Аналог высоковольтного стабилитрона на транзисторе

Стабилитроны с регулируемым напряжением пробоя, построенные на биполярных или полевых транзисторах

При необходимости стабилизации высоких уровней напряжения, как правило, применяется один из вариантов: либо высоковольтный стабилитрон на необходимое напряжение, либо составной стабилитрон, представляющий собой нескольких последовательно соединённых стабилитронов на более низкие напряжения.
В первом случае номенклатура элементов с высоким напряжением стабилизации весьма ограниченна. При этом нестабильность и шумы высоковольтных (а также последовательно соединённых) стабилитронов растут с увеличением напряжения пробоя, а фильтрация этих шумов требует дорогих и массивных высоковольтных конденсаторов.

Однако существуют построения, позволяющие в значительной степени обойти эти недостатки, используя высоковольтный транзистор для стабилизации напряжения, а само стабилизируемое напряжение сделать регулируемым.

Для начала познакомимся с вольным переводом статьи, изначально размещённой в журнале "Tube CAD Journal, December 1999", а позже перекочевавшей в википедию:

 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Схема высоковольтного стабилизатора с умножением
напряжения низковольтного стабилитрона

Рис.1 Схема стабилизатора на +200V (0…25 мА) с умножением напряжения
низковольтного стабилитрона

По сравнению с высоковольтным стабилитроном, схема (Рис.1) с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона имеет существенно лучшие характеристики.
В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2–R3.
Преимуществами по сравнению с высоковольтным стабилитроном (или цепочкой стабилитронов с более низкими напряжениями) являются: легко настраиваемое напряжение стабилизации, меньший шум, гораздо большая мощность и медленное нарастание выходного напряжения. Последнее свойство жизненно важно для многих ламповых построений.
Поскольку ёмкость конденсатора С1 довольно большая, он медленно заряжается, что, в свою очередь, приводит к медленному нарастанию выходного напряжения.
Конечно, это потребует дополнительной мощности от последовательного резистора R1 и значение этой мощности должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить его безопасное временное замыкание на землю.
Если нет возможности использовать отдельный радиатор для транзистора, то удобнее применять pnp-транзистор (Рис.1 справа), так как в такой конфигурации его коллектор электрически соединён с общим проводом, и его можно прикрутить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок.

Джон Броски, 1999 (Перевод Vpayaem.ru)
 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А теперь давайте остановимся на требованиях к используемым элементам, а также на некоторых характеристиках описанной схемы.

Понятное дело, что транзистор должен быть высоковольтным и его допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно как минимум на 20% превышать напряжение нестабилизированного источника питания, а его паспортная мощность должна быть не ниже значения: U_вых*(U_вх - U_вых)/R1. Т. е. при U_вх = 400 В, U_вых = 200 В и R1 = 3.6 кОм эта мощность должна превышать 11.1 Вт.
Найти высоковольтный транзистор с Н₂₁>100 (как указано на схеме) не так просто, однако этот параметр является важным для достижения приемлемого коэффициента стабилизации, и при невозможности найти такой элемент, имеет смысл включить два транзистора по схеме Дарлингтона.

Мощность, выделяемая на резисторе R1 в начальный момент включения ИП, равна: U_вх²/R1 (44.4 Вт), а в устоявшемся режиме – (U_вх - U_вых)²/R1 (11.1 Вт).

Время нарастания выходного напряжения от нуля до устоявшегося значения зависит от тока, задаваемого резистором R1, и ёмкости конденсатора С1. При U_вх = 400 В, U_вых = 200 В, R1 = 3.6 кОм и С1 = 1000 МкФ оно приблизительно равно 100 мс.
Соответственно, для увеличения либо снижения этого времени (при заданном токе) следует пропорционально увеличить/понизить ёмкость конденсатора.

В качестве примера выбираем транзистор TIP50 с интересующими нас параметрами: U_{max к-э} = 400 В, h_{21э мин} = 30, Р_max = 40 Вт. В этом случае отклонения выходного напряжения от 200В (при изменении входного в диапазоне 270...330 вольт) составили около ±5 вольт. А при использовании составного транзистора, выполненного на двух TIP50, нестабильность выходного напряжения резко уменьшилась до ±0.75 вольт.

Существенно улучшить электрические и массогабаритные характеристики подобного высоковольтного стабилизатора можно достаточно просто – применив в нём полевые высоковольтные MOSFET транзисторы. Однако подробно об этом мы поговорим на следующей странице.

Дальше