Основой его служит стабилитрон — кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало и очень незначительно меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и на нагрузке, подключенной к нему, поддерживается практически постоянным.
Вольтамперные характеристики нескольких наиболее часто используемых в самодельных конструкциях стабилитронов показаны на рис. 82. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого сплавного диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного направления. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растет очень медленно (на характеристике — горизонтальный участок ветвей), а затем при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-п перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике — спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС133А, например, при 3...3,7 В, у стабилитрона Д808 — при 7...8,5 В. В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах, соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик.
Пробой р-n перехода не ведет к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.
Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому изменению тока стабилизации, т. е.
(см. характеристику стабилитрона КС133А на рис. 82). Чём меньше численное значение этого параметра стабилитрона, тем стабильнее напряжение на нем при изменении тока.
Рис. 82. Вольтамперные характеристики некоторых стабилитронов
Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации I ст. min, т.е. наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме «пробоя» устойчива, и не больше максимального тока стабилизации Iст. max — наибольшего тока, при котором температура нагрева р-п перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируются по его напряжению стабилизации Uст — напряжению между его выводами в рабочем режиме.
Важнейшие параметры стабилитронов широкого применения приведены в табл. 6 приложения.
Простейший стабилизатор — параметрический, работающий как делитель нестабилизированного напряжения (рис. 83), образуют резистор Rгас, называемый гасящим или балластным, и стабилитрон V.
Нестабилизированное напряжение, подаваемое от выпрямителя на вход стабилизатора, должно быть на 40...50% больше напряжения стабилизации используемого стабилитрона.Рабочий режим его устанавливают подбором резистора Rгас. Нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону, и напряжение на ней соответствует напряжению стабилизации использованного полупроводникового прибора. Благодаря стабилизирующим свойствам ток через стабилитрон изменяется пропорционально току нагрузки, но только в обратном порядке, поэтому общий ток, потребляемый от выпрямителя самим параметрическим стабилизатором и подключенной к нему нагрузкой, остается практически неизменным. А все изменения напряжения на входе стабилизатора, возникающие, например, из-за колебаний сетевого напряжения, гасит резистор Rгас.
Эффективность работы стабилизатора оценивают коэффициентом стабилизации напряжения Кст — числом, показывающим, во сколько раз уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения на выходе устройства по сравнению с такими же характеристиками входного напряжения.
Определить коэффициент стабилизации напряжения простейшего параметрического стабилизатора можно по упрощенной формуле:
Выходное сопротивление параметрического стабилизатора примерно равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона, т. е-
Стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 83, можно использовать для питания многих простейших радиотехнических устройств и их узлов, при этом потребляемый ими ток не должен превышать максимальный ток через используемый стабилитрон. Так, для стабилитрона КС196 потребляемый от него ток не должен превышать 15...18 мА при напряжении 9... 10 В (в зависимости от Uст конкретного стабилитрона).
Для питания приемника, усилителя ЗЧ или другого устройства, потребляемый ток которого превышает максимальный гок стабилитрона, в стабилизатор напряжения вводят транзисторный усилитель тока.
Примером может служить компенсационный стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 84. Здесь резистор R1 и стабилитрон VI образуют параметрический стабилизатор, поддерживающий на базе транзистора V2, называемого в данном случае регулирующим, постоянное напряжение, практически равное напряжению Ucт используемого стабилитрона. Регул л рующий транзистор включен эмиттерным повторителем.
Напряжение невыходе тако го стабилизатора, а значит, и на его нагрузке Rн равно разности напряжений стабилизации стабилитрона V7 и на эмиттерном р-п переходе транзистора V2. А так как напряжение на базе транзистора относительно эмиттера (напряжение смещения) составляет доли вольта, то можно считать, что выходное напряжение Uвых равно напряжению Uст используемого стабилитрона.
Принцип действия такого стабилизатора заключается в следующем. При повышении напряжения на входе стабилитрона Uвх, например из-за колебаний напряжения сети, напряжение на выходе стабилизатора Uвых также стремится возрасти. Это приводит к тому, что напряжение на эмиттерном переходе регулирующего транзистора V2 начинает уменьшаться и тем самым закрывать транзистор. При этом падение напряжения на участке эмиттер — коллектор транзистора возрастает настолько, что напряжение на выходе стабилитрона уменьшается до исходного уровня. Аналогично стабилизатор реагирует и иа понижение входного напряжения, но только в обратном порядке. Таким образом, регулирующий транзистор стабилизатора выполняет функцию прибора, сопротивление которого при изменении входного напряжения и тока нагрузки управляется напряжением на эмиттерном переходе, в результате чего выходное напряжение стабилизатора остается практически постоянным.
Резистор R2 не влияет на входные и выходные параметры стабилизатора, он нужен лишь для того, чтобы и при отключенной нагрузке регулирующий транзистор работал как усилитель тока. Сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы ток, текущий через него, был несколько больше начального неуправляемого тока транзистора — примерно 5... 10 мА.
Надежность работы стабилизатора и величина потребляемого тока зависят от параметров регулирующего транзистора. В частности, предельно допустимое напряжение между его эмиттером и коллектором должно быть больше максимального выходного напряжения стабилизатора, а предельно допустимый ток коллектора — больше максимального тока нагрузки. Потребляемый нагрузкой ток может быть тем больше, чем больше h21э регулирующего транзистора, но при атом его предельно допустимая мощность рассеивания должна быть на 20...30% больше максимальной мощности, потребляемой стабилизатором от выпрямителя. Этим требованиям наиболее полно отвечают транзисторы большой мощности.
Чтобы регулирующий транзистор не перегревался во время работы, его устанавливают на радиатор.
