Напряжение стабилизации это. Напряжение стабилизации и особенности применения стабилитронов в электронных схемах

Что такое напряжение стабилизации стабилитрона. Как правильно выбрать рабочий ток стабилитрона. Как рассчитать балластное сопротивление для стабилитрона. Какие факторы влияют на стабильность напряжения стабилитрона. Каковы особенности применения стабилитронов в схемах стабилизации напряжения.

Что такое стабилитрон и его основные характеристики

Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в электронных схемах. Его ключевой особенностью является способность поддерживать практически постоянное напряжение на своих выводах при изменении протекающего через него тока в определенном диапазоне.

Основные характеристики стабилитрона включают:

• Напряжение стабилизации (Uст) — номинальное напряжение на стабилитроне в рабочем режиме
• Минимальный ток стабилизации (Iст мин) — минимальный ток, при котором обеспечивается стабилизация напряжения
• Максимальный ток стабилизации (Iст макс) — максимально допустимый ток через стабилитрон
• Мощность рассеяния (P) — максимальная мощность, которую может рассеивать стабилитрон
• Дифференциальное сопротивление (rд) — показатель качества стабилизации напряжения

Принцип работы стабилитрона и его вольт-амперная характеристика

Принцип работы стабилитрона основан на эффекте электрического пробоя p-n перехода в обратном направлении. При достижении определенного обратного напряжения (напряжения пробоя) ток через стабилитрон начинает резко возрастать, в то время как напряжение остается практически неизменным.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона имеет три основные области:

1. Область обратно-смещенного перехода — стабилитрон ведет себя как обычный диод при небольшом обратном напряжении
2. Переходная область — начинается проявление эффектов пробоя
3. Рабочая область — основной участок, где обеспечивается стабилизация напряжения

В рабочей области ВАХ стабилитрона практически вертикальна, что и обеспечивает стабилизацию напряжения при изменении тока.

Как правильно выбрать рабочий ток стабилитрона

Выбор оптимального рабочего тока стабилитрона является ключевым фактором для обеспечения эффективной стабилизации напряжения. При этом необходимо учитывать следующие аспекты:

• Ток должен быть больше минимального тока стабилизации Iст мин
• Ток не должен превышать максимально допустимый ток Iст макс
• Рабочий ток влияет на дифференциальное сопротивление стабилитрона
• При большем токе обеспечивается лучшая стабилизация, но возрастает рассеиваемая мощность

Оптимальный рабочий ток обычно выбирают в диапазоне от 20% до 80% от максимально допустимого тока стабилитрона. Конкретное значение зависит от требований к стабильности напряжения и допустимой рассеиваемой мощности.

Расчет балластного сопротивления для стабилитрона

Балластное сопротивление ограничивает ток через стабилитрон и является важным элементом схемы стабилизации. Для его расчета используется формула:

R = (Uвх — Uст) / (Iст + Iн)

где:

• Uвх — входное напряжение
• Uст — напряжение стабилизации стабилитрона
• Iст — выбранный рабочий ток стабилитрона
• Iн — ток нагрузки

При расчете необходимо учитывать возможные изменения входного напряжения и тока нагрузки, чтобы обеспечить нахождение рабочей точки стабилитрона в допустимых пределах при всех режимах работы.

Факторы, влияющие на стабильность напряжения стабилитрона

На стабильность напряжения стабилитрона оказывают влияние следующие основные факторы:

• Изменение входного напряжения
• Колебания тока нагрузки
• Температура окружающей среды
• Саморазогрев стабилитрона
• Дифференциальное сопротивление стабилитрона

Для оценки качества стабилизации используются параметры:

• Коэффициент стабилизации — показывает, во сколько раз изменение выходного напряжения меньше вызвавшего его изменения входного напряжения
• Выходное сопротивление стабилизатора — характеризует изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки

Особенности применения стабилитронов в схемах стабилизации напряжения

При использовании стабилитронов в схемах стабилизации напряжения следует учитывать ряд важных особенностей:

• Для низковольтных стабилитронов (менее 5В) характерно большее дифференциальное сопротивление, что снижает качество стабилизации
• Высоковольтные стабилитроны обычно требуют большего рабочего тока для эффективной стабилизации
• Температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилитрона может быть как положительным, так и отрицательным
• Стабилитроны с напряжением стабилизации около 5.5В имеют наименьший ТКН
• При работе с большими токами необходимо учитывать саморазогрев стабилитрона

Для улучшения характеристик стабилизации часто применяются дополнительные схемотехнические решения, например, использование стабилизатора тока вместо балластного резистора или применение эмиттерного повторителя на выходе.

Сравнение стабилитронов с современными интегральными стабилизаторами напряжения

Несмотря на широкое распространение интегральных стабилизаторов напряжения, стабилитроны по-прежнему находят применение в электронных схемах. Рассмотрим основные преимущества и недостатки стабилитронов в сравнении с интегральными стабилизаторами:

Преимущества стабилитронов:

• Простота схемы включения
• Возможность работы при высоких напряжениях
• Отсутствие минимального падения напряжения (dropout voltage)
• Высокое быстродействие
• Низкая стоимость

Недостатки стабилитронов:

• Меньшая точность стабилизации по сравнению с интегральными стабилизаторами
• Ограниченный максимальный ток нагрузки
• Необходимость рассеивания значительной мощности на балластном элементе
• Большая чувствительность к температуре

Выбор между стабилитроном и интегральным стабилизатором зависит от конкретных требований к схеме, включая точность стабилизации, диапазон входных и выходных напряжений, ток нагрузки и стоимость.

Стабилитрон — chipenable.ru

   Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.

   На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.

   Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.

   Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:

— включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
— включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.  

   В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.

   Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.
   
   Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.  

   В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост — это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по «загибанию» вольтамперной характеристики. 

   При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.
   
   Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

   Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля — вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.

   Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры — это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.

Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) — это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.

Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.

Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) — величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики. 

Мощность рассеяния стабилитрона P — параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе «absolute maximum ratings».

   Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона. 

   Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток. 

  Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон «забирает» весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону «достается» меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции. 

   Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

где Uin — входное напряжение (В),
Uz — номинальное напряжение стабилизации (В), 
Iz — ток стабилитрона (А),
I — ток нагрузки (А).

   Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.

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

Стабилизация напряжения для частотно-регулируемых приводов — KEB

Стабилизация напряжения В этой статье мы обсудим функцию привода KEB, называемую стабилизацией напряжения. Этот пост является частью серии, посвященной различным функциям привода KEB и тому, как их можно использовать для оптимизации характеристик двигателя. Предыдущие темы сообщений включают:

• Функция ИБП
• Блок управления тормозом
• Летающий старт
• Быстрая остановка
• Торможение постоянным током
• Управление потоком

 

Входное напряжение определяет выходное напряжение ЧРП

Одним из многих преимуществ использования частотно-регулируемого привода (ЧРП) для управления электродвигателем является возможность регулировать выходное напряжение двигателя для достижения оптимальной эффективности.

ЧРП преобразует входное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока на конденсаторах звена постоянного тока. Затем ЧРП использует выход ШИМ для преобразования этой мощности постоянного тока в выходной сигнал переменного тока для двигателя.

Смотреть: как работает широтно-импульсная модуляция в частотно-регулируемом приводе

При работе частотно-регулируемого привода в режиме разомкнутого контура выходное напряжение и частота основаны на заданной кривой Вольт/Гц в частотно-регулируемом приводе. Доступное выходное напряжение переменного тока частотно-регулируемого привода зависит от уровня напряжения на шине постоянного тока. А уровень шины постоянного тока зависит от входа переменного тока в ЧРП.

Базовая работа частотно-регулируемого привода В/Гц устанавливает линейную зависимость В/Гц вплоть до номинальных значений двигателя.

 

Таким образом, любое колебание входного напряжения переменного тока может также вызвать колебание выходного напряжения двигателя. Нормальное отклонение напряжения от номинального входного обычно не оказывает заметного влияния на работу двигателя. Однако резкие перепады напряжения на двигателе (пониженное или повышенное напряжение) могут привести к перегреву двигателя и преждевременному выходу его из строя.

 

В случаях, когда могут возникать большие колебания входного напряжения (слабая сеть, мощность генератора), наличие возможности стабилизировать выходное напряжение двигателя независимо от входных колебаний сети переменного тока, позволяет системе работать более эффективно и увеличивать срок службы обмоток двигателя.

 

Что такое стабилизация напряжения?

И когда его использовать?

ЧРП KEB включают в настройки параметров функцию, называемую стабилизацией напряжения, которая позволяет ЧРП стабилизировать выходное напряжение двигателя в зависимости от требований двигателя.

 

Примером использования стабилизации напряжения является ситуация, когда номинальное напряжение двигателя ниже входного напряжения привода. KEB VFD рассчитан на диапазон входного напряжения 480±10%. Таким образом, входное напряжение может достигать 528 В переменного тока. Входное напряжение близко к верхнему пределу диапазона напряжения может возникнуть в системе напряжения со слабой сетью. Возможно, уровень напряжения ближе к номинальному при нагрузке на сеть, но напряжение может увеличиваться при снижении общей нагрузки на сеть. Типичным сценарием является ситуация, когда высокие колебания напряжения происходят в вечернее время, когда большинство механизмов выключено.

 

В этом случае, если номинальное напряжение двигателя составляет 460 В переменного тока (60 Гц) и нет стабилизации выходного напряжения, при увеличении входного напряжения это может эффективно увеличить наклон кривой Вольт/Гц, что приведет к увеличению выходного напряжения к двигателю при заданной выходной частоте. Неоптимальное более высокое напряжение приведет к более высокому току двигателя, что приведет к повышенному нагреву двигателя. Повышенный ток и нагрев могут отрицательно сказаться на сроке службы обмоток двигателя и его характеристиках.

 

Функция стабилизации напряжения KEB позволяет пользователю определить, каким будет выходное напряжение двигателя при номинальной выходной частоте. Затем функция стабилизации напряжения удерживает выходное напряжение двигателя на заданной кривой Вольт/Гц независимо от каких-либо колебаний входного напряжения и, следовательно, колебаний шины постоянного тока в приводе. В случае, когда входное напряжение превышает номинальное напряжение двигателя, функция стабилизации напряжения ЧРП KEB ограничивает выходное напряжение двигателя кривой Вольт/Гц на основе значений, введенных в ЧРП KEB.

Рис. 72 – Стабилизация напряжения

 

Включение стабилизации напряжения обеспечивает оптимальную кривую В/Гц даже в ситуациях с высоким входным напряжением привода.

 

В приведенном выше примере ( Рисунок 72 ) выходное напряжение двигателя установлено на 460 В переменного тока при частоте 60 Гц. Если бы не активирована стабилизация напряжения, мощность двигателя увеличилась бы на отношение входного напряжения к номинальному напряжению двигателя. В этом случае оно будет увеличено на соотношение 528 В переменного тока/460 В переменного тока = 1,15. Таким образом, если двигатель работал с частотой 30 Гц, выходное напряжение должно быть 230 В переменного тока. Без стабилизации напряжения выходное напряжение двигателя было бы 230 В переменного тока * 1,15 = 264,5 В переменного тока.

 

Та же ситуация возникает при работе двигателя с более низким напряжением, чем обычно в США. Например, европейский двигатель, рассчитанный на 400 В переменного тока/50 Гц или 380 В переменного тока/60 Гц. В этом случае функция стабилизации напряжения позволяет пользователю ограничить выходное напряжение на заданной частоте, чтобы оно соответствовало кривой Вольт/Гц двигателя, которым управляет ЧРП.

 

Результаты работы

Когда активируется стабилизация напряжения ЧРП KEB, кривая Вольт/Гц для двигателя определяется в программном обеспечении ЧРП. Если входное напряжение падает ниже номинального напряжения двигателя, ЧРП будет по-прежнему следовать правильной кривой Вольт/Гц, пока не будет достигнут предел выходного напряжения. Когда требуемое выходное напряжение двигателя равно входному напряжению, выходное напряжение двигателя останется на этом уровне. Если стабилизация напряжения не активирована, снижение входного сетевого напряжения приведет к уменьшению наклона кривой Вольт/Гц, что приведет к более низкому, чем требуется, напряжению на клеммах двигателя. Более низкое напряжение может привести к увеличению тока и нагреву двигателя, а также к снижению его производительности.

Рисунок 73 – Разгон с нагрузкой

 

В этом случае ( Рисунок 73 ) использование стабилизации напряжения приводит к более низкому использованию тока оптимальное выходное напряжение, особенно при ремонтных нагрузках (см. рис. 74 ).

 

Повышение производительности вала двигателя

Используя функцию стабилизации напряжения ЧРП KEB, можно настроить приложения для работы с максимально возможной эффективностью. Повышение производительности и срока службы двигателя позволяет машиностроителям и конечным пользователям получать максимальную отдачу от своих инвестиций.

 

Более совершенные машины с более совершенными приводами

Свяжитесь с инженером KEB America, чтобы обсудить вашу сложную проблему. Давайте обсудим, как расширенные функции приводов KEB могут помочь вам решить вашу задачу.

 

 

SUPREME SPS-5KVA, АВТОМАТИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ОДНОФАЗНЫЙ С ГАРАНТИЕЙ 2 ГОДА

Распродажа!

Стабилизатор напряжения однофазный, Стабилизаторы напряжения

КШ 54 500,00 КШ49 550,00

Основные технологические характеристики
● Диапазон входного напряжения: +20 %
● Диапазон регулировки выходного напряжения: -5 %
● Точность стабилизации напряжения: ± 2,5 %
● КПД: >95 %
● Абсолютное значение коэффициента мощности нагрузки: >0,7
● Время деформации: 0,2~0,5 с
● Раздельная регулировка фаз, автоматический баланс трех фаз
● Может выдерживать мгновенную перегрузку в 1,5-2 раза
● Бесконтактный, бесшумный, отсутствие абразивного износа машин и угольной щетки
● С функцией защиты от перенапряжения, пониженного напряжения и обрыва фазы, диагностики неисправностей
, отображения сигналов, а также сигнализации.