Интернет-магазин шкур и ковров
Продажа ковров ручной работы Новости и курьезы о коврах
sanamcarpet.com
Антирадар Whistler XTR 185. Антирадар crunch 2110 отзывы .
i-radar.ru
Продажа участков земли Киевское шоссе
p-vechera.ru

Стабилитрон

1618
0
18 мая 2009
Если мы включим диод и резистор последовательно с источником напряжения постоянного тока таким образом, чтобы диод был прямосмещён, то падение напряжения на диоде будет фактически постоянным в широком диапазоне напряжения питания (см. рисунок ниже (a)).

Согласно "уравнению диода", ток прямосмещённого p-n-перехода пропорционален константе e, возведённой в степень, соответствующую значению прямого падения напряжения. Поскольку в данном случае мы имеем дело с функцией экспоненциального типа, возрастание тока будет значительным даже при небольшом увеличении падения напряжения. Иными словами, изменение падения напряжения на прямосмещённом диоде будет небольшим в широком диапазоне изменения тока диода. В схеме на рисунке (a) ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательно включённым резистором, и падением напряжения на диоде, которое как мы знаем, примерно равно 0,7 вольта. Если напряжение источника питания будет увеличено на некоторую величину, то падение напряжения на резисторе увеличится практически на ту же величину, а падение напряжения на диоде увеличится лишь незначительно. При уменьшении напряжения источника питания произойдёт падение напряжения на резисторе на ту же величину, но лишь незначительное уменьшение падения напряжения на диоде. Можно сделать вывод, что диод управляет падением напряжения примерно на уровне 0,7 вольт.

Стабилизация напряжения - одно из полезных свойств диода. Предположим, что нам необходимо собрать схему, которая не способна выдерживать изменений напряжения питания, но должна работать от химической аккумуляторной батареи, напряжение которой меняется в ходе её эксплуатации. Мы могли бы интегрировать в нашу схему показанную схему с диодом, так чтобы напряжение нашей схемы составляло постоянные 0,7 В.

Такая схема была бы вполне работоспособной, однако чаще всего на практике для корректной работы схемы требуется напряжение большее чем 0,7 В. Одним из способов увеличения стабилизированного напряжения является последовательное включение нескольких диодов, при этом отдельные величины падения напряжения 0,7 В сложатся в более высокое общее значение. Например, при последовательном включении десяти диодов, стабилизированное напряжение составит 7 вольт (см. рисунок ниже).

03284_show.png

Прямосмещённый кремниевый диод: (a) один диод, 0,7 В, (b) 10 последовательных диодов, 7,0 В

До тех пор пока напряжение батареи не упадёт до уровня ниже 7 вольт, падение напряжения в цепи из десяти диодов будет составлять примерно 7 вольт.

Если требуется более высокое стабилизированное напряжение, то можно использовать большее количество последовательно включённых диодов, или применить фундаментально противоположный подход. Известно, что прямое напряжение диода представляет собой фактически постоянную величину в широком диапазоне значений тока, однако то же самое касается и напряжения обратного пробоя, причём напряжение пробоя гораздо выше прямого напряжения диода. Если сменить полярность диода в нашей схеме диодного стабилизатора и увеличить напряжение питания до величины "пробоя" (точки, когда он больше не сможет выдерживать поданное на него напряжение обратного смещения), то диод также будет стабилизировать напряжение, не позволяя ему подняться выше уровня пробоя (см. рисунок ниже (a)).

03285_show.png

(a) Пробой обратносмещённого кремниевого диода, рассчитанного на малый сигнал, происходит при напряжении примерно 100 В. (b) Условное обозначение стабилитрона

К сожалению, пробой стандартного выпрямляющего диода приводит к его выходу из строя. Тем не менее существует возможность создания диода особого типа, способного выдерживать напряжения пробоя без выхода из строя. Диод такого типа называется стабилитроном (или диодом Зенера), а его условное обозначение показано на рисунке выше (b).

В прямосмещённом режиме, стабилитроны работают подобно стандартным выпрямляющим диодам: падение прямого напряжения определяется "уравнением диода" и равняется примерно 0,7 В. В обратносмещённом режиме они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод будет проводить значительный ток, и будет ограничивать напряжение до уровня напряжения стабилитрона. До тех пор пока рассеиваемая мощность не превышает определённых температурных пределов, диод не будет повреждён.

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сот вольт. Напряжение стабилизации изменяется при изменении температуры, и, как и в случае номиналов углеродистых резисторов, может отличаться на 5-10% от значений, указанных производителем. Однако, подобная стабильность и точность достаточна для использования стабилитронов в качестве стабилизаторов напряжения в схемах, подобной изображённой на рисунке ниже.

03287.png

Схема стабилизатора на диоде Зенера, напряжение стабилизации 12,6 В

Обратите внимание на расположение стабилитрона на вышеприведённой схеме: диод обратносмещён, причём намеренно. Если бы мы расположили диод "обычным" способом, так чтобы он был смещён в прямом направлении, то падение напряжения на нём составляло бы 0,7 В, как и у обычного выпрямляющего диода. Если мы хотим использовать свойства обратного пробивного напряжения диода, то его необходимо включать в обратносмещённом режиме. Пока напряжение питания остаётся выше напряжения стабилитрона (в нашем примере 12,6 вольт), падение напряжения на диоде Зенера будет равно примерно 12,6 В.

Как и любой другой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Слишком высокая температура выведет стабилитрон из строя, а поскольку он одновременно проводит ток и на нём падает напряжение, то на нём также создаётся тепловая энергия согласно закону Джоуля-Ленца (P=IE). Следовательно, при проектировании стабилизаторов подобного типа необходимо учитывать возможное превышение максимальной рассеиваемой мощности диода. Примечательно то, что при выходе стабилитронов из стоя из-за избыточной рассеиваемой мощности, это обычно происходит в замкнутом положении. Диод вышедший из строя легко обнаружить: в обоих направлениях на нём практически не будет происходить падения напряжения, как это было бы в случае обычного отрезка кабеля.

Давайте разберём работу схемы стабилизатора с математической стороны, то есть определим все величины напряжения, тока и рассеиваемой мощности. Взяв за основу показанную выше схему, проведём необходимые вычисления, при условии, что напряжение стабилитрона равно 12,6 В, напряжение питания - 45 В, а номинал резистора - 1000 Ом (будем считать, что напряжение стабилитрона составляет точно 12,6 В, чтобы не квалифицировать все значения как приблизительные).

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 В, а напряжение питания 45 В, то напряжение на резисторе будет равно 32,4 В (45 В - 12,6 В = 32,4). Напряжение 32,4 В на резисторе 1000 Ом даёт ток схемы 32,4 мА (см. рисунок ниже ниже (b)).

03289_show.png

(a) Стабилизатор на диоде Зенера с резистором 1000 Ом. (b) Вычисление напряжения и тока

Мощность находится посредством умножения тока на напряжение (P=IE), поэтому расчёт рассеиваемой мощности резистора и стабилитрона не представляет никаких трудностей:

13049.png

Следовательно, в схеме вполне можно использовать стабилитрон с номинальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт и резистор рассчитанный на 1,5-2 Вт.

Если избыточная рассеиваемая мощность может вывести схему из строя, то почему бы не собрать схему с как можно более низким количеством рассеиваемой мощности? Например, можно использовать резистор с очень высоким номиналом, что позволит значительно ограничить ток и поддерживать величину рассеиваемой мощности на очень низком уровне. В нашем случае можно использовать резистор 100 кОм. Следует отметить, что как напряжение питания, так и напряжение стабилитрона на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

03290.png

Стабилизатор на диоде Зенера с резистором 100 кОм

Теперь ток схемы будет в сто раз меньше (324 мкА), а соответственно и рассеиваемая мощность должна быть в 100 раз меньше.

13050.png

Звучит неплохо. Меньшая рассеиваемая мощность означает меньшую рабочую температуру диода и резистора, а следовательно, и меньшие потери энергии. Резистор с более высоким номиналом сокращает рассеиваемую мощность, но к сожалению создаёт другую проблему. Следует помнить, что назначение стабилизатора - обеспечивать стабильное напряжения для другой схемы. Другими словами, мы должны подавать питание 12,6 на другую схему, которая также потребляет ток. Посмотрите на показанную ниже схему, на которой нагрузка 500 Ом соединена параллельно со стабилитроном.

03291_show.png

Стабилизатор на диоде Зенера с резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается напряжение 12,6 В, то нагрузка будет потреблять 25,2 мА. Чтобы падение напряжения на последовательном "гасящем" резисторе 1 кОм составляло 32,4 В (понижая напряжение питания 45 В до 12, 6 на диоде), он все ещё должен проводить 32,4 мА тока. Значит на диоде остаётся ток 7,2 мА.

Теперь рассмотрим "энергосберегающий вариант" стабилизатора с гасящим резистором 100 кОм, в котором энергия поступает на ту же нагрузку 500 Ом. Она должна поддерживать на нагрузке 12,5 В, как и предыдущая схема. Однако, как мы видим, она не справляется с этой задачей (см. рисунок ниже).

03292_show.png

Неработающий стабилизатор на диоде Зенера с резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом

При увеличенном номинале гасящего резистора, напряжение на нагрузке 500 Ом будет всего 224 мВ, намного меньше предполагаемых 12,6 В. Почему так происходит? Если бы напряжение нагрузки составляло 12,6 В, то она бы потребляла как и прежде ток 25,2 мА. Этот ток нагрузки протекал бы через последовательный гасящий резистор как и прежде, но при наличии нового гасящего резистора с гораздо большим номиналом, падение напряжения при токе 25,2 мА составляло бы 2520 В! Этого не случится, поскольку такое напряжение не может быть обеспечено батареей,.

Эту ситуацию проще понять, если временно убрать из схемы стабилитрон и проанализировать работу двух резисторов.

03293_show.png

Схема неработающего стабилизатора без стабилитрона

Оба резистора включены последовательно, при этом общее сопротивление схемы составляет 100,5 кОм. При напряжении 45 В и сопротивлении 100,5 кОм, согласно закону Ома (I=E/R) ток будет равен 447,76 мкА. При вычислении падений напряжения на обоих резисторах (E=IR), мы получим 44,776 В и 224 мВ, соответственно. Если мы вновь установим стабилитрон, то он будет «видеть» 224 мВ, поскольку включён параллельно с нагрузкой. Это гораздо ниже напряжения пробоя и поэтому он не будет проводить ток. По этой же причине, при таком низком напряжении диод не проводил бы даже в прямосмещённом режиме. Следовательно, диод больше не стабилизирует напряжение. Падение напряжения на нём должно составлять как минимум 12,6 В.

Следует иметь в виду, что при работе стабилитрон ограничивает напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут восполнить недостающее напряжение.

Резюмируем, что любая схема стабилизатора со стабилитроном будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно или выше определённого минимального значения. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, то она будет потреблять слишком много тока, падение напряжения на последовательном гасящем резисторе будет слишком высоким, при этом на стабилитроне будет оставаться слишком маленькое напряжение. Когда стабилитрон больше не проводит, то он перестаёт стабилизировать напряжение, и напряжение нагрузки падает ниже необходимого уровня.

Для того чтобы найти приемлемое значение сопротивления для нашей схемы, мы можем воспользоваться таблицей для вычисления сопротивления в схеме с двумя последовательными резисторами (без диода), введя известные значения напряжения и гасящего резистора, и ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В:

13051.png

При напряжении питания 45 В и 12,6 В на нагрузке, на гасящем резисторе должно быть 32,4 В.

13052.png

При напряжении на гасящем резисторе 32,4 В и 100 кОм сопротивления, ток на нём будет равен 324 мкА:

13053.png

Так как схема последовательная, ток будет одинаковым на всех компонентах в любой момент времени:

13054.png

Теперь сопротивление нагрузки можно вывести из закона Ома (R = E/I), - 38,889 кОм:

13055.png

Следовательно, если сопротивление нагрузки равно точно 38,889 кОм, то напряжение на нём будет равно 12,6 В, как с диодом, так и без него. Любое сопротивление нагрузки меньше 38,889 кОм будет означать напряжение менее 12,6 В, - с диодом или без. При включении диода напряжение нагрузки будет стабилизировано на уровне максимальном 12,6 В при любом сопротивлении больше 38,889 кОм.

С использованным в первой схеме гасящим резистором 1 кОм наша схема была способна стабилизировать напряжение даже с таким малым сопротивлением нагрузки как 500 Ом. То есть здесь наблюдался компромисс между рассеиваемой мощностью и приемлемым сопротивлением нагрузки. При более высоком номинале гасящего резистора мы уменьшаем рассеиваемую мощность за счёт увеличения приемлемого минимума значения сопротивления нагрузки. Если нам требуется подавать стабилизированное напряжение на нагрузку с меньшим сопротивлением, то схема должна выдерживать более высокую рассеиваемую мощность.

Диоды Зенера стабилизируют напряжение, выступая как дополнительная нагрузка, потребляющая определённое количество тока для обеспечения постоянного напряжения на нагрузке. Это аналогично регулированию скорости автомобиля педалью тормоза, а не педалью газа, что ведёт к потере энергии, и, кроме того, тормоза должны быть способны справиться со всей мощностью двигателя. Несмотря на свою неэкономичность, стабилизаторы напряжения на диодах Зенера широко распространены из-за своей простоты. В схемах с большой мощностью, где неприемлема большая потеря энергии, используются другие способы стабилизации напряжения. Однако даже в этих случаях часто используются схемы на стабилитронах, которые обеспечивают "опорное" напряжение, подаваемое на схемы усилителей с более высоким КПД.

Типичные номинальные напряжения производимых стабилитронов приведены в таблице ниже. В таблице приведены типичные напряжения для рассеиваемой мощности 0,5 Вт и 1,3 Вт.

Типичные параметры напряжения стабилитронов

0,5 Вт

           

2,7 В

3,0 В

3,3 В

3,6

3,9 В

4,3 В

4,7 В

5,1 В

5,6 В

6,2 В

6,8 В

7,5 В

8,2 В

9,1 В

10 В

11 В

12 В

13 В

15 В

16 В

18 В

20 В

24 В

27 В

30 В

     

1,3 Вт

           

4,7 В

5,1 В

5,6 В

6,2 В

6,8 В

7,5 В

8,2 В

9,1 В

10 В

11 В

12 В

13 В

15 В

16 В

18 В

20 В

22 В

24 В

27 В

30 В

33 В

36 В

39 В

43 В

47 В

51 В

56 В

62 В

68 В

75 В

100 В

200 В

     

Ограничитель на стабилитроне: ограничивает амплитуду сигнала приблизительно на уровне напряжения стабилитрона. В схеме на рисунке ниже два последовательно включённых стабилитрона используются для симметричного ограничения амплитуды сигнала на уровне напряжения стабилитрона. Резистор ограничивает ток стабилитрона до безопасного значения.

03445.png

 
*SPICE 03445.eps
D1 4 0 diode
D2 4 2 diode
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN(0 20 1k)
.model diode d bv=10
.tran 0.001m 2m
.end

Ограничитель на стабилитроне

Параметр SPICE-модели “bv=10” в списке соединений на рисунке выше задаёт напряжение пробоя для диодов на уровне 10 В. Ограничение амплитуды будет происходить на уровне примерно 10 В. Встречно-включённые диоды ограничивают амплитуду обоих полупериодов. В положительный полупериод, пробой верхнего стабилитрона происходит при 10 В. Падение напряжения на нижнем диоде будет составлять 0,7 В. Следовательно, более точное значение уровня ограничения равно 10 + 0,7 = 10,7 В. То же происходит и в отрицательный полупериод, но при напряжении - 10,7 В.

23034.png

Ограничитель на стабилитроне: амплитуда входного сигнала v(1) ограничивается на уровне v(2)

  • РЕЗЮМЕ:

  • Стабилитроны (диоды Зенера) работают в обратносмещённом режиме, имеют достаточно низкое напряжение пробоя и могут поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

  • Стабилитрон может выполнять функцию стабилизатора напряжения, выступая в виде дополнительной нагрузки, потребляя больший ток от источника, если напряжение слишком высокое, и меньший - если напряжение слишком низкое.



Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.
1218 0
Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.
742 0
Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).
728 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    Радиомастер
    © 2005–2013 radiomaster.ru
    admin@radiomaster.ru
    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.4991 s