Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне: принцип работы и расчет

В этой схеме транзистор VT работает в режиме эмиттерного повторителя, что позволяет увеличить выходной ток стабилизатора без существенного ухудшения стабильности выходного напряжения.

Заключение

Параметрические стабилизаторы напряжения на стабилитронах, несмотря на свою простоту, остаются востребованными в современной электронике. Их основные преимущества — простота, надежность и низкая стоимость — делают их незаменимыми в ряде применений, особенно в качестве источников опорного напряжения и в маломощных устройствах.

При проектировании электронных устройств важно правильно оценить требования к стабильности напряжения питания и выбрать оптимальный тип стабилизатора. Параметрические стабилизаторы могут быть отличным выбором для многих применений, где не требуется высокая выходная мощность и предельно высокая стабильность напряжения.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т.е. за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения).

Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы.

Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах (с нагрузками до нескольких десятков миллиампер). Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения (например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения).

Параметрические стабилизаторы напряжения бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема приведена ниже):

1. Iст — ток через стабилитрон
2. Iн — ток нагрузки
3. Uвых=Uст — выходное стабилизированное напряжение
4. Uвх — входное нестабилизированное напряжение
5. R₀ — балластный (ограничительный, гасящий) резистор

Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольт-амперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется (на самом деле конечно изменяется от Uст min до Uст max, но можно считать, что Uст min = Uст max = Uст).

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Уравнения, описывающие работу данной схемы:

Uвх=Uст+IR₀, учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R₀ (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на нагрузке всегда было в пределах от Uст min до Uст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Зная это, найдём

R₀=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min) (2)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно, то первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю, тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:

   (3)

Из этой формулы сразу виден один из недостатков такого параметрического стабилизатора — мы не можем сильно менять ток нагрузки, поскольку это сужает диапазон входного напряжения схемы, более того, можно увидеть, что диапазон изменения тока нагрузки не может быть больше, чем диапазон изменения тока стабилизации стабилитрона (поскольку в этом случае правая часть уравнения вообще становится отрицательной)

Если ток нагрузки постоянен или изменяется незначительно, тогда формула для определения области нормальной работы становится совсем элементарной:

   (4)

Далее, давайте рассчитаем КПД нашего параметрического стабилизатора. Он будет определяться отношением мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности: КПД=Uст*Iн/Uвх*I. Если учесть, что I=Iн+Iст, то получим:

   (5)

Из последней формулы видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, а также чем больше ток через стабилитрон — тем хуже КПД.

Чтобы понять, что значит «хуже» и насколько вообще плохо обстоит дело с КПД у этого стабилизатора — давайте, используя формулы выше, попробуем прикинуть, что будет, если понижать напругу скажем с 6-10 Вольт до 5-ти. Возьмём самый обычный стабилитрон, скажем КС147А. Ток стабилизации у него может меняться в пределах от 3-х до 53-х мА. Чтобы при таких параметрах стабилитрона получить область нормальной работы шириной в 4 Вольта — нам нужно взять балластный резистор на 80 Ом (воспользуемся формулой 4, как будто ток нагрузки у нас постоянный, поскольку если это не так, то всё будет ещё хуже). Теперь из формулы 2 можно посчитать на какой именно ток нагрузки мы можем в этом случае рассчитывать. Получается всего 19,5 мА, а КПД в этом случае будет, в зависимости от входного напряжения, в пределах от 14% до 61%.

Если для этого же случая посчитать на какой максимальный выходной ток мы можем рассчитывать при условии, что выходной ток не постоянный, а может меняться от нуля до Imax, то решив совместно системы уравнений (2) и (3), получим R₀=110 Ом, Imax=13,5 мА. Как видите, максимальный выходной ток получился почти в 4 раза меньше максимального тока стабилитрона.

Более того, выходное напряжение, полученное на таком стабилизаторе, будет обладать значительной нестабильностью в зависимости от выходного тока (у КС147А на рабочем участке ВАХ напряжение меняется от 4,23 до 5,16В), что может оказаться неприемлемым. Единственный путь борьбы с нестабильностью в данном случае — взять более узкий рабочий участок ВАХ — такой, на котором напряжение меняется не от 4,23 до 5,16В, а скажем от 4,5 до 4,9В, но в этом случае и рабочий ток стабилитрона будет уже не 3..53мА, а скажем 17..40мА. Соответственно, и без того небольшая область нормальной работы стабилизатора станет ещё меньше.

Итак, единственный плюс такого стабилизатора — это его простота, тем не менее, как я уже говорил, такие стабилизаторы вполне себе существуют и даже находят активное применение в качестве источников опорного напряжения для более сложных схем.

Простейшая схема, позволяющая получить существенно больший выходной ток (или существенно более широкую область нормальной работы, или и то и другое) — параметрический стабилизатор на транзисторе.

Как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне

Для многих электрических схем и цепей достаточно простого блока питания, который не имеет стабилизированной выдачи напряжения. Такие источники чаще всего включают в себя низковольтный трансформатор, диодный выпрямительный мост, и конденсатор, выступающий в виде фильтра.

Напряжение на выходе блока питания имеет зависимость от числа витков вторичной катушки трансформатора. Обычно напряжение бытовой сети имеет посредственную стабильность, и сеть не выдает нужные 220 вольт. Величина напряжения может плавать в интервале от 200 до 235 В. Значит, и напряжение на выходе трансформатора также не будет стабильным, а вместо стандартных 12 В получиться от 10 до 14 вольт.

Работа схемы стабилизатора

Электрические устройства, которые не чувствительны небольшим перепадам напряжения питания могут обойтись обычным блоком питания. А более капризные приборы уже не смогут работать без стабильного питания, и могут попросту сгореть. Поэтому есть необходимость во вспомогательной схеме выравнивания напряжения на выходе.

Рассмотрим схему работы простого стабилизатора, выравнивающего постоянное напряжение, на транзисторе и стабилитроне, который играет роль основного элемента, определяет, выравнивает напряжение на выходе блока питания.

Перейдем к конкретному рассмотрению электрической схемы обычного стабилизатора для выравнивания постоянного напряжения.

• Имеется трансформатор для понижения напряжения с переменным напряжением на выходе 12 В.
• Такое напряжение поступает на вход схемы, а конкретнее, на диодный выпрямительный мост, а также фильтр, выполненный на конденсаторе.
• Выпрямитель, выполненный на основе диодного моста, преобразует переменный ток в постоянный, однако получается скачкообразная величина напряжения.
• Полупроводниковые диоды должны работать на наибольшей силе тока с резервом 25%. Такой ток может создавать блок питания.
• Обратное напряжение не должно снижаться меньше, чем выходное напряжение.
• Конденсатор, играющий роль своеобразного фильтра, выравнивает эти перепады питания, преобразуя форму напряжения в практически идеальную форму графика. Емкость конденсатора должна находиться в пределах 1-10 тысяч мкФ. Напряжение должно быть тоже выше входной величины.

Нельзя забывать о следующем эффекте, что после электролитического конденсатора (фильтра) и диодного выпрямительного моста переменное напряжение повышается на величину около 18%. А значит, что в результате получается не 12 В на выходе, а около 14,5 В.

Действие стабилитрона

Следующим этапом работы является работа стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения в конструкции стабилизатора. Он является главным функциональным звеном. Нельзя забывать, что стабилитроны могут в определенных пределах выдерживать стабильность на некотором постоянном напряжении при обратном подключении. Если подать напряжение на стабилитрон от нуля до стабильного значения, то оно будет повышаться.

Когда оно дойдет до стабильного уровня, то останется постоянным, с небольшим возрастанием. При этом будет увеличиваться сила тока, проходящего по нему.

В рассматриваемой схеме обычного стабилизатора, у которого выходное напряжение должно быть 12 В, стабилитрон определен для величины напряжения 12,6 В, так как 0,6 В будет являться потерей напряжения на переходе транзистора эмиттер – база. Выходное напряжение на приборе будет именно 12 В. А так как мы устанавливаем стабилитрон на величину 13 В, на выходе блока получится примерно 12,4 вольта.

Стабилитрон требует ограничения тока, предохраняющего его от излишнего нагревания. Судя по схеме, эту функцию осуществляет сопротивление R1. Оно включено по последовательной схеме со стабилитроном VD2. Другой конденсатор, выполняющий функцию фильтра, подключен параллельно стабилитрону. Он должен выравнивать возникающие импульсы напряжения. Хотя можно вполне обойтись и без него.

На схеме изображен транзистор VТ1, подключенный с общим коллектором. Такие схемы характеризуются значительным усилением тока, однако при этом по напряжению усиления нет. Отсюда следует, что на выходе транзистора образуется постоянное напряжение, имеющееся на входе. Так как эмиттерный переход забирает на себя 0,6 В, то на выходе транзистора получается всего 12,4 В.

Для того, чтобы транзистор стал открываться, необходим резистор для образования смещения. Такую функцию выполняет сопротивление R1. Если изменять его величину, то можно изменять выходной ток транзистора, а, следовательно, и выходной ток стабилизатора. В качестве эксперимента можно вместо резистора R1 подключить переменный резистор на 47 кОм. Регулируя его можно изменять выходную силу тока блока питания.

В конце схемы стабилизатора напряжения подключен еще один маленький конденсатор электролитического типа С3, который выравнивает импульсы напряжения на выходе стабилизированного устройства. К нему припаян по параллельной схеме резистор R2, который замыкает эмиттер VТ1 на отрицательный полюс схемы.

Заключение

Эта схема наиболее простая, включает в себя наименьшее количество элементов, создает стабильное напряжение на выходе. Для работы множества электрических устройств этого стабилизатора вполне достаточно. Такой транзистор и стабилитрон рассчитаны на наибольшую силу тока 8 А. Значит, что для подобного тока необходим охлаждающий радиатор, отводящий тепло от полупроводников.

Для разработки таких стабилизаторов чаще всего применяются стабилитроны, транзисторы и стабисторы. Они имеют пониженный КПД, поэтому используются только в маломощных схемах. Чаще всего они применяются в качестве источников основного напряжения в схемах компенсации стабилизаторов напряжения. Такие параметрические стабилизаторы бывают мостовыми, многокаскадными и однокаскадными. Это наиболее простые схемы стабилизаторов, построенных на основе стабилитрона и других полупроводниковых элементов.

Параметрический стабилизатор напряжения Электроника, Микроэлектроника , Элементная…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про параметрический стабилизатор напряжения, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое параметрический стабилизатор напряжения , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

параметрический стабилизатор напряжения

Во многих радиоэлектронных устройствах, где используются источники вторичного электропитания, обязательно предъявляются требования поддержания напряжения или тока на определенном неизменном уровне, независимо от возможных изменений входного напряжения и выходного тока. Для обеспечения этой задачи используют стабилизаторы напряжения или тока. В данном учебно-методическом пособии рассматриваем параметрический стабилизатор напряжения на полупроводниковом стабилитроне. Параметрические стабилизаторы имеют простую конструкцию и высокую надежность , но имеют низкий КПД.
Схема параметрического стабилизатора напряжений рис. 4 состоит из балластного резистора Rбал (для ограничения тока через стабилитрон ), и стабилитрона, подключенного параллельно нагрузке, выполняющий основную функцию стабилизации.

Рис. 4 Схема параметрического стабилизатора напряжения
Основные соотношения токов и напряжений в стабилизаторе определяются первым и вторым законами Кирхгофа:

Принцип действия параметрического стабилизатора

Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснять с помощью рис . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 5, на котором изображены вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитрона и «опрокинутая» ВАХ балластного резистора. Работа стабилизатора напряжения происходит следующим образом. При изменении на напряжения на входе стабилизатора U, происходит соответствующее изменение тока I, а, следовательно изменятся токи стабилитрона и нагрузки. Однако при изменении тока стабилитрона напряжение на нем изменится на очень маленькую величину в соответствии с ВАХ стабилитрона (рис.5), т.е. почти не изменится. Согласно второму закону Кирхгофа, при изменении входного напряжения, падение напряжения на балластном сопротивлении изменится пропорционально току, оказывается равным приращению входного напряжения. Другими словами, все приращение входного напряжения падает на балластном сопротивлении, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти не изменится. Запишем математически выше сказанное:

U ± ∆U = (Iст + Iн ±∆Iст)•Rбал + Uн

Принимая, U = const и Rн = const, получаем Iн = const, при этом условие сохранения рабочей точки стабилитрона на участке АВ вольтамперной характеристики (рис.5) определяется по формуле:
±∆U = ±∆IстRбал

Рис. 5. Пояснение принципа действия стабилизатора напряжения

Из этого следует, что нормальная работа быть обеспечена соответствующим выбором величины балластного сопротивления. Тогда, при изменении напряжении на входе стабилизатора, не нарушается нормальные пределы стабилизации выходного напряжения Uн.
При стабилизации напряжения принимая, Iн = var и Rн = var и U = const, на входе стабилизатора происходит перераспределение токов между нагрузкой и стабилитроном с сохранением неизменным напряжения на стабилитроне и падения напряжения на балластном сопротивлении в соответствии с уравнением:

U = I•Rбал + Uн = ((Iн ± ∆Iн) + (Iст ± ∆Iст))•Rбал + Uн

Для нормальной работы стабилизатора, при изменяющейся нагрузки, изменение тока не должно приводить к выходу тока стабилитрона за пределы максимального и минимального допустимых его значений.
При условии U = const и Rн = const, расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать стабилитрон и выбрать величину Rбал, тогда из системы уравнений (1) получаем формулу для расчета Rбал:

Сопротивление резистора должно быть таким, чтобы ток стабилитрона был бы не менее Iст min, т.е. не выходил за пределы рабочего участка АВ (рис.5) ВАХ стабилитрона. 
Балластное сопротивление определяет основные потери стабилизатора, поэтому параметрические стабилизаторы используют только в маломощных схемах.
Стабилитрон выбирается по параметрам из справочника:
1. Iст max – максимально допустимый ток стабилитрона; 
2. Uст – напряжение стабилизации;
3. Iст min — минимальный ток стабилитрона.

Основные параметры стабилизатора:

1. Коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и выходного напряжений. Коэффициент стабилизации характеризует качество работы стабилизатора.

2. Выходное сопротивление стабилизатора
Rвых = Rдиф
Для нахождения Кст и Rвых рассматривается схема замещения стабилизатора для приращений рис.6. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току Rдиф является параметром стабилизатора.

Рис. 6 Схема замещения параметрического стабилизатора напряжения
Дифференциальное сопротивление Rдиф определяется из уравнения:

Для схемы замещения получаем коэффициент стабилизации с учетом, что Rн >> Rдиф и Rбал >> Rдиф,:

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения Кст = 5 ÷ 30
Для получения повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов.
Параллельное включение стабилитронов не допускается. С целью увеличения коэффициента стабилизации возможно каскадное включение нескольких параметрических стабилизаторов напряжения

А как ты думаешь, при улучшении параметрический стабилизатор напряжения, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое параметрический стабилизатор напряжения и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения | HomeElectronics

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_обр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_пр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U_П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Параллельный параметрический и последовательный стабилизаторы напряжения

Параллельный параметрический стабилизатор, последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе. Практические расчеты.

Доброго дня уважаемые Радиолюбители!
Сегодня на сайте “Радиолюбитель“, в разделе “Практикум начинающего радиолюбителя“, мы продолжим рассмотрение статьи “Источники питания радиолюбительских устройств“. Напомню, что в прошлый раз, изучая схему источника питания радиолюбительских устройств, мы остановились на назначении и расчете сглаживающего фильтра:

Сегодня мы рассмотрим последний элемент – стабилизатор напряжения.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки

Полупроводниковый стабилитрон —  (другое название – диод Зенера)  предназначен для стабилизации постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора он выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах ему отводится только роль источника опорного напряжения.

Один из внешних видов и обозначение стабилитрона:

Напряжение на стабилитрон (в отличие от диода) подают в обратной полярности (анод соединяют с минусом а катод с плюсом источника питания – Uобр). При таком включении через стабилитрон течет обратный ток – Iобр.
При увеличении напряжения обратный ток растет очень медленно (на схеме, почти параллельно оси Uобр), но при некотором напряжении Uобр переход стабилитрона пробивается (но разрушение стабилитрона в этот момент не происходит) и через него начинает идти обратный ток значительно большего значения. В этот момент вольтамперная характеристика стабилитрона (ВАХ) резко идет вниз (почти параллельно оси Iобр) – наступает режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации минимальное (Uст min) и ток стабилизации минимальный (Iст min).
При дальнейшем увеличении Uобр ВАХ стабилитрона опять меняет свое направление – заканчивается режим стабилизации, основные параметры которого – напряжение стабилизации максимальное (Uст max)  и ток стабилизации максимальный (Iст max). С этого момента стабилитрон теряет свои свойства, начинает разогреваться, что может привести к тепловому пробою перехода стабилитрона и соответственно к его выходу из строя.

Режим стабилизации стабилитрона может быть в широких пределах, поэтому в документации на стабилитроны указывают допустимые минимальные и максимальные значения токов (Iст min и Iст max) и напряжений стабилизации (Uст min и Uст max). Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения – Iст и Uст. Номинальный ток стабилизации обычно устанавливается производителями на уровне 25%-35% от максимального, а номинальное значение напряжения стабилизации как среднее от максимального и минимального.

Для примера можно воспользоваться программой  “TBFEdit”  – справочник по радиодеталям“ и воочию посмотреть какие характеристики приводятся в справочниках по стабилитронам:

К примеру стабилитрон Д814Г:
— номинальный ток стабилизации (Iст)= 5 мА;
– номинальное напряжение стабилизации (Uст)= (от 10 до 12 вольт)= 11 вольт;
– максимальный ток стабилизации (Iст max)= 29 мА.
Эти данные нам будут необходимы при расчетах простейшего стабилизатора напряжения.

Если вы не смогли найти нужный наш родной, советский, стабилитрон, то можно используя, к примеру программу, Color And Code, подобрать по нужным параметрам буржуйский аналог:

Как видите, стабилитрон Д814Г легко можно заменить аналогом – BZX55C11 (у которого характеристики даже немного получше)

Ну а теперь рассмотрим параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне.

Параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне применяется в слаботочных устройствах (несколько миллиампер) и представляет собой делитель напряжения (на резисторе R – балластный резистор и стабилитроне VD – который выполняет роль второго резистора) на вход которого подается нестабильное  напряжение  а выходное напряжение снимается с нижнего плеча делителя. При повышении (понижении) входного напряжения внутреннее сопротивление стабилитрона уменьшается (увеличивается), что позволяет удерживать выходное напряжение на заданном уровне. На балластном резисторе падает разница между входным напряжением питания и напряжением стабилизации стабилитрона.

Рассмотрим схему данного (самого простейшего) стабилизатора напряжения:

Как рассчитать параметры такого стабилизатора. Первое и самое главное, что нужно запомнить:

Для нормальной работы схемы ток через стабилитрон должен в несколько раз (3-10 раз) превышать ток в стабилизируемой нагрузке. Практически, так-как номинальный ток стабилизации стабилитрона в несколько раз меньше максимального, то допускается при расчетах считать, что ток нагрузки не должен превышать номинального тока стабилизации.
К примеру: ток потребляемый нагрузкой составляет 10 мА, значит нам необходимо подобрать такой стабилитрон, чтобы его номинальный ток стабилизации не был меньше 10 мА (лучше конечно, если он будет больше).

Расчет параллельного параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне

Дано:
Uвх – входное напряжение = 15 вольт
Uвых – выходное напряжение (напряжение стабилизации) = 11 вольт

Расчет:
1. По справочнику, приведенному выше, определяем, что для наших целей подходит стабилитрон Д814Г:
Uст (10-12в)= 11 вольт
Iст max= 29 мА
Iст номинальный = 5 мА
Исходя из сказанного выше, определяемся, что ток нагрузки не должен превышать Iст номинального – 5 мА
2. Определяем напряжение падения на балластном резисторе (R) как разность входного и выходного стабилизированного напряжения:
Uпад=Uвх – Uвых=15-11= 4 вольта
3. Используя закон Ома, определяем номинал балластного сопротивления R, деля напряжение падения Uпад на Iст стабилитрона:
R= Uпад/Iст= 4/0,005= 800 Ом
Так как резисторов номиналом 800 Ом нет, берем ближайший больший номинал – R=1000 Ом= 1 кОм
4. Определяем мощность балластного резистора R:
Pрез= Uпад*Iст= 4*0,005= 0,02 ватта
Так как через резистор протекает не только ток стабилизации стабилитрона но и ток потребляемый нагрузкой, то полученное значение увеличиваем минимум в 2 раза:
Pрез= 0,004*2= 0,008 ват, что соответствует ближайшему номиналу = 0,125 ватт.

Что делать если вы не нашли стабилитрон с нужным напряжением стабилизации.
В этом случае можно применить последовательное соединение стабилитронов. К примеру, если мы соединим последовательно два стабилитрона Д814Г, то напряжение стабилизации составит 22 вольта (11+11). Если соединим Д814Г и Д810 то получим напряжение стабилизации 20 вольт (11+10).
Допускается любое число последовательного соединения стабилитронов одной серии (как в примере – Д8**).
Последовательное соединение стабилитронов разной серии допускается только в том случае, если рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии.

Что делать, если в приведеном выше примере, ток нагрузки составляет к примеру не 5 а 25 мА?
Можно конечно все так и оставить, так как максимальный ток стабилизации (Iст max) Д814Г равен 29 мА, единственное придется пересчитать мощность балластного резистора. Но в этом случае стабилитрон будет работать на пределе своих возможностей и у вас не будет никаких гарантий, что он не выйдет из строя.
А что делать если ток нагрузки составляет, к примеру, 50 мА?

Последовательный стабилизатор напряжения на биполярном транзисторе – это по сути параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключенный ко входу эммитерного повторителя.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона за счет падения напряжения на переходе база-эммитер транзистора (для кремниевых транзисторов – около 0,6 вольт, для германиевы – окло 0,25 вольт), что нужно учитывать при выборе стабилитрона.
Эммитерный повторитель (он же – усилитель тока) позволяет увеличить максимальный ток стабилизатора напряжения по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне в β (h_21э) раз (где β (h31э) – коэффициент усиления по току данного транзистора, берется наименьшее значение).

Схема последовательного стабилизатора на биполярном транзисторе:

Так-как данный стабилизатор состоит из двух частей – источник опорного напряжения (он же параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне) и усилителя тока на транзисторе (он же эммитерный повторитель), то расчет такого стабилизатора производится аналогично выше приведенному примеру.
Единственное отличие:
— к примеру нам надо получить ток нагрузки 50 мА, тогда выбираем транзистор с коэффициентом усиления β (h_21э) не менее 10 (β (h_21э)=Iнагрузки/Iст=50/5=10
– мощность балластного резистора рассчитываем по формуле: Ррез=Uпад*(Iст+Iнагрузки)

Ток нагрузки можно увеличить еще в несколько раз, если применить схему с составным тразистором (два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи):

Вот, в принципе, и все.

Стабилизатор напряжения | ООО «ЛАНИТ-Норд»

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
У этого термина существуют и другие значения, см. Стабилизатор.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Содержание

    1 Стабилизаторы постоянного тока
        1.1 Линейный стабилизатор
            1.1.1 Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне
            1.1.2 Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе
            1.1.3 Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя
        1.2 Импульсный стабилизатор
    2 Стабилизаторы переменного напряжения
        2.1 Феррорезонансные стабилизаторы
        2.2 Современные стабилизаторы
    3 См. также
    4 Литература
    5 Ссылки
    6 Примечания

Стабилизаторы постоянного тока

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.
В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

    Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
    Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.
 
В зависимости от способа стабилизации:

    Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
    Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Uout = Uz — Ube.

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость Ube от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что Ube в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора RV применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (Gopenloop = 105 ÷ 106).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

    Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
    Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
    Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
    Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Стабилизаторы переменного напряжения

Основная статья: Стабилизаторы переменного напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

    электродинамические
    сервоприводные (механические)
    электронные (ступенчатого типа)
    статические (электронные переключаемые)
    релейные
    компенсационные (электронные плавные)
    комбинированные (гибридные)

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, −25 %/+15 %, −35 %/+15 % или −45 %/+15 %. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 8…10 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В.[источник не указан 1624 дня]

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10 % от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 0,5 % до 8 %. Точности в 8 % вполне хватает для обеспечения исправной работы подавляющего большинства современной бытовой и промышленной электротехники оборудованных инверторными и импульсными блоками питания. Так как мощность оборудования напрямую зависит от напряжения, то для обеспечения корректной (заявленной производителем) работы с прогнозируемым результатом и расходом электроэнергии необходимо точное напряжения (0,5-1 %). Так же более жесткие требования (1 %) предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора работать на заявленной мощности во всем диапазоне входного напряжения, но далеко не все стабилизаторы соответствуют этому параметру. КПД электродинамических и сервоприводных стабилизаторов более 98 %, а электронных (ступенчатых) 96 %. Электродинамические стабилизаторы выдерживают десятикратные перегрузки, при покупке такого стабилизатора запас по мощности не требуется.
См. также

    Микросхемы серии 78xx — серия распространённых линейных стабилизаторов
    Регулятор мощности
    Инверторы напряжения

Литература

    Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — 128 с.
    В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.
    Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.
    Штильман В. И. Микроэлектронные стабилизаторы напряжения. — Киев: Технiка, 1976.

Ссылки

    Стабилизатор электрический — статья из Большой советской энциклопедии
    ГОСТ Р 52907-2008 «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»

naf-st >> Источники питания >> Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения — это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей — стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рис. 1 — Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резик R_бал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение U_вх передается на R_бал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резике.

Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резика R_огр должно иметь определенное значение. Если напряжение U_вх гуляет от U_min до U_max, то для расчета R_огр можно воспользоваться формулой:

R_огр = (U_вх.ср — U_ст)/(I_ср + I_н),

где U_вх.ср = 0.5(U_вх.min + U_вх.max) — среднее значение напряжения источника, I_ср. = 0.5(I_min + I_max) — средний ток стабилитрона, I_н = U_н/R_н — ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.

Коли все изменения напряжения источника гасятся в R_огр, то наибольшее изменение напряжения (U_{вх. max} — U_вх.min = ΔU_вх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (I_max — I_min = ΔI_ст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

ΔU_вх ≦ ΔI_стR_огр

Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от R_н.min до R_н.max. Для такого режима R_огр определяется по формуле:

R_огр = (U_вх — U_ст)/(I_ср + I_н.ср),

где I_н.ср = 0.5(I_н.min + I_н.max), причем I_н.min = U_ст/R_н.max, а I_н.max = U_ст/R_н.min.

Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).

К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.

Рис. 2 — Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.

Ахтунг: Как-то один препод втулял на полном серьезе, что схема на рисунке 2 — компенсационный стабилизатор напряжения. Тогда меня чуть не вывернуло. Не ведитесь на такую фигню. Про КСН чуть ниже. Там и будет понятно отличие ПСН от КСН.

Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки — как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону влепить кондер). Если параллельно стабилитрону влепить переменный (подстроечный) резик, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также влепить параллельно нагрузке кондер. Кондеров вообще можно повтыкать несколько штук, не повредит. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке втыкают кондер емкостью 0,01…1 мкФ. Это касается любых источников питания. В умных книжках пишут, что кондер должен быть керамический, хотя и бумажные, слюдяные, пленочные и прочие работают ничтяково.

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилка (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, втыкают составной транзистор. Составной транзистор — это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. На рисунке ниже это намного понятнее:

Теперь ясно? Вся фишка в том, что у составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. То есть берем два говяненьких транзистора с коэффициентом усиления, скажем, 100, делаем составной и получаем транзистор с коэффициентом передачи 10 000. Суть ясна?

Итак, для больших токов используют составные транзисторы, ну а для питания парочки микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Даже 315-е работают вполне удовлетворительно.

Бывает ешчё куча всяких схем ПСН, но наиболее употребительные две вышерассмотренные. Ну понятно, наверное, чтобы получить напряжение обратной полярности, просто переворачиваем стабилитрон вверх ногами (на рис. 1), а транзистор втыкаем другого типа проводимости (рис. 2; был n-p-n, ставим p-n-p). Полярность кондеров тоже необходимо поменять, не забывая при этом поменять полярность входного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки — КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.

Рис. 3 — КСН последовательного типа

РЭ — это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ — схема управления — собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача — усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д — делитель напряжения, ИОН — источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется — последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Короче, если, к примеру, напряжение на входе скакнуло, эта фигня, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. При рассмотрении принципиальной схемы все станет ясней.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 4.

Рис.4 — КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резике. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство — при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 5.

Рис.5 — Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все деталюшки. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резиков R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная. Но работает!

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резиком между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резик, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:

Рис. 6 — КСН

Эта схема содрана с блока питания магнитофона приставки «Карат МП-201С» и, как видно, отличие состоит лишь в кондерах и резике R1. Резиком R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение ( при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резика R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резик R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см², т. к. и он может «пыхнуть».

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 5 и 6. В этих схемах транзисторы вылетают, как с добрым утром, если забыли изолировать коллектор (для тех, кто в танке, коллектор мощных транзисторов электрически соединен с корпусом транзистора или его частью для лучшего теплового контакта). На рисунке 7 эта схема и показана. Схема слизана с журнала Радио аж за 1984 год (Радио №12/1984).

Рис. 7 — КСН с «холодным» коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя — КТ815 и КТ819. Недостаток схемы — меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 6. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель . Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

Другие схемы не только по этой теме будут постепенно накапливаться в отдельном разделе; назовем его «каталог схем».

как регулятор напряжения — концептуальный обзор…

В предыдущих разделах, касающихся диодов, мы обсуждали работу стабилитрона, а также его важные характеристики. Мы узнали, что стабилитрон — это диод специального назначения, который работает как обычный диод при прямом смещении, но также пропускает ток при обратном смещении, если его стабилитрон превышает его напряжение. Когда его напряжение на стабилитроне превышено, он поддерживает стабильное опорное напряжение на нем. С этой характеристикой стабилитроны часто используются в качестве простых регуляторов напряжения, и мы рассмотрим практическое использование стабилитронов таким образом.

Что такое регулятор напряжения?

Стабилизатор напряжения — это устройство или схема, предназначенная для создания определенного напряжения при минимизации колебаний выходного сигнала в отношении изменений требований к входу, температуре и нагрузке. Чаще всего регулятор используется в источниках питания, но любая схема, которая включает в себя метод регулирования для обеспечения контролируемого выхода или функции, может рассматриваться как регулятор. Проще говоря, регулятор «регулирует» напряжение, чтобы обеспечить постоянное напряжение постоянного тока на нагрузке.

Схема эквивалента стабилитрона

Когда стабилитрон используется в качестве регулятора напряжения, в идеале он имеет постоянное падение напряжения, равное его номинальному напряжению стабилитрона. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом постоянного напряжения (рисунок 1), даже если стабилитрон не вырабатывает напряжение. Идеальная характеристическая кривая стабилитрона также показана ниже. (рисунок 2)

Однако в действительности существует импеданс стабилитрона Z _Z , и фактическая кривая напряжения не является идеально вертикальной. Существует изменение тока стабилитрона ΔI _Z , которое вызывает небольшое изменение напряжения стабилитрона ΔV _Z . По закону Ома импеданс стабилитрона равен отношению ΔV _Z к ΔI _Z .

Z _Z обычно указывается при испытательном токе стабилитрона.В большинстве случаев Z _Z представляет собой небольшую константу во всем диапазоне значений тока Зенера. Однако, если стабилитрон работает около изгиба кривой, импеданс стабилитрона резко меняется. Поэтому лучше использовать стабилитрон за пределами изгиба кривой, чтобы получить более стабильный импеданс стабилитрона. Ниже представлена ​​практическая модель и характеристическая кривая стабилитрона с учетом его импеданса.

Использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Как уже упоминалось, когда на стабилитрон подается обратное смещение, равное или превышающее напряжение стабилитрона, диод может поддерживать стабильное напряжение на нем. Благодаря этой характеристике стабилитроны используются для регулирования напряжения в некоторых цепях. Стабилизатор напряжения на стабилитронах очень экономичен, поскольку он очень недорогой, простой и легкий в сборке.

Перед тем, как создать свой собственный стабилизатор напряжения с использованием стабилитронов, необходимо учесть несколько важных параметров.Эти параметры можно найти в техническом описании, поэтому очень важно посмотреть на техническое описание своего стабилитрона, чтобы убедиться в правильной работе.

1. Во-первых, обратите внимание на номинальное напряжение пробоя стабилитрона или напряжение стабилитрона. В даташите он обозначен как V _Z . Этот параметр определяет величину обратного смещения напряжения, которое заставляет диод проводить ток. Для работы диода напряжение, приложенное к стабилитрону, должно быть не менее В _Z .

2. Во-вторых, убедитесь, что минимальный ток I _ZK превышен. Это необходимо для того, чтобы диод оставался в состоянии пробоя для регулирования напряжения. Не рекомендуется использовать стабилитрон вблизи точки перегиба из-за влияния импеданса стабилитрона.

3. В-третьих, проследите, чтобы максимальный ток не превышал I _ZM . Превышение I _ZM может привести к повреждению стабилитрона.

Недостатки стабилизатора напряжения на стабилитроне

Хотя стабилитроны используются в качестве регуляторов напряжения, они имеют низкий КПД при больших токах нагрузки.Это связано с тем, что при большом токе нагрузки будут значительные потери мощности в последовательном ограничивающем сопротивлении ( R _s ). Когда мощность, рассеиваемая на R _s , превышает его номинальную мощность, это в конечном итоге приведет к повреждению резистора. Это частая проблема стабилизаторов напряжения на стабилитронах.

Кроме того, на самом деле выходное напряжение немного меняется из-за импеданса стабилитрона, так как В _{на выходе} = В _Z + I _Z Z _Z . Изменения тока нагрузки вызывают изменения тока стабилитрона. Следовательно, изменяется и выходное напряжение. Поэтому использование этой схемы ограничено только такими приложениями, в которых изменения тока нагрузки и входного напряжения малы.

В целом стабилизаторы на стабилитронах могут обеспечивать достаточно стабильное напряжение постоянного тока на выходе, но они не особенно эффективны. Его регулирующая способность несколько ограничена изменением напряжения стабилитрона в диапазоне значений тока, что ограничивает ток нагрузки, с которым он может справиться.По этой причине они ограничены приложениями, требующими только слабого тока нагрузки. Чтобы добиться лучшего регулирования и обеспечить большие колебания тока нагрузки, стабилитрон объединен в качестве ключевого элемента с другими компонентами схемы для создания трехконтактного линейного регулятора напряжения.

Надеюсь, этот теоретический, но практический обзор стабилитронов окажется полезным и либо даст вам хорошую основу для дальнейшего использования стабилитронов, либо прояснит некоторые вопросы, которые у вас возникли! Если у вас есть вопросы, оставьте их в комментариях ниже.Увидимся в нашем следующем уроке!

Параметрический регулятор напряжения Электроника, Микроэлектроника …

Параметрический регулятор напряжения

Во многих радиоэлектронных устройствах, где используются вторичные источники питания, требования по поддержанию напряжения или тока на определенном постоянном уровне требуются независимо от возможных изменений входного напряжения и выходного тока. Для этого используются стабилизаторы напряжения или тока. В данном учебно-методическом пособии рассматривается параметрический стабилизатор напряжения на полупроводниковом стабилитроне.Параметрические стабилизаторы имеют простую конструкцию и высокую надежность, но обладают низким КПД.
Схема параметрического регулятора напряжения рис. 4 состоит из балластного резистора Rbal (для ограничения тока через стабилитрон) и включенного параллельно нагрузке стабилитрона, выполняющего основную функцию стабилизации.

Рис. 4 Параметрический параметрический регулятор напряжения
Основные соотношения токов и напряжений в стабилизаторе определяются первым и вторым законами Кирхгофа:

Принцип действия параметрического стабилизатора

Принцип работы параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно пояснить на рис.5, на котором показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона и «инвертированная» ВАХ балластного резистора. Работа регулятора напряжения следующая. При изменении напряжения на входе стабилизатора U происходит соответствующее изменение тока I, а, следовательно, и токи стабилитрона и нагрузки. Однако при изменении тока стабилитрона напряжение на нем изменится на очень небольшую величину в соответствии с вольт-амперной характеристикой стабилитрона (рис.5), т.е. практически без изменений. Согласно второму закону Кирхгофа, при изменении входного напряжения падение напряжения на балластном сопротивлении изменяется пропорционально току, равному приращению входного напряжения. Другими словами, все приращение входного напряжения падает на балластном сопротивлении, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке практически не меняется. Запишем математически выше:

U ± ∆U = (Ist + In ± ∆Ist) • Rbal + Un

Принимая, U = const и Rn = const, получаем In = const, при этом условие сохранения рабочего точка стабилитрона на участке АВ вольт-амперной характеристики (рис.5) определяется по формуле:
± ∆U = ± ∆IstRbal

Рис. 5. Пояснение принципа действия регулятора напряжения

Отсюда следует, что нормальная работа обеспечивается соответствующим выбором величины балластного сопротивления. Тогда при изменении напряжения на входе стабилизатора нормальные пределы стабилизации выходного напряжения Un не нарушаются.
Когда напряжение стабилизируется взятием, In = var и Rn = var и U = const, токи перераспределяются на входе стабилизатора между нагрузкой и стабилитроном при сохранении того же напряжения на стабилитроне и падения напряжения на балластное сопротивление согласно уравнению:

U = I • Rbal + Un = ((In ± ∆In) + (Iast ± ∆Ist)) • Rbal + Un

Для нормальной работы стабилизатора с переменными нагрузками, изменение тока не должно приводить к выходу тока стабилитрона за пределы его максимального и минимально допустимых значений.
При условии, что U = const и Rh = const, расчет стабилизатора сводится к выбору стабилитрона и выбора Rbal, тогда из системы уравнений (1) получаем формулу для расчета Rbal:

Сопротивление резистор должен быть таким, чтобы ток стабилитрона был не менее Ist min, т.е. не выходил за пределы рабочей области AB (рис.5) вольт-амперной характеристики стабилитрона.
Балластное сопротивление определяет основные потери стабилизатора, поэтому параметрические стабилизаторы используются только в схемах малой мощности.Стабилитрон
выбирается параметрами из справочника:
1. Ist max — максимально допустимый ток стабилитрона;
2. Усть — стабилизация напряжения;
3. Ist min — минимальный ток стабилитрона.

Основные параметры стабилизатора:

1. Коэффициент стабилизации равен отношению приращений входного и выходного напряжения. Коэффициент стабилизации характеризует качество стабилизатора.

2.Выходной импеданс стабилизатора
Rout = Rdiff
Чтобы найти Kst и Rout, рассматривается схема замены стабилизатора для приращений, показанная на рисунке 6. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току Rdif является параметром стабилизатора.

Рис. 6 Эквивалентная схема параметрического регулятора напряжения
Дифференциальное сопротивление Rdif определяется из уравнения:

Для эквивалентной схемы получаем коэффициент стабилизации с учетом того, что Rn >> Rdif и Rbal >> Rdif:

Коэффициент стабилизации параметрического регулятора напряжения Кст = 5 ÷ 30
Для увеличения стабилизированного напряжения используется последовательное включение стабилитронов.
Параллельное включение стабилитронов не допускается. Для увеличения коэффициента стабилизации можно каскадировать несколько параметрических регуляторов напряжения.

Стабилитрон — параметры, принцип работы, применение и преимущества

— это особый тип кремниевого полупроводникового прибора, который работает в области пробоя стабилитрона. В этом посте мы подробно обсудим, что такое стабилитрон, его параметры, как он работает, а также его применение в качестве регулятора напряжения, ограничителя и переключателя напряжения.

В общем, диоды — это полупроводниковые устройства, которые позволяют протекать току при прямом смещении и предлагают сопротивление при обратном смещении. Стабилитрон — это особый тип диода, в котором может протекать критическое обратное напряжение и больший обратный ток.

Он начинает проводить в состоянии обратного смещения, когда приложенное напряжение выше напряжения пробоя, и это напряжение называется напряжением пробоя стабилитрона. Он назван в честь Кларенса Зенера, американского физика, который изобрел его в 1905 году.

Рис. 1. Знакомство с стабилитроном

Он содержит сильно легированный P-N переход и, следовательно, имеет тонкую обедненную область. Он пропускает электроны из валентной зоны материала P-типа в зону проводимости материала N-типа. Другими словами, он пропускает больше электрического тока, чем другие диоды с P-N переходом. Он начинает проводить ток при обратном напряжении пробоя и продолжает работать в режиме обратного смещения.

Этот тип диода выгоден тем, что падение напряжения в широком диапазоне напряжений остается постоянным.Кривая вольт-амперной (VI) характеристики стабилитрона и его символ показаны на рис. 2. Она показывает, что обратное сопротивление велико, а обратный ток утечки чрезвычайно мал, когда обратное напряжение ниже, чем обратное. напряжение пробоя. Но когда обратное напряжение превышает, обратный ток внезапно возрастает, что называется пробоем, а обратное сопротивление внезапно падает до небольшого значения.

Рис. 2 — Характеристики VI и символ

Различные параметры влияют на характеристики VI.Это:

• Максимальный ток стабилитрона
• Минимальный ток стабилитрона
• Номинальное напряжение
• Рассеиваемая мощность

Другие параметры, которые влияют на его характеристики: прямой ток, прямое напряжение, тип упаковки и т. Д.

Он определяется как ток, который может пройти через стабилитрон при напряжении пробоя стабилитрона.

Это ток, который требуется для проведения стабилитрона в области пробоя.

Напряжение пробоя стабилитрона также называется номинальным рабочим напряжением. Это один из важных параметров при выборе стабилитрона.

Это максимальная мощность, которую может рассеять стабилитрон. Рассеиваемая мощность — важный параметр, который следует учитывать при выборе стабилитрона, поскольку чрезмерная номинальная мощность приводит к чрезмерному повышению температуры, что приводит к необратимому повреждению устройства.

Устройство работает по принципу эффекта Зенера, что означает, что обратная проводимость возникает из-за электронного квантового туннелирования в коротком пространстве между высоколегированными областями P-N. В обычных диодах, когда приложенное напряжение превышает напряжение пробоя; это приводит к необратимому повреждению диода. Однако в стабилитроне напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению устройства.

Фиг.3 — Схематическое изображение принципа работы

В основном, значение регулирования напряжения ниже 6 В называется Пробой Зенера , и на этом этапе температурный коэффициент диода отрицательный, т.е. при повышении температуры слой обеднения уменьшается. . В этой узкой обедненной области энергия валентных электронов атома возрастает, и электрическое поле меньшей интенсивности может возбуждать валентные электроны из атомов, вызывая пробой Зенера.

Когда истощающий слой широкий с большей напряженностью электрического поля, повышение температуры; увеличивает энергию атомов решетки, препятствуя движению носителей, вызывая лавинный пробой. Лавинный пробой происходит только при увеличении обратного напряжения и, следовательно, температурный коэффициент положительный.

Его способность выдерживать высокие напряжения без повреждений создает несколько применений в современных электронных схемах.Три основных применения перечислены ниже:

• Регулятор напряжения
• Схема ограничения
• Сдвигатель напряжения

Основное применение регулятора напряжения — обеспечить постоянное выходное напряжение независимо от изменения энергии, потребляемой током нагрузки или нестабильности напряжения питания.

Рисунок. 4 иллюстрирует свойство стабилитронов по напряжению.Резистор R1 подключен к стабилитрону последовательно. Диод подключен к обратному смещению для регулирования напряжения.

Рис. 4 — Схема регулятора напряжения

Резистор R1 рассчитывается по приведенной ниже формуле.

R1 = (В _в — В _z ) / I _z

Где,

• I _z = ток стабилитрона
• В _z = стабилитрон / выходное напряжение
• В _in = Входное напряжение
• R1 = Сопротивление

Исходя из формулы, легко убедиться, что значение выбранного резистора не приводит к протеканию тока, превышающего ток Зенера.

Схема ограничения используется для предотвращения превышения выходным напряжением заданного напряжения без изменения входного сигнала или формы волны. Стабилитрон работает как обычный диод, когда приложенное напряжение меньше напряжения пробоя стабилитрона. Следовательно, он широко используется в схемах отсечения.

Рис. 5 — Схема ограничителя

Цепи ограничения могут быть разработаны для ограничения сигнала в положительной, отрицательной или обеих областях.Стабилитрон используется для ограничения выходного сигнала независимо от формы входного сигнала. Если устройство используется для ограничения положительного размаха цепи ограничения, то оно предотвращает превышение напряжением напряжения пробоя стабилитрона без изменения формы входного сигнала.

Во время отрицательного размаха цепи ограничения он действует как обычный кремниевый диод и ограничивает выходное напряжение. Чтобы ограничить выходной сигнал как положительным, так и отрицательным колебанием; используется двойная стабилитронная схема ограничения.

Схема переключения напряжения, которая помогает преобразовывать сигнал из одной области напряжения в другую.Они обладают способностью поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от входного напряжения, что делает их идеальным компонентом в качестве переключателя напряжения. Это устройство в схеме смещения напряжения минимизирует выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя стабилитрона. Пример схемы переключения напряжения показан ниже на рис. 6.

Рис. 6 — Схема переключения напряжения

Преимущества включают:

• Они дешевле, чем другие типы диодов.
• Поддерживает стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения.
• Его можно использовать как обычный кремниевый диод, когда он смещен в прямом направлении.
• Они обладают очень высокой рассеиваемой мощностью.
• У них очень высокие стандарты производительности.
• Благодаря небольшому размеру они могут использоваться в небольших электронных устройствах.

Недостатки:

• Эти диоды имеют низкий КПД при более высоких токах нагрузки.
• У них относительно плохой коэффициент регулирования напряжения.
• При использовании в качестве регулятора напряжения всегда есть небольшое изменение на выходе постоянного тока из-за сопротивления стабилитрона.

  Также читают:
Тиристор - рабочий, VI-характеристики, типы, применение, преимущества и недостатки
Гальванический элемент - конструкция, типы, принцип работы, применение, преимущества 
  Термистор - классификация, принцип работы, применение и преимущества 
 

— обзор

Пример 3.4

Желательно поддерживать сопротивление нагрузки R _L при постоянном напряжении 100 В, когда входное напряжение изменяется от 120 до 110 В. Если стабилизатор напряжения типа, показанного на рис. 3.10a, должен Для этой цели найдите наилучшее значение R _s , учитывая, что R _L = 10 кОм.

Сначала мы выбираем стабилитрон с напряжением В _z = 100 В. Во-вторых, мы должны определить максимальный ток через стабилитрон при нормальной работе и убедиться, что он не превышает максимально допустимый ток стабилитрона.Затем определяем R _s .

Для начала предположим, что входное напряжение зафиксировано на уровне В _мин = 110 В; тогда падение напряжения 10 В на последовательном сопротивлении R _s оставит R _L с падением напряжения 100 В — желаемое состояние. Чтобы это произошло, ток 10 мА должен протекать через R _L и R _с , что определило бы последовательное сопротивление как R _с = 10 В / 10 мА = 1 кОм. .Если бы напряжение оставалось на уровне 110 В, стабилитрон не понадобился бы, так как стабилитрон не протекал бы, даже если бы стабилитрон присутствовал. Однако входное напряжение изменяется, как показано на рис. 3.10b. Переключение с 110 В на 120 В обычно происходит не быстро, но может происходить за секунды, минуты или даже часы.

При повышении входного напряжения до 120 В ток через R _s будет увеличиваться пропорционально. Чтобы поддерживать R _L при 100 В, ток через R _L должен оставаться на уровне 10 мА, а любой избыточный ток должен проходить через стабилитрон.Когда входное напряжение составляет В _макс = 120 В, 20 В падает на R _с и 20 мА проходит через R _с (от 10 мА до R _L и 10 мА через стабилитрон). Следовательно, как показано на рис. 3.10b, ток стабилитрона изменяется между I _{z , мин.} = 0 и I _{z , макс.} = 10 мА в ответ на изменения входного напряжения, в то время как нагрузка напряжение остается постоянным на уровне 100 В.

Условие I _{z , min} = 0 может использоваться для определения оптимального значения для R _s , т.е. дает R _{с , opt} = (110 В — 100 В ) / 10 мА = 1 кОм.

Если мы знаем максимальный ток I _{z , max} , который может выдержать стабилитрон, мы можем указать минимальное значение R _s , которое можно использовать в цепи стабилизатора напряжения на стабилитроне. as

Rs, min = Vmax − VzIz, max + IL

Если предположить, что I _{z , max} = 30 мА, то для R _s = (120 — 100 ) / (30 + 10) = 0.5 кОм = 500 Ом. Преимущество использования меньшего сопротивления для R _s состоит в том, что если входное напряжение падает ниже 110 В, действие регулятора все еще может иметь место. Недостатком является то, что (i) R _{s , min} рассеивает больше энергии, чем R _{s , opt} , (ii) ток стабилитрона изменяется в пределах I _{z , min} = 10 мА и I _{z , макс} = 30 мА, тогда как для R _{s , opt} ток Зенера изменяется только от 0 до 10 мА, и (iii) если входное напряжение превышает 120 В, ток стабилитрона превысит максимально допустимый ток I _{z , max} и, скорее всего, повредит диод.

Всегда существует некоторая опасность превышения максимального тока диода либо из-за неожиданного восходящего колебания входного напряжения, либо из-за внезапного отключения нагрузки, в результате чего весь входной ток будет протекать через диод. Последний случай, случай внезапной разомкнутой нагрузки ( R _L = ∞), обычно приводит к выходу из строя стабилитрона, поскольку наиболее вероятно, что I _{z , max} будет превышено.

Регулятор напряжения, переменная нагрузка, объяснение напряжения источника

Привет, друзья, добро пожаловать в коики.com Все об электронике и электричестве. В этой статье мы узнаем о стабилитроне и увидим, как стабилитрон можно использовать в качестве регулятора напряжения.

Что такое стабилитрон

В предыдущих статьях мы увидели, как этот диод с PN переходом может работать как в прямом, так и в обратном направлении. И мы также видели, что в случае состояния обратного смещения, когда приложенное напряжение меньше этого напряжения пробоя, ток через диод почти не протекает.

Но как только напряжение на диоде становится больше, чем это напряжение пробоя, тогда внезапно большой ток начинает течь в обратном направлении. Таким образом, эта область действия диода известна как область работы пробоя. А для нормального диода этой области работы следует избегать. Но есть несколько диодов, которые предназначены для использования в этой области пробоя. И эти диоды известны как стабилитрон .

VI-характеристика

Итак, вот символ стабилитрона, и если вы видите VI-характеристику этого стабилитрона, то он очень похож на обычный диод.Как видите, в состоянии прямого смещения он работает аналогично обычному диоду. И в обратном направлении, когда приложенное напряжение больше порогового напряжения, диод внезапно начинает работать в области пробоя.

, поэтому напряжение, после которого стабилитрон работает в этой области пробоя, называется напряжением стабилитрона, а соответствующий ток, протекающий через стабилитрон, известен как ток стабилитрона.

напряжение пробоя

, в отличие от обычных диодов, это напряжение пробоя стабилитрона может составлять от двух до двухсот вольт.Но если вы видите нормальные диоды, обычно напряжение пробоя было больше 20 вольт. Таким образом, в отличие от обычных диодов, эти стабилитроны сильно легированы, и, изменяя концентрацию легирования, мы можем изменить напряжение стабилитрона этого стабилитрона.

Итак, для стабилитронов, у которых напряжение пробоя меньше 4 В, эффект Зенера является преобладающим. С другой стороны, для стабилитронов, напряжение пробоя которых превышает шесть вольт, преобладает лавинный эффект.И эти два эффекта мы уже обсуждали в предыдущей статье.

Так что для получения дополнительной информации вы можете проверить эту статью. Но независимо от механизма пробоя все диоды, которые предназначены для использования в этой области пробоя, известны как стабилитроны.

Условие обратного смещения

Теперь в этом стабилитроне, в состоянии обратного смещения, когда приложенное напряжение больше, чем напряжение стабилитрона, этот стабилитрон будет работать в области пробоя.И если есть резистор, ограничивающий ток, последовательно с диодом Зенера, то внезапно чрезмерное количество тока начинает течь через этот диод Зенера.

И в некотором смысле из-за чрезмерного рассеивания мощности этот стабилитрон может выйти из строя. Таким образом, чтобы ограничить этот ток, необходимо подключить токоограничивающий резистор последовательно с этим стабилитроном.

И если вы посмотрите таблицу любого стабилитрона, то вы обнаружите, что максимальный ток стабилитрона определен для каждого стабилитрона.это означает, что максимально допустимый ток через стабилитрон должен быть меньше этого тока. И если вы видите таблицу, для стабилитрона также определен еще один ток, который известен как минимальный ток стабилитрона.

, поэтому в основном этот ток определяет минимальный ток, который должен потребоваться для использования этого стабилитрона в этой области пробоя. поэтому всякий раз, когда стабилитрон используется в этой области пробоя, рабочий ток этого стабилитрона должен находиться между этими двумя пределами.Таким образом, для любого стабилитрона, когда приложенное напряжение Vs больше, чем это напряжение стабилитрона, а рабочий ток находится между этими значениями Izk и Izm, мы можем сказать, что стабилитрон работает в этой области пробоя.

характеристика напряжения

Итак, теперь, если вы видите характеристику напряжения стабилитрона, то вы можете видеть, что даже если мы выйдем за пределы этого напряжения стабилитрона, то также вряд ли будет какое-либо изменение напряжения на этом стабилитроне, или, другими словами, мы можем сказать, что напряжение на стабилитроне остается постоянным.

, так что этот стабилитрон можно использовать как стабилизатор напряжения. Итак, в первом приближении мы будем предполагать, что всякий раз, когда напряжение на стабилитроне больше, чем напряжение стабилитрона, в этом случае стабилитрон можно заменить источником постоянного напряжения VZ.

Но на самом деле, если вы видите, эта кривая не прямая линия. это означает, что этот стабилитрон должен иметь некоторое последовательное сопротивление, и это последовательное сопротивление известно как сопротивление стабилитрона. Таким образом, из-за этого сопротивления стабилитрона, если ток, протекающий через стабилитрон, будет увеличиваться, тогда падение напряжения на резисторе стабилитрона будет увеличиваться.Из-за этого повышается перенапряжение на стабилитроне. Но здесь для нашего анализа мы предположим, что сопротивление стабилитрона стабилитрона равно нулю.

Кроме того, будем также считать, что ток Зенера равен нулю. Это означает, что в условиях обратного смещения ток, который требуется для включения стабилитрона, также равен нулю, поэтому при этих предположениях давайте теперь посмотрим, как эти внутренние диоды могут использоваться в качестве регулятора напряжения.

Стабилитрон как регулятор напряжения

, поэтому в этом приближении, если напряжение питания Vs больше, чем Vz, в этом случае стабилитрон будет работать в области пробоя и будет обеспечивать постоянное напряжение Vz на двух выводах.

Таким образом, мы можем использовать стабилитрон в качестве стабилизатора напряжения, и это особенно полезно при проектировании источников питания. Итак, допустим, мы проектируем источник питания с использованием полной схемы выпрямителя, а для фильтрации здесь мы используем конденсаторный фильтр. Теперь, если вы помните, даже если вы используете этот конденсаторный фильтр, тогда также есть некоторая конечная пульсация в форме выходного сигнала.

И эту пульсацию можно еще больше уменьшить, если использовать этот стабилитрон на выходе этого конденсаторного фильтра.Таким образом, стабилитрон действует как регулятор напряжения и обеспечивает постоянное напряжение на двух выводах. Теперь, даже если мы подключим сопротивление нагрузки, это также обеспечит постоянное напряжение на этом сопротивлении нагрузки.

, но теперь, когда мы подключаем это сопротивление нагрузки, в первую очередь нам нужно найти эквивалентное напряжение Thevenin на этих двух клеммах. Потому что в условиях холостого хода всякий раз, когда мы подаем напряжение питания, все напряжение появляется на этом стабилитроне.

Но когда мы подключаем это сопротивление нагрузки RL, то, прежде всего, нам нужно убедиться, что напряжение на этих двух выводах больше, чем напряжение стабилитрона. Итак, чтобы найти это напряжение на стабилитроне, прежде всего, мы найдем эквивалентное напряжение Тевенина на этих двух выводах. И это может быть выражено как RL, деленное на RL плюс времена RS.

Теперь, если в этом случае напряжение Тевенина больше, чем VZ, он будет работать в области пробоя. поэтому, если стабилитрон работает в области пробоя, он будет обеспечивать постоянное напряжение Vz на этом нагрузочном резисторе.И в этом случае ток нагрузки IL будет равен VL, деленному на RL. А здесь ВЛ — не что иное, как ВЗ.

Это означает, что ток нагрузки IL будет равен VZ, деленному на RL. Аналогично, теперь давайте посмотрим, какой ток источника или последовательный ток протекает через этот резистор Rs. Таким образом, этот ток источника Is может быть выражен как Vs минус Vz, деленный на Rs.

, так что это ток источника, который подается этим источником напряжения. Итак, теперь мы знаем ток источника и ток нагрузки.А оставшийся ток будет протекать через этот стабилитрон. И этот ток известен как ток Зенера. поэтому, если мы применим KCL в этом узле, мы можем сказать, что этот ток равен Iz плюс IL. Или мы можем сказать, что ток стабилитрона Iz равен Is минус IL.

Это ток, протекающий через стабилитрон. А мощность, рассеиваемая на стабилитроне, равна Vz, умноженному на Iz. так что в основном это произведение напряжения Зенера и тока.Таким образом, мы можем найти ток через диод. Итак, давайте возьмем один простой пример, чтобы эта концепция стала вам понятной.

Пример № 1

Шаг № 1

для этого мы найдем эквивалентное напряжение Thevenin на этих двух клеммах. Таким образом, здесь это можно представить как 1 кило ом, разделенный на 1 кило ом плюс 250 ом, умноженный на 18 вольт.

Шаг №2

И если мы посчитаем значение, то получится 14,4 вольт. Так как эквивалентное напряжение Тевенина превышает 10 вольт, стабилитрон будет работать в области пробоя и будет обеспечивать постоянное напряжение 10 вольт на нагрузочном резисторе.

Шаг № 3

Итак, исходя из этого, мы можем сказать, что ток нагрузки будет равен 10 вольт, разделенным на 1 кОм, что равно 10 миллиампер, и здесь последовательный ток Is или ток источника Is будет будет равно 18 вольт минус 10 вольт, разделенных на 250 Ом, и это будет равно 32 миллиамперам.

Шаг №4

Итак, этот ток Is равен 32 миллиамперам. Теперь мы знаем, что ток стабилизации Iz может быть задан как Is минус IL, что равно 32 минус 10 миллиампер.

Шаг № 5

Что равно 22 миллиамперам, значит, это ток Зенера, который протекает через этот стабилитрон. и рассеиваемая мощность может быть выражена как Iz, умноженная на Vz, что равно 22 миллиамперам, умноженным на 10 вольт.

Final Answer

, поэтому мощность, рассеиваемая на стабилитроне, равна 220 милливатт. Таким образом, мы можем найти ток Зенера, а также рассеиваемую мощность.

• теперь всякий раз, когда стабилитрон используется в качестве регулятора напряжения, тогда в зависимости от применения будет изменяться напряжение питания или сопротивление нагрузки.
• Но, несмотря на изменение этих параметров, этот стабилитрон должен обеспечивать постоянное напряжение на нагрузке.
• Другими словами, он должен нормально работать как регулятор напряжения. Итак, в общем, мы можем сказать, что всякий раз, когда диод используется в качестве регулятора напряжения, есть три переменные.
• одно — напряжение питания, а другое — сопротивление нагрузки. И третья переменная — это последовательное сопротивление.

Итак, вот что мы будем делать, мы будем считать два параметра постоянными, и мы предположим, что третий параметр является переменной, и мы найдем максимальное и минимальное значение этого параметра, так что диод будет работать при пробое область.Другими словами, эта схема регулятора будет нормально работать как регулятор напряжения. поэтому в первую очередь мы предположим, что это напряжение питания Vs и это последовательное сопротивление Rs постоянны.

Стабилитрон как регулятор напряжения с переменной нагрузкой

Стабилитрон стабилизатора напряжения А сопротивление нагрузки RL переменное. поэтому мы найдем минимальное и максимальное значение этого нагрузочного резистора, чтобы стабилитрон работал правильно как регулятор напряжения.

стабилизатор напряжения на стабилитроне, поэтому для начала выясним минимальное значение сопротивления этой нагрузки.Стабилизатор напряжения на стабилитроне, и чтобы найти его, в первую очередь запишем эквивалентное напряжение Тевенина на этом диоде.

, поэтому это напряжение Vth может быть задано как RL, деленное на RL плюс RS, умноженное на Vs стабилизатора напряжения на стабилитроне.

стабилизатор напряжения на стабилитроне теперь из уравнения, если вы наблюдаете, как значение этого сопротивления нагрузки RL уменьшается, эквивалентное напряжение Тевенина на этих двух клеммах будет уменьшаться, но стабилизатор напряжения на стабилитроне, если это эквивалентное напряжение Тевенина станет ниже этого напряжения VZ, в этом случае , это произойдет из области пробоя, поэтому эквивалентное напряжение Тевенина должно быть, по крайней мере, равно напряжению Зенера, и отсюда мы можем найти минимальное значение этого сопротивления нагрузки.

, поэтому стабилизатор напряжения на стабилитроне, если мы приравняем это выражение к VZ, и если мы переставим термины, то минимальное значение этого сопротивления нагрузки может быть выражено как Rs, умноженное на VZ, разделенное на Vs минус VZ.

, поэтому это будет минимальное значение сопротивления нагрузки для обеспечения правильной работы стабилитрона в области пробоя.

стабилизатор напряжения на стабилитроне аналогично, теперь выясним максимальное значение этого нагрузочного резистора. теперь, когда это сопротивление нагрузки RL является максимальным, в это время ток, протекающий через эту нагрузку, минимален, или, другими словами, мы можем сказать, что минимум IL будет равен VZ, деленному на максимум RL.стабилизатора напряжения нигде, так как Vs и Rs фиксированы, поэтому значение тока Iswill фиксировано. Таким образом, этот ток Is можно выразить как Vs минус VZ, разделенное на Rs.

Таким образом, стабилизатор напряжения стабилитрона этот ток Is останется фиксированным. теперь, когда мы увеличиваем значение этого RL, ток, протекающий через этот нагрузочный резистор, будет уменьшаться, и в то же время ток, протекающий через резистор, будет увеличиваться.

Так как мы удерживаем регулятор напряжения на диоде при увеличении значения RL, тогда ток, протекающий через диод, будет увеличиваться, но мы знаем, что ток, протекающий через диод, должен быть меньше максимального значения или, другими словами, он должен быть меньше Изм.

стабилизатор напряжения на стабилитроне, поэтому всякий раз, когда через него протекает максимальный ток, ток, протекающий через эту нагрузку RL, минимален. или математически мы можем записать это как Is равно Izm плюс IL (min).

Это означает, что IL (мин) равно Is минус Izm. И отсюда мы можем найти максимальное значение этого нагрузочного резистора. Чтобы лучше понять это, давайте рассмотрим один пример.

Пример № 2

стабилизатор напряжения на стабилитроне. В этом примере нам дали эту схему регулятора, и нас попросили найти минимальное и максимальное значение этого нагрузочного резистора.

• , поэтому сначала давайте найдем минимальное значение этого нагрузочного резистора, и мы знаем, что минимальное значение этой нагрузки может быть задано как RS x VZ, деленное на Vs минус VZ.
• И если мы поместим значения, то мы можем записать их как сто Ом, умноженные на пять вольт, разделенные на пять вольт.
• Это означает, что минимальное значение этого нагрузочного резистора равно сотне Ом. Аналогично, теперь давайте узнаем максимальное значение.
• , поэтому для нахождения максимального значения в первую очередь найдем ток источника Is.А ток источника Is может быть выражен как 10 вольт минус пять вольт, разделенных на сто Ом.
• То есть 50 миллиампер. Итак, это ток источника, который подается этим 10-вольтовым источником, и исходя из этого мы можем сказать, что IL (мин) будет равно Is минус Izm, что равно 50 минус 30.
• , что означает 20 миллиампер. таким образом, это будет минимальный ток, который будет протекать через этот нагрузочный резистор, и исходя из этого мы можем сказать, что максимальное значение нагрузочного резистора будет равно VZ, деленному на IL (min).

регулятор напряжения То есть пять вольт разделить на 20 миллиампер. поэтому максимальное значение нагрузочного резистора будет равно 250 Ом.

стабилизатор напряжения на стабилитроне, поэтому мы можем сказать, что для данных параметров, когда сопротивление нагрузочного резистора находится между сотнями и 250 Ом, данная схема будет правильно работать как регулятор напряжения.

, поэтому теперь мы предположим, что эти последовательные резисторы Rs и нагрузочные резисторы RL постоянны, а это напряжение питания Vs является переменным.

Стабилитрон как регулятор напряжения с переменным напряжением источника

, поэтому мы найдем минимум в максимальном значении V, чтобы он работал правильно в области пробоя. (В детекторе пикового напряжения я объяснил) Или, другими словами, эта схема будет правильно работать как регулятор напряжения. Итак, прежде всего, мы найдем минимальное значение этого напряжения питания и для этого еще раз запишем эквивалентное напряжение Тевенина, которое появляется на стабилитроне.

, что равно Vs, умноженному на RL, деленному на Rs плюсRL. Теперь из выражения, если вы наблюдаете, как мы уменьшаем значение этого V, то эквивалентное напряжение Тевенина, которое появляется на диоде, будет уменьшаться, и если оно опустится ниже этого Vz, то диод выйдет из области пробоя.

, поэтому минимальное значение эквивалентного напряжения Тевенина должно быть равно VZ. И отсюда мы можем найти минимальное значение этого напряжения питания. Таким образом, минимум Vs будет равен RS плюс RL, деленному на RLtimes Vz.

, поэтому это будет минимальное значение напряжения питания, при котором диод будет работать в области пробоя. аналогично теперь выясним максимальное значение этого напряжения питания. нигде, если вы наблюдаете, диод работает в области пробоя, поэтому напряжение в этом узле будет равно VZ, что означает, что меньший ток IL будет равен VZ, разделенному на RL.

Теперь, поскольку это Vs является переменным, так как мы увеличиваем напряжение питания, тогда ток источника будет увеличиваться, и здесь ток источника может быть задан как Vs минус Vz, деленный на RS.

Итак, исходя из выражения, мы можем сказать, что по мере увеличения значения Vs ток источника Is будет увеличиваться. но здесь, поскольку этот ток нагрузки Is фиксирован, оставшийся ток будет проходить через этот диод.

, поэтому по мере того, как мы продолжаем увеличивать значение Vs, ток, протекающий через стабилитрон , будет увеличиваться. Но мы знаем, что максимально допустимый ток стабилитрона равен Izm.

, так что это ограничит максимальное значение этого источника тока.или другими словами, мы можем сказать, что Is (max) будет равно Izm плюс IL. И из этого Is (max) мы можем найти максимальное значение этого источника напряжения. это означает, что Is (max) будет равно Vs (max) минус Vz, деленному на Rs, поэтому таким образом мы также можем найти максимальное значение напряжения питания.

• Символ стабилитрона и объяснение конструкции стабилитрона

  Кетан Бхандекар

  18 апреля 2021 года
• Защита от перенапряжения на стабилитроне, проблемы, расчет

  Кетан Бхандекар

  17 апреля 2021 г.
• Цепи зажима — положительный зажим, отрицательный зажим, типы, видео с пояснениями

  Кетан Бхандекар

  25 ноября 2020 г.
• Цепь машинки для стрижки: положительное, двойное и объяснение проблем

  Кетан Бхандекар

  24 ноября 2020 г.
• Варакторный диод, объясненный Кетаном Бхандекаром
  21 ноября 2020 г.
• Что такое фотодиод? 5+ параметров объяснил

  Кетан Бхандекар

  19 ноября 2020
• Описание светоизлучающих диодов (LED) 5 типов Led

  от Кетана Бхандекара

  18 ноября 2020 г.
• Стабилитрон: регулятор напряжения, переменная нагрузка, напряжение источника объяснено

  Кетаном Бхандекаром

  17 ноября 2020 г.
• Схема детектора пиков, объясненная Кетаном Бхандекаром
  15 ноября 2020 г.
• Что такое прецизионный выпрямитель

  , автор — Кетан Бхандекар

  14 ноября 2020 г.
• Двухполупериодный выпрямитель и мостовой выпрямитель

  от Кетана Бхандекара

  10 ноября 2020 г.
• Полуполупериодный выпрямитель, объясненный Кетаном Бхандекаром
  8 ноября 2020 г.

[Analog Devices Wiki]

Целей:

Целью этой лабораторной работы является изучение использования стабилитронов для построения схемы, которая обеспечивает постоянное или регулируемое выходное напряжение в диапазоне входных напряжений и токов нагрузки.

Фон:

Стабилизатор напряжения — это схема, используемая для поддержания постоянного выходного напряжения на нагрузке независимо от изменений тока нагрузки. Например, «нагрузкой» может быть система на основе микроконтроллера, которая требует постоянного напряжения питания, даже если текущая потребность меняется в зависимости от активности системы.Стабилитрон на рис.1 предлагает очень упрощенный способ поддерживать напряжение нагрузки В, _L на том же значении, что и напряжение обратного пробоя стабилитрона, при условии, что сопротивление нагрузки R _L остается выше, чем у некоторых Нижний предел. Источник напряжения В, , _{, IN} и резистор R _S моделируют сопротивление Тевенина возможной цепи, которая преобразовала высокое напряжение, такое как сетевое питание 120 В переменного тока, в нерегулируемый и нефильтрованный источник более низкого постоянного напряжения.

Материалы:

Аналоговый прибор Discovery
Макетная плата без пайки
Резистор 1 — 1 кОм (R _S )
Переменный резистор 1 — 5 кОм, потенциометр (R _L )
1 — Стабилитрон 4,7 В (1N5230 или аналогичный)

Направления:

Постройте схему, показанную на рис. 1, на своей беспаечной макетной плате, используя стабилитрон 1N5230 4,7 В. Используйте AWG1 и пользовательский источник питания -5V Vn, чтобы установить источник постоянного тока В _IN .Используйте различные постоянные и переменные резисторы для R _L .

Рис.1.Стабилитрон.

Измерений:

1. Отслеживайте и сообщайте о напряжении нагрузки В _L с помощью прибора для измерения кривых вольтметра В _L для R _L , равного:
(a) Обрыв цепи
(b) 10 кОм
© 1 кОм
(г) 100 Ом

2. Замените нагрузку R _L на потенциометр 5 кОм и настройте потенциометр, чтобы определить минимальное значение R _L , при котором В _L остается в пределах 10% от напряжения стабилитрона В _Z .Измерьте и сообщите сопротивление, на которое вы установили потенциометр. Как это сопротивление соотносится со стоимостью R _S ?

Дальнейшие исследования:

Изучите кривую вольт-амперной характеристики стабилитрона, используя тот же метод, который описан в разделе Действия с характеристиками диода, путем измерения тока в R _S с осциллографическим каналом 2 и построения графика зависимости напряжения на стабилитроне от тока в режиме осциллографа XY. . Обязательно отрегулируйте диапазон горизонтального напряжения и смещение, чтобы включить 6.Напряжение пробоя 1 вольт. Обсудите свои результаты, в частности, чем стабилитрон похож и отличается от обычного диода.

Привод больших токов нагрузки:

Как мы видели в простом стабилизаторе стабилитрона на рисунке 1, максимальный ток нагрузки определяется резистором R _S . Кроме того, схема очень неэффективна для меньших токов нагрузки по сравнению с максимальными, поскольку избыточный ток течет в стабилитроне, когда не течет в нагрузке.Включение эмиттерного повторителя или усилителя тока эмиттерного повторителя Дарлингтона может значительно повысить эффективность этой схемы регулятора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2, Добавление каскада усилителя тока

Направления:

Каков принцип стабилитрона?

Этот видеоурок по электронике дает базовое представление о стабилитронах , которые используются в качестве стабилизаторов напряжения в цепях постоянного тока.

Каталог

1.1 Терминология

Стабилитрон является активным устройством. Он использует состояние обратного пробоя pn-перехода, чтобы в результате ток можно было изменять в широком диапазоне, а напряжение в основном было постоянным, то есть диод имеет эффект регулирования напряжения. Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление до тех пор, пока не будет достигнуто критическое обратное напряжение пробоя. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление снижается до небольшого значения, в этой области низкого сопротивления ток увеличивается, а напряжение остается постоянным.Так что стабилитрон используется в первую очередь как регулятор напряжения или компонент опорного напряжения.

Когда обратное напряжение , стабилитрона достигает определенного значения, обратный ток внезапно увеличивается, и стабилитрон входит в область пробоя, но он не повреждает, а работает в нормальном состоянии, которое является самым большим. отличие от обычного диода.

После перехода в это рабочее состояние, даже если обратный ток изменяется в широком диапазоне, обратное напряжение на стабилитроне может оставаться практически неизменным.С другой стороны, если обратный ток продолжает увеличиваться до определенного значения, стабилитрон полностью выйдет из строя и повредится.

Следовательно, когда используется стабилитрон, он должен быть подключен последовательно с токоограничивающим резистором . В противном случае его потребляемая мощность превышает указанное значение, что может привести к повреждению устройства.

Характеристики схемы стабилизатора стабилитрона связаны с динамическим сопротивлением в состоянии пробоя, а также со значением сопротивления резистора регулятора напряжения R.Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше регулятор напряжения R и тем лучше характеристики регулирования напряжения.

Динамическое сопротивление стабилитрона зависит от рабочего тока. Чем больше рабочий ток, тем меньше динамическое сопротивление. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект регулирования напряжения, рабочий ток должен быть выбран правильно. Рабочий ток больше, чем можно эффективно уменьшить динамическое сопротивление, но не превышает максимально допустимый ток (или максимальную рассеиваемую мощность) диода.А рабочий ток и максимально допустимый ток для различных типов диодов можно найти в инструкции.

Стабильность стабилитрона также зависит от температуры. При изменении температуры изменяется и его стабильное напряжение, которое обычно выражается температурным коэффициентом стабильного напряжения.

а. Когда входное напряжение , является наименьшим, а ток нагрузки максимален, ток, протекающий через стабилитрон, минимален.При этом IZ не должно быть меньше IZmin, тем самым рассчитывая максимальное значение резистора стабилизации напряжения, а фактически выбранное сопротивление стабилизации напряжения должно быть меньше максимального значения, которое составляет

г. Когда входное напряжение наибольшее, а ток нагрузки , наименьший, ток, протекающий через стабилитрон, является наибольшим. В это время IZ не должно превышать IZmax , тем самым вычисляя минимальное значение сопротивления стабилизации напряжения.что составляет

(R _мин. макс. )

1,3 Символ стабилитрона

1,4 Вольт-амперная характеристика

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристическая кривая

Вольт-амперные характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода, за исключением того, что

(1) крутая обратная кривая пробоя

(2) работает при обратном пробое

Обычно используемые значения регулирования напряжения: 3.3 В, 3,6 В, 3,9 В, 4,7 В, 5,1 В, 5,6 В, 6,2 В, 15 В, 27 В, 30 В, 75 В

1,5 Типовая схема регулирования напряжения

Рисунок 2. Типовая схема регулирования

1.6 Влияние положительной и отрицательной последовательностей

1. В схеме усилителя мощности затвор G и источник S силовой лампы всегда последовательно соединены с стабилитроном, который защищает GS путем ограничения напряжение и предотвращает пробой изоляционного слоя между GS из-за слишком высокого напряжения.

2. Когда два диода соединены последовательно в обратном порядке, цепь, соединенная параллельно, может обеспечить защиту от перенапряжения. Когда в цепи повышено напряжение, сначала пробивается диод, что приводит к короткому замыканию.

Основная функция стабилитрона — стабилизация напряжения. Необходимо следить за тем, чтобы ток через резистор ограничения последовательного тока не превышал установленный предел. Если нет токоограничивающего резистора, он может обеспечить только единственную защиту от перенапряжения, и легко вызвать постоянный отказ в лавинном пробое, что приведет к короткому замыканию.Как правило, источник питания процессора можно подключить параллельно с стабилитроном, напряжение которого на 20% выше, чем его рабочее напряжение. Когда источник питания вызывает слишком высокое напряжение, стабилитрон имеет обратную проводимость, чтобы защитить ЦП от сгорания. Для нормальной работы достаточно только проверить блок питания и заменить стабилитрон.

Из вышеизложенного видно, что стабилитрон находится в пробое обратного тока, в пределах определенного диапазона тока (или в пределах определенного диапазона потерь мощности), напряжение на клеммах почти постоянно, что свидетельствует о характеристиках регулирования напряжения.Это предложение имеет два значения:

1) Диод стабилизации напряжения должен быть обратно включен в цепь.

2) Стабилитрон должен работать в определенном диапазоне (до стабильного текущего состояния) для стабилизации.

Чтобы понять, как работает стабилитрон, достаточно взглянуть на его обратные характеристики . Основная характеристика всех кристаллических диодов — однонаправленная проводимость.То есть добавление прямого напряжения включается, а обратное напряжение блокируется. Кроме того, добавляемое обратное напряжение не превышает обратного выдерживаемого напряжения диода, иначе стабилитрон сгорит. Но это еще не окончательный результат. Тест показал, что до тех пор, пока значение обратного тока ограничено (например, резистор установлен последовательно между диодом и источником питания), он не сгорит, хотя и сломан. Более того, было обнаружено, что после обратного пробоя диода ток резко уменьшился, а напряжение упало незначительно.Напряжение резко падало при уменьшении силы тока до определенного значения. Именно по этому принципу используется стабилитрон. И наиболее важным моментом при использовании стабилитрона является расчет его текущего значения.

Стабилитрон отличается тем, что после пробоя напряжение на нем остается практически неизменным. Таким образом, когда регулятор напряжения подключен к цепи, если напряжение в каждой точке схемы колеблется из-за колебаний напряжения источника питания или по другим причинам, напряжение на нагрузке останется практически неизменным.

3.1 Характеристики стабилитрона

Обычно нормальный диод с прямым проводом и обратным отсечением. Когда обратное напряжение, приложенное к диоду, превышает возможности диода, диод выходит из строя. Однако есть диод, прямая характеристика которого такая же, как у обычного диода, но обратная характеристика особенная: когда обратное напряжение прикладывается до определенной степени, хотя диод демонстрирует состояние пробоя, пропускается большой ток. , но он не поврежден, и это явление очень воспроизводимо.Напротив, пока диод находится в состоянии пробоя, хотя электричество, протекающее через трубку, сильно меняется, напряжение на диоде изменяется очень мало, чтобы стабилизировать напряжение. Это стабилитрон.

Типы стабилитронов: 2CW, 2DW и т. Д. Символ цепи показан ниже.

Характеристики стабилизации напряжения стабилитрона могут быть четко выражены кривой вольт-амперной характеристики, показанной на рисунке ниже.

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика

Стабилитрон работает, используя характеристику регулирования напряжения обратного пробоя. Поэтому стабилитрон включен в схему в обратном порядке. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется стабильным напряжением, и стабильное напряжение разных типов стабилитронов также отличается. Величина регулирования напряжения определенного типа стабилитрона фиксируется в определенном диапазоне.Например, значение регулирования 2CW11 составляет от 3,2 до 4,5 вольт, где один диод может иметь регулирование напряжения 3,5 В, а другой — 4,2 В.

В практических приложениях , если стабилитрон не выбран для соответствия требуемому требованию регулирования напряжения, можно выбрать стабилитрон с более низким напряжением регулирования. А затем один или несколько кремниевых диодов в качестве «подушек» могут быть подключены последовательно, чтобы повысить стабильность напряжения до требуемого значения. Это достигается за счет использования кремниевого диода с прямым падением напряжения 0.От 6 В до 0,7 В. Следовательно, диод должен быть подключен в прямом направлении цепи, что отличается от стабилитрона.

Стабилизация напряжения стабилитрона может быть выражена его динамическим сопротивлением r:

Рис. 4. Простая схема регулирования

Очевидно, что для того же изменения тока ΔI, чем меньше изменение напряжения ΔU на стабилитроне, тем меньше динамическое сопротивление и тем лучше рабочие характеристики стабилитрона.

Рисунок 5. Цепь регулирования

3.2 Колебания напряжения сети и колебания нагрузки

Для любой схемы регулирования характеристики регулирования напряжения следует исследовать с двух сторон:

а. колебания напряжения сети

г. изменение нагрузки

Стабилитрон

Когда напряжение сети увеличивается, входное напряжение Ui схемы регулирования напряжения увеличивается, а выходное напряжение Uo также увеличивается пропорционально.Поскольку Uo = Uz, согласно вольтамперным характеристикам стабилитрона, увеличение Uz приведет к резкому увеличению Idz, как и Ir, Ur резко возрастет с Ir одновременно, и увеличение Ur определенно будет уменьшить выходное напряжение Uo. Следовательно, пока параметры выбраны правильно, приращение напряжения на R может быть приблизительно равно приращению Ui, так что Uo по существу не изменяется. Краткое описание выглядит следующим образом:

Когда напряжение сети падает, изменение каждого значения противоположно описанному выше процессу.

Видно, что при изменении напряжения сети схема регулирования напряжения компенсирует изменение Ui изменением напряжения на токоограничивающем резисторе R, то есть ΔUr ≈ ΔUi, так что Uo не изменяется.

Когда сопротивление нагрузки RL уменьшается, то есть ток нагрузки IL увеличивается, Ir увеличивается, Ur также увеличивается, Uo неизбежно уменьшается, а Uz уменьшается. Согласно вольтамперным характеристикам стабилитрона падение Uz вызывает резкое уменьшение Idz.В результате Ir резко снижается. Если параметры выбраны правильно, ΔIdz≈-ΔIL можно сделать так, чтобы Ir по существу не изменился, так что Uo по существу не изменится. Краткое описание выглядит следующим образом:

Очевидно, что пока ΔIz ≈ — ΔIL сделано в цепи, Ir можно сделать практически неизменным, тем самым гарантируя, что Uo практически не изменится.

Таким образом, в цепи стабилизации напряжения, состоящей из стабилитрона, функция стабилизации тока стабилитрона используется для компенсации изменения напряжения или тока токоограничивающего резистора R для достижения цели стабилизации напряжения.Токоограничивающий резистор R не только ограничивает ток в стабилитроне до нормального режима работы, но также взаимодействует с стабилитроном для достижения цели регулирования напряжения.

После понимания принципа регулирования напряжения стабилитрона, вы должны понять его основные параметры:

Vz — ровное напряжение: это стабильное значение напряжения, генерируемое двумя концами стабилитрона при прохождении номинального тока.Это значение незначительно меняется в зависимости от рабочего тока и температуры. Из-за различий в производственном процессе значения стабилизации напряжения для одного и того же типа стабилитронов не совсем одинаковы.

Iz — постоянный ток: это значение тока, проходящего через диод, когда стабилитрон генерирует стабильное напряжение. Ниже этого значения, хотя стабилитрон может регулировать напряжение, эффект регулирования напряжения будет хуже; выше этого значения, пока не превышаются номинальные потери мощности, это разрешено, и характеристики регулирования напряжения будут лучше, но потребляется больше мощности.

Rz — динамическое сопротивление: это отношение изменения напряжения на диоде к изменению тока, и это соотношение зависит от рабочего тока. Как правило, чем больше ток, тем меньше динамическое сопротивление. Например, когда рабочий ток регулятора 2CW7C составляет 5 мА, Rz составляет 18 Ом; при рабочем токе 10 мА Rz составляет 8 Ом; когда он составляет 20 мА, Rz составляет 2 Ом, рабочий ток превышает 20 мА.

Pz — номинальная мощность: определяется допустимым превышением температуры микросхемы, и ее значение является произведением стабильного напряжения Vz и максимально допустимого тока Izm.

Ctv — температурный коэффициент напряжения: это параметр, показывающий, что стабильное значение напряжения зависит от температуры.

IR — обратный ток утечки. Он относится к току утечки, создаваемому стабилитроном при заданном обратном напряжении.

На следующем рисунке представлена ​​простая схема стабилизации напряжения, состоящая из кремниевого стабилитрона: кремниевый стабилизатор напряжения DW и нагрузка Rfz включены параллельно, а R1 — токоограничивающий резистор.

Рис. 6. Схема кремниевого стабилизирующего диода (a)

Схема кремниевого стабилитрона регулируется обратной пробойной характеристикой стабилитрона. Из-за крутой обратной характеристической кривой большое изменение тока вызовет только небольшое изменение напряжения.

Рис. 7. Схема кремниевого стабилизирующего диода (b)

Как регулируется эта схема? Если напряжение сети повышается, выходное напряжение Usr схемы выпрямителя также повышается, вызывая повышение напряжения нагрузки Usc .Поскольку стабилитрон DW подключен параллельно нагрузке Rfz , до тех пор, пока корень имеет небольшое увеличение, ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается, так что I1 также увеличивается, и падение напряжения на токоограничивающий резистор R1 увеличивается, тем самым компенсируя повышение Usr. сохраняет напряжение нагрузки Usc по существу неизменным. И наоборот, если напряжение в сети падает, вызывая падение Usr , так же как и Usc , ток в стабилитроне резко уменьшается, в результате чего I1 уменьшается, а падение напряжения на R1 уменьшается, тем самым смещая падение usr и поддержание нагрузки.Напряжение Usc практически не изменилось.

Если значение Usr, является постоянным и ток нагрузки увеличивается, падение напряжения на R1 увеличивается, вызывая падение напряжения нагрузки Usc . Как только Usc немного падает, ток в стабилитроне быстро уменьшается, уменьшая падение напряжения на R1 и сохраняя падение напряжения на R1 по существу постоянным, что стабилизирует напряжение нагрузки Usc .

Таким образом, стабилитрон действует как автоматическая регулировка тока. Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше токоограничивающее сопротивление и лучше стабильность выходного напряжения.

При использовании стабилитронов они не могут ограничить потенциал до идеального значения на основе ваших фактических требований. Например, следующая цифра:

Рисунок 8.Схема регулирования

После того, как внешний интерфейс получает сигнал, он усиливается операционным усилителем и затем вводится в АЦП микроконтроллера, и видна только выходная цепь:

Рисунок 9. Схема цепи регулирования (часть)

Конденсатор C17 является конденсатором выборки и хранения, а резистор R31 и стабилитрон D9 образуют схему регулирования напряжения. Если выходное напряжение больше 3.3 В, стабилитрон будет ограничивать его до 3,3 В. Однако это не так, у такого диода есть своя характеристическая кривая. Обратитесь к регулятору BZT52C3V3 на Kynix Semiconductor для замены регулятора 1N4728 в цепи на BZT52C3V3 :

Глядя на кривую C3V3 , можно увидеть, что когда ток стабилитрона равен 0, его напряжение составляет около 1.8 В, что означает, что когда сопротивление токоограничивающего резистора R31 в цепи бесконечно, ток, протекающий через стабилитрон, почти равен нулю, а выходное напряжение составляет около 1,8 В. Когда сопротивление резистора R31 невелико, ток, протекающий через диод, очень велик независимо от внутреннего сопротивления переднего выхода, а выходное напряжение может достигать от 3,5 В до 4,0 В. Очевидно, что в обоих случаях стабилитрон диоды не очень хорошо выполняют свои обязанности.

Когда входное напряжение меньше 3.3 В, выход и вход входного каскада стабилитрона остаются прежними. Когда входное напряжение внешнего интерфейса больше 3,3 В, стабилитрон выдает 3,3 В. Но на самом деле такого стабилитрона нет.

Предположим, что входное напряжение на приведенной выше принципиальной схеме равно Uo, напряжение стабилитрона равно Ui, сопротивление R31 равно R, а ток через диод равен i, можно получить формулу:

i = (Uo — Ui) / рэнд

Измените формулу на:

i = (-1 / R) * Ui + Uo / R

Это уравнение нанесено на характеристическую кривую стабилитрона:

Рисунок 12.Характеристики пробоя стабилитрона (в)

Перехватчик уравнения равен Uo / R , что соответствует току при коротком замыкании регулятора напряжения. Пересечение уравнения и оси X составляет Ui = Uo . Фокус этой линии и кривой C3V3 является рабочей точкой стабилитрона. Но это уравнение не было определено, потому что значения Uo и R не фиксированы. Мы знаем, что с входным напряжением внешнего интерфейса работает операционный усилитель. Рабочее напряжение операционного усилителя составляет 5 В, поэтому выходное напряжение операционного усилителя не превышает 5 В, поэтому мы предполагаем, что диапазон Uo находится в пределах от 0 до 5 В.

Потому что опорное напряжение AD части системы микроконтроллера составляет 3,3 В. Если вы надеетесь, что выходное напряжение стабилитрона не превышает 3,3 В, необходимо сохранить пересечение приведенного выше уравнения и характеристической кривой не более 3,3 В, предполагая, что напряжение в точке пересечения составляет 3,3 В. В настоящее время ток через стабилитрон составляет 5 мА, когда наше уравнение просто проходит через эту точку:

Рисунок 13. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

Выходное напряжение стабилитрона равно 3.3V, и мы называем эту точку точкой отсчета. Если пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Если пересечение уравнения и кривой находится выше контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона больше 3,3 В, что повлияет на микроконтроллер и даже сгорит.

Рисунок 14. Характеристики пробоя стабилитрона (д)

Выходное напряжение выше 3.3В ненормально. В нормальном состоянии напряжение, передаваемое операционным усилителем, меньше или равно 3,3 В, и нам нужно, чтобы выходное напряжение Uo операционного усилителя и выходное напряжение стабилитрона были меньше 3,3 В, то есть Uo = Ui. Когда входное напряжение операционного усилителя меньше или равно 3,3 В, пересечение уравнения и оси X составляет Ui≤3,3 В. В это время пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки, потому что уравнение не может быть вертикальным.Ui на перекрестке меньше 3,3 В, что означает, что выход нашего операционного усилителя составляет 3,3 В, а выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Это вызывает искажение сигнала, то есть входной и выходной сигнал несовместимы. Это абсолютно недопустимо в системе, потому что различное напряжение указывает на изменение соответствующего измеренного значения.

Итак, что нам делать, если возникла эта проблема? Мы только что обнаружили, что пересечение характеристической кривой и оси X соответствует не Ui = 0 , а Ui = 1.8В . В это время, когда напряжение, передаваемое нашим операционным усилителем, меньше 1,8 В, значения Uo и Ui одинаковы. Другими словами, искажения сигнала не происходит:

Рисунок 15. Характеристики пробоя стабилитрона (f)

Видно, что пересечение уравнения и кривой всегда находится на оси X, что составляет Ui = Uo . Но диапазон уменьшен, от 0 до 3,3В до 1,8В, снижена точность обнаружения АЦ, для устойчивости системы нужен стабилитрон.Конечно, если вы выберете стабилитрон с лучшей характеристической кривой (более дорогой). В это время пересечение характеристической кривой стабилитрона и оси X может составлять 2,0 В или более.

Мы можем наблюдать характеристическую кривую, чтобы увидеть характеристическую кривую C3V9 лампы Зенера на 3,9 В. Ui на пересечении с осью X составляет около 3 В. Когда ток стабилитрона составляет около 1 мА, Ui составляет около 3,3 В, для регулирования напряжения можно использовать регулятор напряжения 3,9 В.Уравнение выглядит следующим образом:

Рисунок 16. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

При нормальных условиях , выходное напряжение операционного усилителя находится в диапазоне 3,3 В, а пересечение уравнения и кривой находится на оси X, как показано на красной линии ниже. Когда значение превышает 3,3 В, чтобы гарантировать, что пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, нам необходимо уменьшить наклон уравнения так, чтобы пересечение уравнения и кривой удовлетворяло Ui ≤ 3.3V, а наклон уравнения равен (-1 / R). Чтобы уменьшить наклон, нужно увеличить значение R, то есть мы можем использовать трубку регулятора 3,9 В для увеличения сопротивления R31. Примерно мы можем видеть, что когда Ui = 3,3 В, i составляет около 1 мА, мы вносим эту точку в уравнение:

1 мА = -3,3 / R + Uo / R

Когда Uo принимает максимальное значение 5 В, рассчитывается R = 1700 Ом. То есть, когда R больше или равно 1700 Ом, а Uo меньше или равно 5 В, пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки.В то же время наш неискаженный диапазон напряжения составляет от 0 до 3 В, что намного больше, чем от 0 до 1,8 В при использовании стабилитрона на 3,3 В.

1. Обратите внимание на разницу между обычным диодом и стабилитроном. Многие обычные диоды, особенно стеклянные трубки, имеют схожий цвет или форму по сравнению с диодами Зенера. Если вы не будете их различать внимательно, вы воспользуетесь ими неправильно.Разница заключается в следующем: судя по форме, многие стабилитроны имеют цилиндрическую форму, короткие и толстые, а общий диод — тонкий; Глядя на знак, внешняя поверхность стабилитрона отмечена значением регулятора напряжения, например 5V6, что указывает на то, что значение стабилизации напряжения составляет 5,6 В. Используйте мультиметр для измерения напряжения в соответствии с однонаправленной проводимостью, используя блок X1K для определения положительной и отрицательной полярности проверяемого диода, затем с помощью блока X10K, черную ручку для подключения к отрицательному полюсу диода и красная ручка подключена к положительному полюсу диода.Если значение обратного сопротивления велико, можно использовать обычный диод. Если значение обратного сопротивления становится небольшим, это стабилитрон.

2. Обратите внимание на разницу между прямой и обратной проводимостью стабилитронов. Когда стабилитрон используется для прямой проводимости, он в основном такой же, как и нормальный диод, и напряжение на обоих концах после прямой проводимости в основном постоянное, около 0,7 В. Теоретически стабилитрон также можно использовать в прямом направлении, но его значение регулирования напряжения будет ниже 1 В, а характеристики регулирования напряжения будут плохими.Как правило, характеристика прямой проводимости стабилитрона используется не только для стабилизации, но и с характеристиками обратного пробоя для регулирования. Значение напряжения обратного пробоя является регулируемым. Иногда два стабилитрона используются последовательно, один использует свою прямую характеристику, а другой использует обратную характеристику для регулирования и температурной компенсации для улучшения регулирования напряжения.

3. Обратите внимание на эффект , токоограничивающего резистора и влияние сопротивления.В схеме стабилизатора напряжения на стабилитроне резистор R обычно включен последовательно. Этот резистор действует как ограничитель тока в цепи и улучшает эффект регулирования напряжения. Если резистор не применяется, когда R = 0, стабилитрон легко выгорит, что приведет к чрезвычайно плохому эффекту регулирования напряжения. Чем больше сопротивление токоограничивающего резистора, тем лучше будет регулировка напряжения схемы, но разница входного и выходного напряжения будет слишком большой, а потребляемая мощность будет больше.

4. Обратите внимание на разницу в напряжении и между входом и выходом. При нормальном использовании выходное напряжение схемы стабилизатора напряжения на стабилитроне равно значению стабилизации напряжения на обоих концах после обратного пробоя. Если значение напряжения, входящее в схему регулятора напряжения, меньше, чем напряжение регулятора напряжения, схема потеряет регулирование напряжения, только когда оно больше номинального значения, будет действовать эффект регулирования напряжения, и чем больше разница напряжений , тем больше должно быть сопротивление токоограничивающего резистора, иначе трубка регулятора напряжения будет повреждена.

5. Стабилитроны можно использовать в серии . После того, как несколько серий регуляторов напряжения соединены последовательно, можно получить множество различных значений регулирования напряжения, так что последовательное соединение является более распространенным. В следующем примере показано, как получить значение стабилизации напряжения после того, как они используются последовательно. Если значение стабилизации напряжения стабилитрона составляет 5,6 В, другое значение стабилизации напряжения составляет 3,6 В, а напряжение стабилитрона напряжения равно 0.7 В, после последовательного подключения есть четыре различных значения регулирования напряжения.

6. Стабилитроны обычно не используются параллельно . После того, как несколько стабилитронов подключены параллельно, значение регулирования будет определяться самым низким из них (включая значение напряжения после прямой проводимости). В качестве примера возьмем два регулятора напряжения, чтобы проиллюстрировать метод расчета значения регулирования напряжения. После двух параллельных подключений есть четыре случая, а значение регулирования напряжения равно только двум.Стабилитроны не используются параллельно, если не указано иное.

Часто задаваемые вопросы о принципе работы стабилитрона

1. Для чего нужен стабилитрон? Стабилитроны
используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничителей. Напряжение нагрузки равно напряжению пробоя VZ диода. Последовательный резистор ограничивает ток через диод и снижает избыточное напряжение, когда диод проводит.

2. Каковы характеристики стабилитрона? Стабилитроны
более легированы, чем обычные диоды. У них очень тонкая область истощения. Когда мы прикладываем напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона (может варьироваться от 1,2 до 200 вольт), область обеднения исчезает, и через переход начинает течь большой ток.

3. Почему стабилитрон имеет обратное смещение?
При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон становится проводящим, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода.С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.

4. Что такое эффект Зенера и эффект лавины?
Зенера и лавинный эффект могут возникать одновременно или независимо друг от друга. Как правило, пробои диодного перехода при напряжении ниже 5 вольт вызваны эффектом стабилитрона, тогда как пробои при напряжении более 5 вольт вызваны лавинным эффектом.

5. Что такое лавинный пробой и пробой Зенера?
Пробой, который происходит из-за столкновения электронов внутри PN-перехода, называется лавинным пробоем, тогда как пробой Зенера происходит, когда сильное электрическое поле прикладывается к PN-переходу…. Потому что механизм пробоя стабилитрона происходит в сильно легированной области.

6. Что произойдет, если стабилитрон смещен в прямом направлении?
Стабилитрон похож на сигнальный диод общего назначения. При смещении в прямом направлении он ведет себя так же, как обычный сигнальный диод, но когда на него подается обратное напряжение, напряжение остается постоянным для широкого диапазона токов. … Обратное напряжение может увеличиваться до тех пор, пока не достигнет напряжения пробоя диода.

7.Как рассчитать ток стабилитрона?
3SMAJ5927B — стабилитрон на 12 В в корпусе 3 Вт. Это ток колена, ток пробоя или минимальный ток 0,25 мА. Максимальный ток рассчитывается делением номинальной мощности на напряжение стабилитрона: I = P / V = ​​3 Вт / 12 В = 0,25 А.

8. Обратим ли пробой стабилитрона?
Лавинный пробой необратим, а пробой Зенера обратим. Лавинный пробой происходит из-за столкновения ускоренных носителей заряда с соседними атомами и из-за размножения носителей.

9. Можно ли использовать стабилитрон в качестве выпрямителя?
Стабилитрон состоит из p-n-перехода, но сильно легирован по сравнению с обычным диодом. В результате он может выйти из строя, не повредившись. И только благодаря этому свойству стабилитрон используется как регулятор напряжения в электронных схемах. Фактически, стабилитроны никогда не используются для выпрямления.

10. Что такое идеальный стабилитрон?
В идеальном диоде ток вообще не проходит, когда напряжение меньше нуля: диод полностью предотвращает обратный ток.Для небольшого положительного напряжения («прямое смещение» или иногда «прямое напряжение») может протекать крошечный ток, а очень большой ток будет превышать заданный порог.

Вам также может понравиться

Лавинный фотодиод

Физические карты и символы диодов

Учебное пособие по основам работы со светодиодами

Функция и принцип действия диода

Принцип работы стабилитрона и определение положительного и отрицательного полюсов

Альтернативные модели