7. Диод как источник опорного напряжения

  Источник опорного напряжения ─ устройство, поддерживающее на выходе высокостабильное напряжение, слабо зависящее от входного напряжения, а также, величины нагрузки (в допустимых пределах). Одним из таких элементов является стабилитрон. Существует множество стабилитронов с разными величинами напряжений стабилизации, однако, самая маленькая величина напряжения стабилизации стабилитрона  ≈ 2 Вольт. А что если нам нужно меньше?. В этом случае применяют микросхемы источников опорного напряжения, которые по параметрам ничем не хуже стабилитронов, а, как правило, еще и лучше. Например, микросхема TLV431, имеющая минимальное напряжение стабилизации 1,24 Вольт. Но если высокая стабильность не особо важна, можно применить обычный диод. В этой статье была проиллюстрирована вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода, из которой видно, что в прямом смещении, величина падения прямого напряжения относительно мало зависит от протекаемого тока, что говорит о малой величине дифференциального сопротивления. Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем стабильнее напряжение будет на выходе. Проведем эксперимент, подключим  источник нестабильного напряжения через резистор к диоду, дабы ограничить ток протекающий через него. В качестве нестабильного источника можно применить последовательное включение источника постоянного напряжения (возьмем 2 В) и источника синусоидального напряжения (возьмем амплитудное значение ≈ 1 Вольт, частота 50 Герц). Получится такая схема:

Резистор R1 выбран таким образом, чтобы постоянный ток через диод был ≈  1 миллиампер. То есть, в нашем случае R1=(2-Uотп)/10*10^-3≈1,1 (кОм), где Uотп-напряжение отпирания диода. Источник V1 показывает напряжение 0,707 Вольт. Это действующее напряжение. При такой величине действующего напряжения, амплитудное будет равняться ≈ 1 Вольт. Если к нагрузке подключить переменное напряжение величиной амплитудного напряжения 1 Вольт, то за один период сигнала, на нагрузке выделится такое количество энергии, сколько энергии выделилось бы, если бы мы подключили вместо переменного ─ постоянный источник напряжения величиной 0,707 Вольт. Для начала подключим осциллограф к данной схеме непосредственно к источнику напряжения, чтобы рассмотреть форму  сигнала:

На осциллограмме видно, что на выходе имеется постоянное напряжение 2 Вольт с переменным напряжением, размах  которого от пика до пика равен ≈ 2 Вольт (VA2-VA1 на панели осциллографа). Подключим второй вывод осциллографа к выходу схемы:

Постоянное напряжение на выходе составило ≈ 612 милливольт. Это и будет величина опорного напряжения. Пульсации от пика до пика ≈ 71 милливольт (VB2-VB1 на панели осциллографа). Теперь посчитаем, во сколько раз уменьшились пульсации на выходе относительно входа:

2/71*10^-3≈28,

то есть, аж в 28 раз! Если бы мы увеличили ток через диод, его дифференциальное сопротивление уменьшилось, что привело бы к еще меньшему уровню пульсации на выходе. Величина этого сопротивления рассчитывалась в этой статье. Для того, чтобы нагрузка особо не повлияла на параметры опорного напряжения, ее величина должна быть такой, чтобы ток, протекающий через нее, был хотя-бы в 10 раз меньше тока, протекающего через источник опорного напряжения. В нашем случае, ток через нагрузку не должен превышать 0,1 миллиампер.  Напряжение на выходе у нас ≈ 612 милливольт, отсюда, по закону Ома, рассчитаем нагрузку (Rn):

Rn= 612/0,1=6,12 (кОм)

Подключим данную нагрузку, и посмотрим осциллограмму:

Пульсация на выходе ненамного изменилась, ее величина стала теперь ≈ 76 милливольт. А теперь, подключим нагрузку, сопротивление которой в 10 раз меньше:

Величина пульсаций на выходе стала ≈ 260 милливольт. То есть, наш источник опорного напряжения уже хуже справляется с задачей поддержания стабильного напряжения на выходе.

  Итак, мы убедились, что из диода можно сделать простейший источник опорного напряжения. Если величину опорного напряжения требуется увеличить, можно подключить еще один диод последовательно. При этом, напряжение стабилизации увеличится вдвое, но и пульсации также увеличатся вдвое, поскольку дифференциальное сопротивление, как и обычное, складывается при последовательном соединении. Уменьшить его, как Вы уже поняли, можно, увеличив ток через диоды.