CC BY
58
DOI: 10.24143/2073-1574-2017-3-95-99 УДК 621.316.722.1
К. А. Климкин
СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ СТАБИЛИТРОНА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПЛАВНОЙ РЕГУЛИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ
Рассмотрена возможность практического применения схемы замещения стабилитрона с плавной регулировкой напряжения стабилизации и температурной коррекции его параметров в зависимости от внешних условий. Типовая схема включения стабилитрона не предусматривает специальную токовую компенсацию, и при лавинообразном увеличении тока смещения стабилитрона температурный коэффициент напряжения стабилизации (аист) также увеличивается. Для маломощных стабилитронов представляется целесообразным компенсировать изменение их аист специальными методами. Предложена практическая схема, с помощью которой удалось решить проблему стабилизации низких напряжений с возможностью плавной подстройки напряжения стабилизации, которая может производиться в диапазоне от 1,2 до 7 В.
Ключевые слова: стабилитрон, напряжение стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации.
Введение
Большинство выпускаемых отечественной промышленностью стабилитронов с напряжением стабилизации от 1,5 до 6 В (КС147А, КС133А, КС168А и др.) [1] имеют относительно большой разброс по напряжению стабилизации (например, для КС168А этот параметр может меняться от 6,1 до 7,4 В) и невысокий коэффициент стабилизации напряжения. Это происходит потому, что относительно большое (от 30 до 70 Ом) дифференциальное сопротивление гст на участке стабилизации приводит к пропорционально большому изменению напряжения во всем диапазоне токов в пределах рабочего режима.
Материалы исследования
Предлагаемая схема замещения обладает гораздо меньшим дифференциальным сопротивлением (3-5 Ом) по сравнению с обычными стабилитронами (для КС156А 30-70 Ом [1]), поэтому позволяет получить больший коэффициент стабилизации. Типовые схемы включения стабилитрона [2, 3] не предусматривают специальную токовую компенсацию, поэтому обладают общим отрицательным свойством: при лавинообразном увеличении тока смещения стабилитрона температурный коэффициент напряжения стабилизации аист также увеличивается. В зависимости от действующего на стабилитрон напряжения и тока смещения это изменение температурного параметра может быть отрицательным или положительным. Данное замечание справедливо даже для одного и того же прибора при его работе на различных участках вольтам-перной характеристики. Поэтому для отмеченных выше стабилитронов серии КС представляется также целесообразным компенсировать изменение их температурного коэффициента напряжения стабилизации специальными схемами.
Источники опорного напряжения в виде параметрических стабилизаторов на кремниевых стабилитронах могут быть выполнены при выходных напряжениях от единиц до ста вольт. Однако получить любое желаемое опорное напряжение в этом случае не удается. Его приходится подбирать в пределах разброса напряжений стабилизации стабилитронов из достаточно большого количества экземпляров, о чем уже было сказано выше. При этом дифференциальное сопротивление источника опорного напряжения, составленного из отдельных стабилитронов, равное сумме гст этих стабилитронов, и определяет основные стабилизирующие свойства параметрического стабилизатора, определяемые формулой
г Я
П — гст Яб ^ „
вых
+ Яб
где Явых - выходное сопротивление; Яб - сопротивление балластного резистора.
С увеличением сопротивления балластного резистора коэффициент стабилизации Кст параметрических стабилизаторов увеличивается, однако при этом приходится повышать входное напряжение источника (ивх), в соответствии с формулой
R б U н
rU„
где ин - напряжение в нагрузке.
В этом случае КПД такого стабилизатора становится очень низким и целесообразность его применения оказывается сомнительной. Предлагаемый вариант схемы замещения стабилитрона имеет дифференциальное сопротивление не более 10 Ом, которое заведомо меньше аналогичного параметра одиночного стабилитрона.
На рис. 1 представлена эквивалентная электронная схема, с помощью которой удалось решить проблему стабилизации низких напряжений с возможностью плавной регулировки стабилизируемого напряжения и термокомпенсацией.
Рис. 1. Принципиальная эквивалентная схема стабилитрона с термокомпенсацией и плавной регулировкой напряжения стабилизации
Такая регулировка достигается применением многооборотного переменного резистора Я2, плавно изменяющего напряжение смещения на базе транзистора УТ1. Диапазон тока смещения равен 1-20 мА и может быть расширен в сторону увеличения до 100 мА, если составной транзистор УТ2 заменить более мощным. Регулировка напряжения стабилизации и может производиться в диапазоне 1,2-7 В и определяется зависимостью
и = 0,6 + 0!375(К21К3), Я1
т. е. соотношением величин резисторов Я1, Я2, ЯЗ. Например, при суммарном значении сопротивлений Я2 и ЯЗ, равном 4 кОм, напряжение стабилизации будет равно 2,6 В.
Напряжение перехода база-эмиттер транзистора УТ1 используется как опорное, его температурная зависимость компенсируется германиевым диодом VD1. В результате на резисторе Я1 устанавливается стабильное падение напряжения, равное 0,375 В при токе 0,5 мА, при этом составной транзистор УТ2 пропускает через себя весь ток смещения, кроме тока, необходимого для смещения опорного элемента. Применение термокомпенсирующего диода VD1 типа Д18 [4] и его установка в непосредственной близости от мощного транзистора (рис. 2) позволили избавиться от недостатков аналогичных схем [5], т. е. уменьшить температурный коэффициент напряжения стабилизации.
Рис. 2. Вариант конструктивного исполнения устройства при эквивалентной замене составного транзистора
В результате лабораторных испытаний установлено, что при указанных значениях сопротивлений резисторов Я2 и Я3 напряжение стабилизации изменяется не более чем на ±2 % при изменении тока смещения от 10 до 50 мА, при этом температура внешней среды в лаборатории могла изменяться в пределах 10 оС (от +18 до +28). Устройство было испытано в двух вариантах - в качестве электронного стабилизатора для электромеханических часов с напряжением питания 1,5 В и в качестве источника опорного напряжения для электронного термометра на базе аналого-цифрового преобразователя типа КР572ПВ5 - и в обоих случаях были получены хорошие результаты.
При практической реализации устройства и дальнейшем улучшении его стабилизационных характеристик допустимая погрешность резисторов Ю и Я3 не должна превышать 5 %, а составной транзистор УТ2 (либо, если используется его замена из двух транзисторов, то тот, который мощнее) целесообразнее установить на небольшой теплоотвод с эффективной площадью охлаждения 20-25 см2. Это связано с тем, что, например, при максимальном токе смещения, равном 100 мА, и напряжении стабилизации 6 В на этом транзисторе рассеивается мощность 0,6 Вт, что приводит к заметному нагреву последнего, особенно при температуре окружающей среды, близкой к +30 оС. Конструктивно устройство было выполнено на печатной плате толщиной 1 мм и размерами 40 х 50 мм. В качестве Ю, Я3, Я4 использовались резисторы типа МЛТ либо ОМЛТ. В варианте конструкции устройства, показанного на рис. 2, в качестве переменного резистора Я2 применялся обычный, типа СП, однако при необходимости более точной подстройки напряжения стабилизации лучше применить многооборотный СП5-1БВ. Допустимо вместо транзистора УТ1 (КТ361Г) использовать КТ3107Е, а вместо УТ2 (КТ827Б) - два кремниевых транзистора - КТ315В и КТ815Г, при этом стабилизационные и регулировочные свойства схемы сохраняются. Именно этот вариант конструкции показан на рис. 2. Переменный резистор Я2 здесь установлен непосредственно на печатную плату, однако в некоторых случаях целесообразнее будет устанавливать его отдельно, в непосредственной зоне оперативного регулирования параметров схемы.
На рис. 3 представлены усредненные графики обратных ветвей вольт-амперной характеристики эквивалентной схемы стабилитрона, полученные опытным путем при максимальном токе стабилизации, близком к 100 мА.
Uct, В 3,5 3.0 2,5 2,0 1,5
/от, мА
Рис. 3. Семейство вольтамперных характеристик эквивалентной схемы стабилитрона при соответствующих значениях резистора Я2
Семейство полученных характеристик обусловлено соответствующими значениями величин переменного резистора R2.
Заключение
Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве электронного стабилизатора для питания различных цифровых и аналоговых устройств с соответствующим током потребления. При этом, если необходимо, ток стабилизации устройства можно увеличить до 1 А. В этом случае сопротивление резистора Ю необходимо уменьшить до 150-200 Ом, а мощный транзистор (КТ815Г) поставить на теплоотвод с площадью охлаждения 40-50 см2. Учитывая, что в схеме используются высокочастотные транзисторы, существует возможность ее паразитного самовозбуждения. В связи с этим все соединения конструкции должны быть минимальной длины, а если этого окажется недостаточно, параллельно транзистору УТ2 необходимо включить конденсатор емкостью 0,01-0,03 мкФ. В варианте конструкции, представленном на рис. 2, длина соединительных проводов не превышала 12-15 см, а паразитное самовозбуждение, контролируемое с помощью осциллографа, не наблюдалось.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Гитцевич А. Б., Зайцев А. А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: справочн. / под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1988. 528 с.
2. Назаров С. В. Транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1980. 96 с.
3. http://www.ngpedia.xvi/id458177p2.html.
4. Гитцевич А. Б., Зайцев А. А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: справочн. / под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1988. 592 с.
5. Низковольтный регулируемый «стабилитрон» // Радио. 1973. № 12. С. 57.
Статья поступила в редакцию 23.03.2017
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Климкин Константин Александрович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; доцент кафедры электрооборудования и автоматики судов; [email protected].
K. A. Klimkin
STABILITRON REPLACEMENT SCHEME WITH THE POSSIBILITY OF A SMOOTH REGULATION OF VOLTAGE STABILIZATION
Abstract. The article focuses on the possibility of practical application of the scheme of replacing stabilitron with smooth adjustment of the stabilization voltage and temperature correction of its parameters depending on external conditions. A typical stabilitron connection scheme does not provide for special current compensation, and, in the case of an avalanche-like increase in the stabilitron current, the temperature coefficient of the stabilization voltage (aUst) also increases. For low-power stabilitrones, it seems reasonable to compensate for the variation of their aUst by special methods. A practical scheme is proposed, with the help of which it became possible to solve the problem of stabilization of low voltages with the possibility of smoothly adjusting stabilization voltage, which can be made in the range from 1.2 to 7 V.
Key words: stabilitron, stabilization voltage, temperature coefficient of stabilization voltage.
REFERENCES
1. Gittsevich A. B., Zaitsev A. A. i dr. Poluprovodnikovye pribory. Diody vypriamitel'nye, stabilitrony, tiristory: spravochnik [Semiconductor devices. Rectifier diods, stabilitrons, thyristors: reference book]. Pod redaktsiei A. V. Golomedova. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 1988. 528 p.
2. Nazarov S. V. Tranzistornye stabilizatory napriazheniia [The transistor voltage stabilizers]. Moscow, En-ergiia Publ., 1980. 96 p.
3. http://www.ngpedia.ru/id458177p2.html.
4. Gittsevich A. B., Zaitsev A. A. i dr. Poluprovodnikovye pribory. Diody vysokochastotnye, diody impul'snye, optoelektronnye pribory: spravochnik [Semiconductor devices. Radio frequency diods, pulse diods, optoelectronic devices: reference book]. Pod redaktsiei A. V. Golomedova. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 1988. 592 p.
5. Nizkovol'tnyi reguliruemyi «stabilitron» [The low-voltage adjustable stabilitron]. Radio, 1973, no. 12, p. 57.
The article submitted to the editors 23.03.2017
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Klimkin Konstantin Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Assistant Professor of the Department of Electric Equipment and Automatics of Ships; [email protected].
