4.2. Параметрические стабилизаторы

В параметрических стабилизаторах напряжения используются нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую вольтамперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 4.5).

Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 4.6. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно.

Рис. 4.5	Рис. 4.6

Действительно, входное напряжение распределяется между балластным резистором и стабилитроном (рис. 4.6):

,

где - падение напряжения на балластном резисторе от протекания токов стабилитрона и нагрузки .

Так как напряжение на стабилитроне в соответствии с вольтамперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от до , то приращение входного напряжения равно приращению напряжения на резисторе . Так как ток нагрузки остается при этом неизменным, то , т.е. при изменении входного напряжения на значение ток стабилитрона изменяется на значение .

Предположим, что нагрузка изменилась, например, уменьшилось сопротивление резистора , что привело к увеличению тока нагрузки. Так как при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока , то увеличение тока влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 4.6) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на рабочем участке вольтамперной характеристики, поскольку всегда существенно меньше

,

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне , а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон . Записав и учитывая, что , найдем коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора:

.

Из этого выражения следует, что с ростом сопротивления увеличивается коэффициент стабилизации. Однако при заданных параметрах , , сопротивление однозначно определяется из выражения

,

где - номинальный ток стабилитрона (рис. 4.5).

Увеличить сопротивление можно, лишь повысив напряжение , а это, в свою очередь, приводит к уменьшению величины . Поэтому коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения не превышает 50. Для повышения величины можно применять каскадное включение стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки .

Одной из основных характеристик параметрического стабилизатора на полупроводниковом диоде является, как и для ключевых схем ограничителей и выпрямителей, зависимость «вход-выход» (рис. 4.7). Передаточная характеристика содержит начальную область, которая близка к линейной и аппроксимируется прямой I.

	Рис. 4.8
Рис. 4.7	Рис. 4.9

Прямая I может быть получена путем анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой стабилитрон заменяется эквивалентом (рис. 4.8). Рабочим участком характеристики «вход-выход» стабилизатора является участок от до , на котором , аппроксимирующийся прямой II. Этот участок характеристики строится в результате анализа эквивалентной схемы стабилизатора, в которой стабилитрон заменяется эквивалентом (рис. 4.9). Для обоих участков характеристики «вход-выход» в большинстве схем .

Приведенная на рис. 4.10 нагрузочная характеристика стабилизатора также имеет рабочий участок от до , на котором и для которого , а для участка, где , схема теряет свои стабилизирующие свойства.

Рис. 4.10

Изменение окружающей температуры приводит к изменению выходного напряжения стабилизатора, которое зависит от - температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитрона, применяемого в схеме.

Средний температурный коэффициент напряжения стабилизации определяется отношением изменения напряжения стабилизации в процентах к абсолютному изменению температуры

.

Стабилитроны с напряжением стабилизации меньше 5В имеют отрицательный температурный коэффициент, а стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В - положительный.

Параметрический стабилизатор со стабилитроном, работающим на участке пробоя обратной ветви вольт-амперной характеристики, имеет эквивалентную схему, приведенную на рис. 4.11.
	Рис. 4.11

Поскольку во время работы стабилизатора могут меняться входное напряжение , напряжение стабилизации и ток нагрузки , то полное изменение выходного напряжения определяется как

. (4.1)

Тогда относительное изменение выходного напряжения оценивается коэффициентом нестабильности , где - номинальное выходное напряжение.

С учетом эквивалентной схемы рис. 4.11 и соотношения частные производные в уравнении (4.1) могут быть найдены через элементы схемы, что приводит выражение (4.1) к виду

.

Если , тогда , где в и могут быть учтены температурные и временные изменения входного напряжения и напряжения стабилизации.

Так, для учета температурной нестабильности вольтамперной характеристики стабилитрона при изменении температуры на можно записать , где .

В реальных схемах параметрических стабилизаторов для повышения коэффициента стабилизации вместо балластного резистора (рис. 4.6)

используется токостабилизирующий двухполюсник (рис. 4.12), который может быть реализован как на полевых, так и на биполярных транзисторах.
	Рис. 4.12

Стабилизация тока в этой схеме достигается за счет глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой резистором в цепи истока. Падение напряжения на резисторе от протекания тока равно по абсолютной величине напряжению затвор – исток . Учитывая, что стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывается выражением , где - ток стока при ; - напряжение затвор-исток при отсечке тока , можно записать

.

Для обеспечения хорошей стабилизации тока сопротивление должно быть по возможности большим, так как при увеличении возрастает внутреннее сопротивление транзистора, определяемое формулой , где - дифференциальное сопротивление сток – исток, значение которого лежит в диапазоне от 80 до 100 кОм. При использовании такого двухполюсника коэффициент стабилизации напряжения, обеспечиваемый параметрическим стабилизатором, может достигать 10⁴.