Kdy se používají parametrické stabilizátory napětí?

Dobrý den. Dnes je můj příspěvek o stabilizátory napětí. co to je? Za prvé, jakýkoli elektronický obvod vyžaduje ke své činnosti zdroj energie. Napájecí zdroje jsou různé: stabilizované a nestabilizované, stejnosměrné a střídavé, pulzní a lineární, rezonanční a kvazirezonanční. Tato široká rozmanitost je způsobena různými obvody, ze kterých budou elektronické obvody pracovat. Níže je uvedena srovnávací tabulka mezi napájecími obvody.

Chcete-li sestavit radioelektronické zařízení, můžete si předem vyrobit sadu DIY KIT pomocí odkazu.

Index	Lineární napájení	Spínaný zdroj
Stát	Nízká	Vysoký
Hmotnost	Velké	Malé
HF šum	Ne	vysoký
Účinnost	35 – 50%	70 – 90%
Několik východů	Ne	K dispozici je

Pro napájení elektronických obvodů, které nevyžadují vysokou stabilitu stejnosměrného napájecího napětí nebo vysoký výstupní výkon, je vhodné použít jednoduché, spolehlivé a levné lineární zdroje napětí. Základem každého lineárního zdroje napětí je parametrický stabilizátor napětí. Základem takových zařízení je prvek s nelineární charakteristikou proud-napětí, u kterého napětí na elektrodách málo závisí na proudu procházejícím prvkem. Jedním z těchto prvků je zenerova dioda.

Zenerova dioda je speciální skupina diod, jejichž pracovní režim je charakterizován zpětnou větví proudově-napěťové charakteristiky v oblasti průrazu. Podívejme se blíže na proudově-napěťovou charakteristiku diody.

Proudově-napěťová charakteristika diody

Princip činnosti zenerovy diody

Když je dioda zapnuta v propustném směru (anoda – „+“, katoda – „-“), začne volně procházet proud při napětí U_póry, a pouze při zapnutí v opačném směru (anoda – „–“, katoda – „+“) proud I_arr, který má hodnotu několika μA. Pokud zvýšíte zpětné napětí U_arr na diodě až po určitou hodnoty U_arr.max Dojde k elektrickému průrazu diody a pokud je proud dostatečně vysoký, dojde k tepelnému průrazu a dioda selže. Diodu lze vyrobit tak, aby pracovala v oblasti elektrického průrazu omezením proudu, který diodou prochází (průrazné napětí pro různé diody je 50 – 200 V).

Zenerova dioda je navržena tak, že její charakteristika proudového napětí v oblasti průrazu je vysoce lineární a průrazné napětí je zcela konstantní. Můžeme tedy říci, že stabilizace napětí zenerovou diodou se provádí během jejího provozu na zpáteční větvi voltampérové ​​charakteristiky, v oblasti přímá pobočka Zenerova dioda se chová podobně jako obyčejná dioda. Zenerova dioda je označena následovně

Označení Zenerovy diody

Základní parametry zenerovy diody

Zvažte hlavní Parametry Zenerovy diody podle jeho proudově napěťové charakteristiky.

Voltampérová charakteristika zenerovy diody

Stabilizační napětí U_umění. určeno napětím na zenerově diodě při průtoku stabilizační proud I_umění.. V současné době se vyrábí zenerovy diody se stabilizačním napětím od 0,7 do 200 V.

Maximální přípustný konstantní stabilizační proud I_st.max omezená hodnotou maximální povolený ztrátový výkon P_max, což zase závisí na okolní teplotě.

Minimální stabilizační proud I_st.min je určena minimální hodnotou proudu zenerovou diodou, při které je ještě plně zachována provozuschopnost zařízení. Mezi hodnotami I_st.max a já_st.min Proudově napěťová charakteristika zenerovy diody je nejvíce lineární a stabilizační napětí se mírně mění.

Diferenční odpor r Zenerovy diody_ST – hodnota určená poměrem přírůstku stabilizačního napětí na zařízení ΔU_CT na malý nárůst stabilizačního proudu Δi, který to způsobil_CT.

Zenerova dioda zapojená v propustném směru, jako běžná dioda, je charakterizována hodnotami konstantní propustné napětí U_пр и maximální přípustný stejnosměrný proud I_{např. max}.

Parametrický stabilizátor

Základní obvod pro připojení zenerovy diody, což je obvod parametrický stabilizátor, stejně jako zdroj referenčního napětí v jiných typech stabilizátorů je uveden níže.

Obvod připojení Zenerovy diody

Tento obvod je dělič napětí sestávající z předřadný odpor R1 a zenerova dioda VD, paralelně ke kterému je připojen zatěžovací odpor R_Н. Takový stabilizátor napětí zajišťuje stabilizaci výstupního napětí při změně napájecího napětí U_П a zatěžovací proud I_Н.

Zvážit pracovní princip tohoto schématu. Zvýšení napětí na vstupu stabilizátoru vede ke zvýšení proudu, který prochází rezistorem R1 a zenerovou diodou VD. Díky své proudově napěťové charakteristice se napětí na zenerově diodě VD prakticky nezmění, a proto se napětí na zátěžovém odporu R_н Stejný. Tedy téměř celá změna napětí bude aplikována na rezistor R1. Je tedy celkem snadné vypočítat potřebné parametry obvodu.

Výpočet parametrického stabilizátoru.

Výchozí údaje pro výpočet pro výpočet nejjednoduššího parametrického stabilizátoru napětí jsou:

vstupní napětí U0;

výstupní napětí U1 =U_st – stabilizační napětí;

Vezměte například následující údaje: U0 = 12 V, U1 = 5 V, I_H = 10 mA = 0,01 A.

1. Na základě stabilizačního napětí vyberte zenerovu diodu typu BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 V, diferenční odpor r_st = 10 Ohmů).

2. Určete požadovaný odpor předřadníku R1:

3. Určete stabilizační koeficient:

4. Určete účinnost

Zvýšení výkonu parametrického stabilizátoru

Maximální výstupní výkon nejjednoduššího parametrického stabilizátoru napětí závisí na hodnotách I_st.max a P_max Zenerova dioda. Výkon parametrického stabilizátoru lze zvýšit, pokud je jako regulační součástka použit tranzistor, který bude fungovat jako stejnosměrný zesilovač.

Paralelní stabilizátor

Obvod PSN s paralelním zapojením tranzistoru

Obvod je emitorový sledovač, zatěžovací odpor R je zapojen paralelně s tranzistorem VT_H. Předřadný odpor R1 může být začleněn jak do obvodu kolektoru, tak i emitoru tranzistoru. Napětí zátěže je

Schéma funguje následovně. Jak se zvyšuje proud přes rezistor R_Ha podle toho napětí (U1 = U_CT) na výstupu stabilizátoru se zvyšuje napětí báze-emitor (U)._EB) a kolektorový proud I_K, protože tranzistor pracuje v oblasti zesílení. Zvýšení kolektorového proudu vede ke zvýšení úbytku napětí na předřadném rezistoru R1, který kompenzuje zvýšení napětí na výstupu stabilizátoru (U1 = U_CT). Od současného I_ST Zenerova dioda je také základním proudem tranzistoru, je zřejmé, že zatěžovací proud v tomto obvodu může být v h_21e krát více než v nejjednodušším obvodu parametrického stabilizátoru. Rezistor R2 zvyšuje proud zenerovou diodou a zajišťuje její stabilní provoz při maximální hodnotě koeficientu h21e, minimálním napájecím napětí U0 a maximálním zatěžovacím proudu I_Н.

Koeficient stabilizace bude roven

kde R_VT – vstupní impedance emitorového sledovače

kde R_e a R._b – odpor emitoru a báze tranzistoru.

Odpor R_e závisí výrazně na proudu emitoru. Když se proud emitoru snižuje, odpor R_e se rychle zvyšuje a to vede ke zvýšení R_VT, což zhoršuje stabilizační vlastnosti. Snižte hodnotu R_e možné díky použití výkonných tranzistorů nebo kompozitních tranzistorů.

Sériový regulátor

Parametrický stabilizátor napětí, jehož schéma je uvedeno níže, je emitorový sledovač na tranzistoru VT se zatěžovacím odporem R zapojeným do série_H. Zdrojem referenčního napětí v tomto obvodu je zenerova dioda VD.

Obvod PSN se sériovým zapojením tranzistoru

Výstupní napětí stabilizátoru:

Schéma funguje následovně. Jak se zvyšuje proud přes rezistor R_Ha podle toho napětí (U1 = U_ST) na výstupu stabilizátoru klesá odblokovací napětí UEB tranzistoru a klesá jeho bázový proud. To vede ke zvýšení napětí na přechodu kolektor-emitor, v důsledku čehož výstupní napětí zůstává prakticky nezměněno. Optimální hodnotu proudu referenční zenerovy diody VD určuje odpor rezistoru R2 připojeného k napájecímu obvodu U0. Při konstantním vstupním napětí U0 je proud báze tranzistoru I_B a stabilizační proud spolu souvisí vztahem I_B + I_ST = konst.

Koeficient stabilizace obvodu

kde R_k – kolektorový odpor bipolárního tranzistoru.

Parametrický stabilizační koeficient stabilizátoru napětí lze výrazně zvýšit zavedením samostatného pomocného zdroje s U’0 > U1 do jeho obvodu a použitím kompozitního tranzistoru.

Obvod PSN s kompozitním tranzistorem a zenerovou diodou napájení ze samostatného zdroje napětí

Teorie je dobrá, ale je potřeba si to vše prakticky vyzkoušet MŮŽETE VYZKOUŠET ZDE

Parametrický stabilizátor napětí je zařízení, ve kterém je stabilizace výstupního napětí dosaženo díky silné nelinearitě proudově-napěťových charakteristik elektronických součástek použitých k sestavení stabilizátoru (tj. kvůli vnitřním vlastnostem elektronických součástek, bez konstrukce speciálního napětí). regulační systém).

K sestavení parametrických stabilizátorů napětí se obvykle používají zenerovy diody, stabistory a tranzistory.

Tyto stabilizátory se pro svou nízkou účinnost používají především v slaboproudých obvodech (se zátěží do několika desítek miliampérů). Nejčastěji se používají jako zdroje referenčního napětí (například v obvodech kompenzačních stabilizátorů napětí).

Parametrické stabilizátory napětí jsou jednostupňové, vícestupňové a můstkové.

Podívejme se na nejjednodušší parametrický stabilizátor napětí, postavený na bázi zenerovy diody (schéma je uvedena níže):

1. Ist – proud zenerovou diodou
2. In — zátěžový proud
3. Uout=Ust – výstupní stabilizované napětí
4. Uin – vstupní nestabilizované napětí
5. R – předřadný (omezovací, zhášecí) odpor

Činnost stabilizátoru je založena na vlastnosti zenerovy diody, že v pracovním úseku proudově-napěťové charakteristiky (od Ist min do Ist max) se napětí na zenerově diodě prakticky nemění (ve skutečnosti se samozřejmě se mění z Ust min na Ust max, ale můžeme předpokládat, že Ust min = Ust max = Ust).

Ve výše uvedeném obvodu se při změně vstupního napětí nebo proudu zátěže napětí na zátěži prakticky nemění (zůstává stejné jako na zenerově diodě), místo toho se změní proud zenerovou diodou (pokud se změní vstupní napětí , proud přes předřadný odpor také). Tzn., že přebytečné vstupní napětí je potlačeno předřadným rezistorem, velikost úbytku napětí na tomto rezistoru závisí na proudu jím procházejícím a proud jím prochází mimo jiné na proudu zenerovou diodou, a tedy ukazuje se, že změnou proudu zenerovou diodou se reguluje velikost úbytku napětí na předřadném rezistoru.

Rovnice popisující činnost tohoto obvodu:

Uin=Ust+IR, vezmeme-li v úvahu, že I=Ist+In, dostaneme

Pro normální činnost stabilizátoru (aby napětí na zátěži bylo vždy v rozsahu od Ust min do Ust max) je nutné, aby proud zenerovou diodou byl vždy v rozsahu od Ist min do Ist max. Minimální proud zenerovou diodou poteče při minimálním vstupním napětí a maximálním zatěžovacím proudu. Když to víme, najdeme odpor předřadného odporu:

R=(Uin min-Ust min)/(In max+Ist min) (2)

Maximální proud zenerovou diodou poteče při minimálním zatěžovacím proudu a maximálním vstupním napětí. Vezmeme-li v úvahu toto a to, co bylo řečeno výše ohledně minimálního proudu zenerovou diodou, pomocí rovnice (1) můžete najít oblast normálního provozu stabilizátoru:

Přeskupením tohoto výrazu dostaneme:

Pokud předpokládáme, že minimální a maximální stabilizační napětí (Ust min a Ust max) se mírně liší, pak lze první člen na pravé straně považovat za rovný nule, pak rovnice popisující oblast normální činnosti stabilizátoru, bude mít následující podobu:

Z tohoto vzorce je okamžitě patrná jedna z nevýhod takového parametrického stabilizátoru – nemůžeme příliš měnit proud zátěže, protože to zužuje rozsah vstupního napětí obvodu, navíc můžete vidět, že rozsah změn zátěže proud nemůže být větší než rozsah změn stabilizačního proudu zenerovy diody (protože v tomto případě je pravá strana rovnice obecně záporná)

Pokud je zatěžovací proud konstantní nebo se mírně mění, pak se vzorec pro určení oblasti normálního provozu stává zcela elementárním:

Dále spočítejme účinnost našeho parametrického stabilizátoru. Bude určena poměrem výkonu dodávaného do zátěže k příkonu příkonu: účinnost = Ust*In/Uin*I. Pokud vezmeme v úvahu, že I=In+Ist, dostaneme:

Z posledního vzorce je zřejmé, že čím větší je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím a čím větší je proud zenerovou diodou, tím horší je účinnost.

Abychom pochopili, co znamená „horší“ a jak špatná je obecně účinnost tohoto stabilizátoru, pokusme se pomocí výše uvedených vzorců odhadnout, co se stane, pokud snížíme napětí, řekněme, z 6-10 voltů na 5. Vezměme si nejběžnější zenerovu diodu, řekněme KS147A. Jeho stabilizační proud se může pohybovat od 3 do 53 mA. Abychom získali oblast normálního provozu o šířce 4 V s takovými parametry zenerovy diody, musíme vzít předřadný odpor 80 Ohm (použijeme vzorec 4, jako bychom měli konstantní zátěžový proud, protože pokud toto není, pak bude vše ještě horší). Nyní ze vzorce 2 můžeme přesně vypočítat, s jakým zatěžovacím proudem můžeme v tomto případě počítat. Výsledkem je pouhých 19,5 mA a účinnost se v tomto případě bude v závislosti na vstupním napětí pohybovat od 14 % do 61 %.

Pokud pro stejný případ vypočítáme, s jakým maximálním výstupním proudem můžeme počítat, za předpokladu, že výstupní proud není konstantní, ale může se měnit od nuly do Imax, pak společným řešením soustav rovnic (2) a (3) získáme R=110 Ohm, Imax = 13,5 mA. Jak vidíte, maximální výstupní proud byl téměř 4krát menší než maximální proud zenerovy diody.

Navíc výstupní napětí získané z takového stabilizátoru bude mít značnou nestabilitu v závislosti na výstupním proudu (u KS147A v pracovní části charakteristiky proud-napětí se napětí mění z 4,23 na 5,16 V), což může být nepřijatelné. Jediným způsobem, jak v tomto případě bojovat s nestabilitou, je vzít užší pracovní úsek charakteristiky proud-napětí – takový, ve kterém se napětí nemění z 4,23 na 5,16 V, ale řekněme ze 4,5 na 4,9 V, ale v tomto případě provozní proud Zenerova dioda již nebude 3..53mA, ale řekněme 17..40mA. V souladu s tím se již tak malá oblast normálního provozu stabilizátoru ještě zmenší.

Jedinou výhodou takového stabilizátoru je tedy jeho jednoduchost, nicméně jak jsem již řekl, takové stabilizátory existují a jsou dokonce aktivně využívány jako zdroje referenčního napětí pro složitější obvody.

Nejjednodušším obvodem, který umožňuje získat výrazně vyšší výstupní proud (nebo výrazně širší rozsah běžného provozu, nebo obojí), je parametrický stabilizátor na tranzistoru.

Líbil se vám článek? Sdílej se svými přáteli!