Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост
07.03.2022
Эта статья была мной ранее (24 августа 2020 года) опубликована на канале Разумный мир в Яндекс.Дзен. Однако, последние изменения в Дзен привели к необходимости переноса статей на другие ресурсы. Статья публикуется с небольшими изменениями.
Сегодня 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 всех 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.
Это 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 всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде "как рассчитать балластный резистор для стабилитрона". Да и не устарели стабилитроны. Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно. Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.
Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. За исключением этого нюанса, описанное в статье применимо и к стабисторам.
Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления
Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.
Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки. Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора
В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд. Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток?
Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА. Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.
Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление
Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе, и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются. Разными цветами показаны три основных области.
В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.
В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.
Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст. Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной. Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.
Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения. А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).
Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ
Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке. Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.
Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией. Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.
Немного подробнее о стабилизации
Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация. Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне
Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон. Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому
Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.
Собственно говоря, мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.
Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)? Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.
А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).
То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52. Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.
Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.
В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки. Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В. Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.
Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).
Еще раз о расчете балластного сопротивления
Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы. Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.
Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.
Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом. Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.
Улучшения/ухудшения
Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз. Идея здесь проста - стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.
Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку 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. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В. Выпускаются и термостабильные стабилитроны, которые можно использовать при работе в большом диапазоне температур.
Но нужно учитывать еще один момент, о котором нередко забывают. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть ощутимо выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.
Заключение
Пожалуй, на сегодня достаточно. Я коснулся, упрощенно, очень небольшой части касающихся использования стабилитронов вопросов. Той части, которая наиболее важна для новичков и в части практического использования, и для понимания работы стабилитронов. Остались в стороне вопросы частотных свойств, емкости, временной стабильности. Остались в стороне интересные варианты схем включении. Например, когда выходным напряжением является не напряжение на стабилитроне, а напряжение на балластном резисторе. Остались в стороне не стандартные варианты использования стабилитронов. Например, в качестве варикапов для настройки колебательных контуров приемников.
Стабилитрон это простой и дешевый электронный прибор, который имеет массу разных применений. Но за этой простотой скрывается не мало тонкостей, которые нужно учитывать.
Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме