне для аналізу властивостей параметричного стабілізатора за будь-яких параметрів елементів.

Покладемо (найчастіший випадок), що опір навантаження Rн значно більше опору баластового резистора Rб. Тоді опір навантаження можна не враховувати і у схемі видно дільник вхідної напруги з баластного резистора Rб і стабілітрона VD(Рис.3.3а). Стан ланцюга встановлюється відповідно до рис.3.3в у точці A, де перетинаються ВАХ стабілітрону і пряма лінія 1, що відсікає на осях відрізки Uвх1 та Uвх1 / Rб. При збільшенні вхідної напруги до Uвх2 (лінія 2) збільшується струм стабілітрона (робоча точка A’), збільшується напруга на Rб, а напруга на навантаженні відповідно збільшується на Δ Uн. При цьому, як видно із графіків Δ Uн<< ΔUвх ( Rдиф<<Rб).

Для отримання простих співвідношень для оцінки якості параметричного стабілізатора отримаємо його лінійну схему заміщення за допомогою рівняння (5).

Приблизно, якщо робоча точка Астабілітрона знаходиться на ділянці стабілізації, ВАХ стабілітрона на ділянці стабілізації можна замінити прямою лінією з кутовим коефіцієнтом Rдиф =Δ Uст. / Δ Iст = Δ UН/Δ Iст:

Uст ( Iст) = U 0 + Rдиф Iст

З урахуванням цієї лінеаризації рівняння (5) можна переписати:

U 0 +Rдиф Iст =Eекв - Rекв Iст (6).

Тут Eекв = RН Uвх/( RН+ RБ) та Rекв = RБ RН/( RБ+ RН).

З (6) випливає рівняння, якщо врахувати, що Rекв >> Rдиф:

Iст = (Eекв - U 0)/ (Rекв + Rдиф) = ( Eекв - U 0)/ Rекв (7).

Підставимо сюди вираз для Eекв і отримаємо

Iст = (RН Uвх/( RН+ RБ) - U 0)/ Rекв = Uвх / RБ - U 0 / Rекв

і напруги на навантаженні набуває вигляду:

Uн =Uст ( Iст) = U 0 +Rдиф ( Uвх / RБ - U 0 / Rекв) (7)

Звідси випливає, що при змінах вхідної напруги:

Δ Uн = ( dUст/ dUвх) * Δ Uвх = Rдиф / Rб * Δ Uвх (8)

Відношення збільшень напруги на навантаженні та на вході параметричного стабілізатора дорівнює:

Δ Uн/Δ Uвх = Rдиф / Rб (8)

Якщо змінюється опір навантаження, то

Uн = U 0 +Rдиф [ Uвх / RБ - U 0 (RБ+ RН)/( RБ RН)] (9)

З рівняння (9) випливає, що при змінах опору навантаження так само досягатиметься ефект стабілізації напруги на навантаженні

Δ Uн = ( dUст/ dRН) * Δ RН = Rдиф / R 2н * U 0 Δ RН

У практичних випадках параметри схеми та стабілітрону підбираються таким чином, щоб робоча точка на в.а.г. стабілітрона переміщалася в межах ділянки стабілізації ( Iст.хв ,Iст.макс) за необхідного Uст. , які записані у паспорті стабілітрона.

За допомогою параметричного напівпровідникового стабілізатора напруги можна отримати коефіцієнт стабілізації, який дорівнює відношенню відносних змін вхідної та вихідної напруги:

Kст. = (Δ Uвх / Uвх)/(Δ Uвих / Uвих)<=100.

У багатьох випадках це значення виявляється недостатнім і тоді застосовуються складніші «компенсаційні стабілізатори напруги», що містять транзистори.

Зауважимо також, що в параметричному стабілізаторі напруги нагрівання баластного резистора призводить до втрат енергії. Тому к.п.д. параметричного стабілізатора напруги не перевищує 30%.

Демонстрація ВАХ реального стабілітрона demo3_1 наведена на рис. 3.6

Мал. 3.6. До demo3_1.

Демонстрація роботи параметричного стабілізатора напруги demo3_2 наведена на рис. 3.7.

Мал. 3.7.До demo3_2.

Зауваження.

Розглянутий параметричний стабілізатор напруги дозволяє познайомитися з методом опису нелінійних схем, що широко застосовується, за допомогою лінеаризованих схем заміщення. Запишемо систему рівнянь (1)-(3), замінивши в рівнянні (2) ВАХ стабілітрона лінеаризованим виразом:

I 0 -Iст - Iн = 0 (1а)

U 0 +Rдиф Iст - Rн Iн = 0 (2а)

-Uвх + Rб I 0 +Rн Iн = 0 (3а)

Для малих змінструмів і напруг, викликаних зміною вхідної напруги, звідси випливає:

Δ I 0 -Δ Iст -Δ Iн = 0 (9)

Rдиф Δ Iст - Rн Δ Iн = 0 (10)

-Δ Uвх + Rб Δ I 0 +Rн Δ Iн = 0 (11)

Цій системі рівнянь відповідає схема заміщення, наведена на рис.3.3 б.

Параметричним стабілізатором називається пристрій, у якому вихідна напруга чи струм підтримується лише на рівні заданого значення з допомогою параметрів радіоелектронних елементів. Вони використовуються нелінійні властивості характеристик (вольтамперних, ампервольтових, ом-градусних, вебер-амперних, вольт-секундних та інших.). Як приклад таких приладів можна назвати такі електронні елементи, як стабілітрони, терморезистори, дроселі насичення тощо.

Параметричні стабілізатори можуть стабілізувати постійну або змінну напругу, однак і в тому і в іншому випадку вони мають досить погані параметри. У старій апаратурі вони застосовувалися через просту, а отже, дешеву схему. В даний час практично витіснено інтегральними компенсаційними стабілізаторами або джерелами безперебійного живлення. Тим не менш, для того, щоб зрозуміти, як працюють компенсаційні та напруги необхідно знати принципи роботи параметричного стабілізатора.

Як приклад параметричних стабілізаторів розглянемо стабілізатори напруги. У них зазвичай використовуються напівпровідникові стабілітрони, які працюють у галузі електричного пробою на зворотній ділянці вольтамперної характеристики. Тому стабілітрон включається у зворотному напрямку. Вихід з ладу даного діода не відбувається через те, що струм, що протікає через діод, обмежується зовнішнім резистором. Класична схема параметричного стабілізатора напруги на стабілітроні наведена малюнку 1.

Малюнок 1. Схема стабілізатора напруги на стабілітроні

Ми обговоримо у наступній статті, а зараз докладніше розглянемо параметри стабілітрона. Приклад його вольтамперної характеристики наведено малюнку 2

Малюнок 2. Вольтамперна характеристика стабілітрона

У параметрах стабілітрона наводиться мінімальний струм стабілізації, при якому починається пробій і максимальний струм стабілізації, при якому ще не відбувається руйнування pn-переходу за рахунок його теплового нагріву. Основними параметрами стабілітрона є:

• напруга стабілізації Uст та межі його зміни Δ Uст;
• номінальний струм Iном та межі його зміни Iст min ... Iст max;
• максимальна допустима потужність розсіювання Pдоп = Uст × Iст max;
• диференціальний опір на робочій ділянці r d;
• температурний коефіцієнт напруги (ТКН) α T.

Найбільш важливим параметром стабілітрона є його напруга стабілізації. Стабілітрони виробляють на напругу від 3 до 400 В. Воно залежить від товщини p-n переходу. При цьому залежно від товщини переходу пробій буває лавинним або тунельним. Якщо потрібно стабілізувати напругу менше трьох вольт, застосовуються стабистори. Вони для стабілізації використовується пряма гілка амплітудно-частотної характеристики. Тому схема параметричного стабілізатора напруги змінюється. Вона наведена малюнку 3.

Рисунок 3. Схема параметричного стабілізатора на стабісторі

Диференціальний опірстабілітрон зазвичай визначається омічним опором напівпровідника. За вольтамперною характеристикою його можна визначити так:

(1)

Саме диференціальний опір стабілітрона визначає залежність вихідної напруги параметричного стабілізатора від струму споживання навантаження.

Не менш важливим параметром є температурний коефіцієнт напруги. Напівпровідникові діоди дуже чутливі до температури і їхня вольтамперна характеристика зміщується при нагріванні. Приклад зміни вольтамперної характеристики стабілітрону наведено на малюнку 4.

Рисунок 4. Зміна вольтамперної характеристики під впливом температури

Для напівпровідникового діода, який використовується як стабілізатор, ТКН α T= 0,1% градусів Цельсія. Для прецизійних стабілізаторів напруги це дуже велика величина. У той же час, негативний або позитивний буде ТКН залежить від типу пробою. При напрузі стабілізації менше 6,2 він негативний, а при напрузі стабілізації більше цього значення - позитивний. Тому прецизійні стабілітрони виконуються на цю напругу. При дещо більшій напрузі можна скористатися прямою гілкою вольтамперної характеристики, де падіння напруги зменшується зі зростанням температури. Якщо стабілітрони включити зустрічно, як показано на малюнку 5, то залежність напруги стабілізації від температури можна значно знизити (наприклад, вітчизняний стабілітрон КС170).

Малюнок 5. Внутрішня схема прецизійного стабілітрона

Умовно-графічне зображення прецизійного стабілітрона наведено малюнку 6.

Малюнок 6. Умовно-графічне зображення прецизійного стабілітрона

У схемі включення даного стабілітрона можна побоюватися неправильного включення, т.к. симетричні стабілітрони мають однакову напругу стабілізації.