Параметрический стабилизатор на стабилитроне — когда он ещё уместен

Параметрический стабилизатор — это резистор R1 последовательно и стабилитрон параллельно нагрузке в обратном включении. Балластный резистор считают по формуле R1 = (Uвх − Uст) / (Iст + Iн), где Iст — ток стабилитрона, Iн — ток нагрузки. Например, при 12 В на входе, 5,1 В на выходе и нагрузке 10 мА при токе стабилитрона 5 мА получается 460 Ом, ближайший номинал E24 — 470 Ом.

Схема годится для опорных напряжений и маломощных цепей, но не для больших токов: КПД низкий, а выходное напряжение зависит от тока.

Ниже — как работает схема, как выбрать стабилитрон по даташиту, два примера расчёта, проверка худшего случая и границы применимости.

Зачем он нужен

Работает схема потому, что на пробое у стабилитрона напряжение почти не зависит от тока. Подключили к нестабильным 12 В и получили на стабилитроне, скажем, 5,1 В — этим питаете маломощную схему.

Стоит он копейки, не требует настройки и почти не греется при малых токах. Но КПД низкий, а выходное напряжение «плавает» с нагрузкой. Поэтому его место — опорное напряжение, питание единиц миллиампер в датчиках и защитная «подпорка» на входе измерительного канала.

Как выбрать стабилитрон

Выбор определяют четыре параметра.

• 
  Напряжение стабилизации Uст— равно нужному выходному. Стабилитроны выпускают рядами по стандартным значениям (3,3; 5,1; 6,8; 9,1 В и т. д.), см. статью о рядах номиналов.
• 
  Допустимая мощность рассеяния— из даташита серии; берите с запасом.
• 
  Ток стабилизации— тестовый ток IZT из даташита; ниже него стабилитрон стабилизирует хуже.
• 
  Динамическое сопротивление Zz— чем оно меньше, тем стабильнее напряжение при изменении тока.

Числа разных серий отличаются, поэтому сверяйте их с даташитом своей детали.

Что говорят даташиты

Для примера возьмём две распространённые серии: BZX55 (Vishay, DO-35) и 1N47xx (Vishay, DO-41).

Параметр	BZX55C5V1	1N4733A
Номинальное Uст	5,1 В (4,8…5,4 В при 5 мА)	5,1 В при 49 мА
Тестовый ток IZT	5 мА	49 мА
Мощность Ptot	500 мВт	1300 мВт
Динамическое сопротивление Zz	≤ 35 Ом при 5 мА	7 Ом при 49 мА (по таблице даташита)
Zz при малом токе	≤ 550 Ом при 1 мА	≤ 550 Ом при 1 мА
ТКН	−0,02…+0,02 %/K	—
Температура перехода Tj	до 175 °C	до 175 °C
RθJA	300 K/Вт	110 K/Вт

Максимальный ток стабилитрона оценивают как Iz = Ptot / Uст. Для BZX55C5V1 это 500 / 5,1 ≈ 98 мА, для 1N4733A — 1300 / 5,1 ≈ 255 мА (с условием, что выводы поддерживают температуру окружающей среды).

Из таблицы видно главное: на токе 1 мА динамическое сопротивление BZX55C5V1 вырастает до 550 Ом, поэтому стабилитрон лучше держать на токе не ниже тестового.

Расчёт балластного резистора

Ток через резистор R1 делится между нагрузкой и стабилитроном:

R1 = (Uвх − Uст) / (Iст + Iн)

Где Iст — выбранный ток через стабилитрон (не ниже тестового из даташита), Iн — ток нагрузки.

Пример 1. Входное напряжение 12 В, нужно 5,1 В (BZX55C5V1), нагрузка 10 мА.

Берём ток стабилитрона 5 мА, то есть IZT из даташита. Тогда R1 = (12 − 5,1) / (0,005 + 0,010) = 460 Ом. Ближайший по ряду E24 — 470 Ом.

Мощность на резисторе: P = (Iст + Iн)² × R1 ≈ (0,015)² × 470 ≈ 0,1 Вт — хватит 0,25 Вт.

Пример 2. Входное напряжение 24 В, нагрузка 10 мА, тот же стабилитрон.

R1 = (24 − 5,1) / 0,015 = 1260 Ом, берём 1,2 кОм (E24). Ток резистора: (24 − 5,1) / 1200 ≈ 15,75 мА.

Мощность на нём 0,01575² × 1200 ≈ 0,3 Вт, поэтому нужен резистор на 0,5 Вт.

Чем больше входное напряжение, тем больше нагревается резистор: это главная причина, по которой схема неэкономична.

Худший случай — нагрузка отключена

Если нагрузка пропала, весь ток уходит в стабилитрон. В примере 1 это (12 − 5,1) / 470 ≈ 14,7 мА, мощность на стабилитроне 5,1 × 0,0147 ≈ 75 мВт.

Для BZX55 (500 мВт) этого достаточно, запас большой. В примере 2: 15,75 мА · 5,1 В ≈ 80 мВт, тоже в норме.

Проверяйте это всегда: если мощность на стабилитроне при отключённой нагрузке выше допустимой, он сгорит. Расчёт удобно делать нашим калькулятором стабилитрона.

Как «плавает» выходное напряжение

Изменение выходного напряжения при изменении тока оценивают по динамическому сопротивлению: ΔU = ΔI · Zz.

Пример (оценка по максимальному Zz): если ток стабилитрона меняется на 5 мА, то для BZX55C5V1 ΔU ≈ 0,005 · 35 ≈ 0,18 В.

Температурный дрейф при ТКН в пределах ±0,02 %/K и изменении температуры на 40 K составит до 0,8 % от 5,1 В, то есть около 0,04 В.

Допуск Uст вносит свой вклад: у BZX55C5V1 по даташиту напряжение лежит в пределах 4,8…5,4 В.

Где он ещё уместен

Схема подходит для четырёх задач.

• 
  Опорное напряжение.Для компаратора или АЦП при токах единицы миллиампер.
• 
  Питание маломощного узла.От высокого напряжения, где важна простота.
• 
  Защита входа.Ограничитель напряжения на входе микроконтроллера в защитном включении.
• 
  Индикация.Контроль напряжения питания в простых схемах.

Во всех случаях ток нагрузки остаётся небольшим.

Стабилизатор на транзисторе и стабилитроне

Если нужно усилить ток, схему дополняют транзистором (эмиттерный повторитель): стабилитрон задаёт опорное напряжение на базе, а транзистор отдаёт ток нагрузки.

Выходное напряжение при этом ниже опорного на падение база–эмиттер: Uвых = Uст − Uбэ ≈ 5,1 − 0,6 = 4,5 В (падение Uбэ порядка 0,6 В).

Пример (условный). Вход 12 В, Uст = 5,1 В, ток нагрузки 100 мА, h21э транзистора 100.

Ток базы Iб = 100 / 100 = 1 мА. Пусть ток стабилитрона 5 мА: R1 = (12 − 5,1) / (0,005 + 0,001) = 1150 Ом, берём 1,1 кОм (E24).

Мощность на транзисторе: (12 − 4,5) · 0,1 = 0,75 Вт. Для такого тепла нужен транзистор с подходящим корпусом, возможно, с небольшим радиатором.

Где он не подходит

Схема не подходит в трёх случаях.

• 
  Большой ток нагрузки.Чем больше ток, тем больше греется резистор, а КПД стремится к нулю: сколько отдали, столько сожгли.
• 
  Меняющаяся нагрузка.Выходное напряжение зависит от тока через динамическое сопротивление.
• 
  Точное питание цифровой схемы.Для этого есть линейный стабилизатор: КР142ЕН5А, LM317 или DC-DC модуль.

Выбирать между ними помогает статья «Какой блок питания собрать».

Типовые ошибки

Что в итоге

Стабилитрон с резистором — недорогой опорный источник для маломощных узлов. Для питания устройств с ощутимым током берите интегральный стабилизатор.

Балластный резистор считайте по формуле и обязательно проверяйте худший случай.

Частые вопросы

Как рассчитать резистор для стабилитрона?

R1 = (Uвх − Uст) / (Iст + Iн). Для Uвх = 12 В, Uст = 5,1 В, Iст = 5 мА и Iн = 10 мА получится 460 Ом, берите 470 Ом из ряда E24.

Проверьте мощность на резисторе: (0,015)² · 470 ≈ 0,1 Вт — хватит 0,25 Вт.

Какой ток стабилитрона выбрать?

Не ниже тестового тока из даташита: для BZX55C5V1 это 5 мА. На 1 мА динамическое сопротивление растёт до 550 Ом.

Верхний предел — мощность. Для 500 мВт при 5,1 В это около 98 мА, но брать нужно с запасом.

Что будет, если отключить нагрузку?

Весь ток резистора уйдёт в стабилитрон. В примере 12 В → 5,1 В с R1 = 470 Ом это около 14,7 мА и 75 мВт.

Для BZX55 (500 мВт) это безопасно, но проверять надо всегда.

Чем отличаются BZX55 и 1N4733A?

Для одного и того же напряжения 5,1 В: у BZX55C5V1 мощность 500 мВт и тестовый ток 5 мА, у 1N4733A — 1300 мВт и 49 мА.

Для маломощных схем хватит BZX55. В российских магазинах радиодеталей продаются обе серии, выбирайте по даташиту.

Можно ли питать цифровую схему от стабилитрона?

Только при очень малом и постоянном токе. При изменении тока на 5 мА напряжение сдвинется на 0,18 В по оценке выше.

Для цифровой схемы возьмите линейный стабилизатор или DC-DC модуль.

Калькуляторы для питания

• Стабилитрон: параметрический стабилизаторБалластный резистор по худшему случаю, мощность резистора и стабилитрона
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные
• LM317 / LM338Выходное напряжение по резисторам, подбор R2, режим источника тока