Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост

Сейчас выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так? Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась.

А TL431, при все его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным. Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены.

Поговорим о некоторых практических аспектах их применения. Статья из серии «электроника для начинающих». Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное.

А профессионалам она точно будет не интересна. Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике. Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что «устарело» и «давно всем известно»? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не в

Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления

Я не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но с чего-то все же надо начинать, чтобы разговор был содержательным.

Так как схема полностью стандартная, подробно описывать ее не буду. Но нам нужен тот факт, что ток, потребляемый от источника напряжения Е, равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки.

Исходя из этого, обычно приводят формулу для расчета сопротивления балластного резистора

В этой формуле все верно. Просто написанный в таком виде, он мало что учитывает. Напряжение источника Е, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки In считаются известными и заданными. А вот ток через стабилитрон Ist предлагается выбирать. Тут у новичков возникают вопросы. И ответ на вопрос, какое электричество выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд.

Да, вы можете просто сказать, что, скажем, 3-5 мА будет хорошим выбором. А у новичка сразу другой вопрос, а почему такой ток? Вполне закономерный вопрос. Более того, такой простой совет может быть ошибочным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо мал.

Для этих стабилитронов необходимо выбрать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие странности? Вот вам более свежий пример. Для 1SMA5918BT3G требуется ток не менее 65 мА.

Чтобы понять, почему так происходит, нужно более подробно рассмотреть ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и понять понятие дифференциального сопротивления. Начать.

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и входного значения.

По принципу построения стабилизирующие узлы делятся на следующие группы:

• Параметрический;
• Компенсаторный;
• Пульс.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольтамперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при значительном изменении тока напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

В более сложных схемах компенсации используется обратная связь, величина которой пропорциональна разнице между выходным напряжением и опорным напряжением.

К вашему сведению. Импульсные блоки основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе — емкости или индуктивности.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Работа электрического поля

Самая простая конструкция содержит всего два элемента:

• Диод стабилизации — стабилитрон;
• Токоограничивающий резистор.

Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, так как работает в ограниченном диапазоне сопротивлений нагрузки — ток через стабилитрон должен быть как минимум в 3-10 раз больше нагрузки.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если дополнить конструкцию стабилитроном с эмиттерным повторителем, то получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитрон с лучшими параметрами по току нагрузки.

В этой схеме напряжение на нагрузке определяется разницей между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.

Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Bst раз, где Bst — статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно дополнительно увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема параметрического регулятора напряжения на транзисторе имеет недостатки. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации схемы в целом.

Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума приводит к увеличению выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0,6 вольта, так как ток базы становится равным нулю).

Схема стабилизатора

VD1-VD4 на этой схеме — обычный диодный мост, преобразующий переменное напряжение от трансформатора в постоянное. Конденсатор С1 выравнивает волны напряжения и превращает напряжение из пульсирующего в постоянное.

Параллельно этому конденсатору стоит поставить небольшой пленочный или керамический конденсатор для фильтрации высокочастотных пульсаций, так как на высокой частоте электролитический конденсатор плохо справляется со своей задачей.

Электролитические конденсаторы С2 и С3 в этой схеме имеют одинаковое назначение — сглаживать любые пульсации. Цепочка R1 — VD5 служит для формирования стабилизированного напряжения, резистором R1 в ней задается ток стабилизации стабилитрона. Резистор R2 нагружен.

Транзистор в этой схеме поглощает всю разницу между входным и выходным напряжениями, поэтому на нем рассеивается приличное количество тепла. Эта схема не рассчитана на подключение большой нагрузки, но все же транзистор следует прикрутить к радиатору с помощью термопасты.

Напряжение на выходе схемы зависит от выбора стабилитрона и номинала резисторов. В таблице ниже приведены номиналы элементов для получения на выходе 5, 6, 9, 12, 15 вольт.

Вместо транзистора КТ829А можно использовать импортные аналоги, например ТИП41 или БДХ53. Допускается установка диодного моста, подходящего по току и напряжению. Кроме того, можно собрать его из отдельных диодов.

Таким образом, при использовании минимума деталей получается полезный регулятор напряжения, от которого можно управлять другими электронными устройствами, использующими небольшой ток.

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Самый простой вариант схемы, где установлен только один полупроводниковый прибор, предполагает ограниченную мощность в нагрузке. Если загородный дом или другой объект необходимо полностью защитить от поражения электрическим током, необходимо использовать более сложные решения.

Читайте также: Переносное заземление: устройство, требования, установка, проверка

Параллельный стабилизатор

Схема ниже работает следующим образом. Транзистор действует как усилитель, обеспечивая эффект компенсации при увеличении выходного напряжения. Таким образом создаются условия для прохождения гораздо большего тока в подключаемой нагрузке, по сравнению с использованием рассмотренного выше простейшего варианта.

Последовательный стабилизатор

Такое подключение нагрузки обеспечивает регулировку режимов работы за счет изменения напряжения срабатывания транзистора. Ток через стабилитрон ограничивается номиналом резистора R2. Такой параметрический регулятор напряжения выполняет свои функции с высокой точностью. Коэффициент стабилизации при правильном расчете составляющих составляет от 14 до 20 единиц.

Порядок включения

Расчет стабилитрона необходимо проводить с учетом характеристик обратной ветви ВАХ. Точка номинального напряжения устанавливается в середине рабочей зоны. Необходимо правильно расположить элементы стабилизатора, если используются транзисторы и другие дополнительные компоненты.

Для упрощения расчетов можно воспользоваться специализированным онлайн-калькулятором. Такие возможности бесплатно предлагают справочные ресурсы в Интернете. В некоторых ситуациях удобно использовать схему на полевом транзисторе.

Показанный на картинке стабилизатор оснащен регулятором. При использовании этих компонентов при входном напряжении 50В выходное может поддерживаться на заданном пользователем уровне в диапазоне 16-27В.

Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление

Нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции тоже не соблюдены.

В области перехода с обратным смещением стабилитрон ведет себя как обычный диод при приложении обратного напряжения. Для стабилизаторов рабочей ветвью является противоположная, но прямая ветвь ВАХ, поэтому ВАХ будет иметь не обратносмещенную переходную область, а прямосмещенную переходную область при малых напряжениях.

Понятно, что для стабилитронов эта область не работает, а потому нас не интересует. В справочных данных на стабилитроны обычно приводят значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.

В переходной области начинают проявляться эффекты, связанные с обратимым пробоем. Часто предполагается, что поломка происходит сразу, но это не так. Площадь перехода может быть довольно большой, например, с низковольтными стабилитронами. Эта область не всегда выделяется в отдельную часть ВАХ.

Как следует из названия, основное используемое рабочее пространство. Я показал его почти линейным, но на самом деле он нелинейный. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует значению пропускания напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст

Еще две точки определяются для рабочей области. Первый соответствует минимальному току Istmin через стабилитрон, где рабочая точка еще находится в рабочем диапазоне. Второй соответствует максимальному току Istmax через стабилитрон, при котором мощность, передаваемая стабилитроном, не превышает предельной.

Понятно, что ток Ist через стабилитрон должен лежать между Istmin и Istmax. Но обратите внимание, что я показал рабочее пространство не строго по вертикали. И это соответствует действительности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочем пространстве, в общем случае.

Обратите внимание, что на ВАХ осями координат являются напряжение и ток. Это означает, что прямая, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно, не любую линию, а такую, в которой положительному увеличению тока соответствует положительное увеличение напряжения.

А если это не прямая линия, а кривая? Как и наш ВАГ. Как известно, кривую можно аппроксимировать отрезками. Да не просто так, но не будем рассматривать, нам это не нужно. Каждый отрезок линии определяется двумя точками (U0,I0) и (U1,I1), расположенными на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциала (дифференциального сопротивления).

Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки IV. Если дифференциальное сопротивление определяют не на постоянном, а на переменном токе, его физический смысл не меняется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз взглянем на наш пример VAC

ВАХ стабилитронов BZX84 производства Diotec. Фрагмент из документации производителя ВАХ стабилитронов BZX84 производства Diotec. Фрагмент документации производителя

Вот кривые для стабилитронов с разными напряжениями стабилизации. В документации приведены напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (испытательный ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией.

Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют более высокое дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1 кГц). А это означает гораздо большую зависимость от напряжения стабилизации тока через стабилитрон.

Немного подробнее о стабилизации

Вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая была приведена в начале статьи. В общем случае мы можем изменить напряжение источника E и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке в идеале должно оставаться неизменным. Это стабилизация.

Можно ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне

Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление показывает влияние изменения тока нагрузки.

Давайте сначала посмотрим на эффект изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого следует помнить, что ток через стабилитрон равен разнице между током, потребляемым от источника Е, и током нагрузки. Ток нагрузки постоянный. Следовательно, изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон.

Для упрощения будем считать, что стабилитрон идеальный, значит напряжение стабилизации не меняется поэтому

ΔIст = ΔЕ/Rб

Теперь, когда мы вспомнили, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации, которое соответствует изменению входного напряжения.

Фактически мы подтвердили высказанное ранее утверждение о том, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит и влияние изменения входного напряжения. Чем ниже коэффициент стабилизации.

Проведем небольшой расчет для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5,1 В при токе 5 мА. Пусть входное напряжение 10 В, а ток нагрузки 0,5 мА. Сопротивление балластного резистора в этом случае будет равно 890 Ом. Допустим, входное напряжение увеличить на 2 В, насколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)?

Типичное дифференциальное сопротивление для BZV55C5V1 при 5 мА составляет 40 Ом. То есть выходное напряжение изменяется на 0,09 В. В худшем случае при дифференциальном сопротивлении 60 Ом изменение будет уже 0,135 В. Даже в худшем случае изменение составит всего 2,65% от номинального выхода. Напряжение.

А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно быть 3,27 кОм. Типичное дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет 400 Ом (максимум 480 Ом).

Теперь наше выходное напряжение изменится на 0,24 В (в худшем случае — на 0,29 В). А это уже 4,71% (5,69% в худшем случае).

То есть стабильность напряжения стабилизации очень существенно зависит от выбора рабочего тока через стабилитрон. При токе 5 мА получаем коэффициент стабилизации 7,56, а при токе 1 мА всего 3,52.

Если мы рассмотрим влияние тока нагрузки, то придем к тем же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это сами, в качестве упражнения.

Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления.

Слишком маленький ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Теперь если вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73,5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартный рекомендуемый ток 5 мА будет слишком мало для этого. А вот для BZV55C5V1 вполне подходит.

В общем случае дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть намного меньше сопротивления балласта и значительно меньше сопротивления нагрузки.

Это вызывает проблемы, когда входное напряжение близко к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, дифференциальное сопротивление которого составляет 0,2 Ом (в худшем случае 0,5 Ом). Однако есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2,5 В.

Проблема низкого сопротивления нагрузки может быть решена с помощью, например, эмиттерного повторителя. Что подводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного регулятора. Без сомнения, вы очень хорошо знаете эту схему.

Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них давалось дифференциальное сопротивление при определенном токе через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда устанавливался минимальный ток стабилизации (по крайней мере так было в промышленных каталогах).

Еще раз о расчете балластного сопротивления

Теперь мы имеем лучшее представление о выборе оптимального тока через стабилитрон. Но при расчете балластного сопротивления все же не учитываются некоторые достаточно важные факторы.

Во-первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, в стабилизации нет необходимости. Во-вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным или считаться таковым. Например, если в качестве источника опорного напряжения для компаратора используется стабилитрон, то током нагрузки можно полностью пренебречь.

Для учета влияния этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо выполнить дополнительную проверку после расчета балластного сопротивления при номинальном входном напряжении и номинальном токе нагрузки.

Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Необходимо проверить, чтобы ток через стабилитрон для выбранного Rb не превышал максимально допустимого. И с небольшим запасом.

Минимальный ток через стабилитрон будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Необходимо проверить, чтобы ток через стабилитрон был не меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, чтобы рабочая точка находилась в рабочем диапазоне, а дифференциальное сопротивление было достаточно мало.

Улучшения/ухудшения

Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне пытались усовершенствовать не раз. Возможно, наиболее известным предложением является использование стабилизатора тока вместо Rb. Например, замена резистора на полевой транзистор с p-n переходом, включенным двухвыводным. Вы наверняка не раз видели такие схемы.

Идея тут проста — стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а дифференциальное сопротивление у него большое. Это значительно увеличивает коэффициент стабилизации. На самом деле, неважно, какой стабилизатор тока используется, вполне можно использовать токовое зеркало.

Но не забывайте, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически деградировать при переменной нагрузке. Так как стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему и в каких ситуациях это может произойти.

ТКН (температурный коэффициент напряжения)

Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. У низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. Это означает, что напряжение стабилизации уменьшается с ростом температуры.

У высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но и у стабилитронов есть островок стабильности, который находится примерно в районе напряжения стабилизации 5,5 В.

Выпускаются также термостабильные стабилитроны, которые можно использовать для работы в широком диапазоне температур.

Но следует помнить одну вещь, которую часто упускают из виду. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть значительно выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.