Как выбрать стабилитрон: Выбор стабилитрона

Выбор стабилитрона

Чтобы подобрать стабилитрон для схемы, показанной на рис. 3, нужно знать диапазон
входных напряжений U1 и диапазон изменения нагрузки R_Н.

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

Для примера рассчитаем сопротивление R и подберём стабилитрон для схемы на рис. 3
со следующими требованиями:

Такая схема может потребоваться, например, для питания какого-либо устройства с небольшим
потреблением от бортовой сети автомобиля.

Итак, для начала рассчитаем значение сопротивления R. Минимальное напряжение на входе равно 11 В.
При таком напряжении мы должны обеспечить ток на нагрузке не менее 100 мА (или 0,1 А).
Закон Ома
позволяет определить сопротивление резистора:

RЦ = U1МИН / IН.МАКС = 11 / 0,1 = 110 Ом

То есть цепь для обеспечения заданного тока на нагрузке должна иметь сопротивление не
более 110 Ом.

На стабилитроне падает напряжение 9 В (в нашем случае). Тогда при токе 0,1 А
эквивалент нагрузки:

RЭ = U2 / IН.МАКС = 9 / 0,1 = 90 Ом

Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь
сопротивление:

R = RЦ – RЭ = 110 – 90 = 20 Ом

С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько
меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24
статью о резисторах).
Но, так как стабилитрон потребляет небольшой ток, этим значением в большинстве
случаев можно пренебречь.

Теперь определим максимальный ток через стабилитрон при максимальном входном
напряжении и отключенной нагрузке. Расчёт нужно выполнять именно при отключенной нагрузке,
так как даже если у вас нагрузка будет всегда подключена, нельзя исключить вероятность того,
что какой-нибудь проводок отпаяется и нагрузка отключится.

Итак, вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении:

UR.МАКС = U1МАКС – U2 = 15 – 9 = 6 В

А теперь определим ток через резистор R из того же закона Ома:

IR.МАКС = UR.МАКС / R = 6 / 20 = 0,3 А = 300 мА

Так как резистор R и стабилитрон VD включены последовательно, то максимальный ток
через резистор будет равен максимальному току через стабилитрон (при отключенной нагрузке),
то есть

IR.МАКС = IVD.МАКС = 0,3 А = 300 мА

Нужно ещё рассчитать мощность рассеивания резистора R. Но здесь это мы
делать не будем, поскольку данная тема подробно описана в статье
Резисторы.

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем:

PМАКС = IVD. МАКС * UСТ = 0,3 * 9 = 2,7 Вт = 2700 мВт

Мощность рассеяния – очень важный параметр, который часто забывают учесть. Если окажется,
что мощность рассеяния на стабилитроне превысит максимально допустимую, то это приведёт к
перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Хотя при этом ток может быть в пределах нормы.
Поэтому мощность рассеяния как для гасящего резистора R, так и для стабилитрона VD нужно
всегда рассчитывать.

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

U_СТ = 9 В – номинальное напряжение стабилизации
I_{СТ.МАКС} = 300 мА – максимально допустимый ток через стабилитрон
Р_МАКС = 2700 мВт – мощность рассеяния стабилитрона при I_{СТ.МАКС}

По этим параметрам в справочнике находим подходящий стабилитрон. Для наших целей подойдёт, например, стабилитрон Д815В.

Надо сказать, что этот расчет довольно грубый, так как он не учитывает некоторые параметры,
такие, например, как температурные погрешности. Однако в большинстве практических случаев
описанный здесь способ подбора стабилитрона вполне подходит.

Стабилитроны серии Д815 имеют разброс напряжений стабилизации. Например,
диапазон напряжений Д815В – 7,4…9,1 В. Поэтому, если нужно получить точное напряжение
на нагрузке (например, ровно 9 В), то придётся опытным путём подобрать стабилитрон
из партии нескольких однотипных. Если нет желания возиться с подбором «методом тыка»,
то можно выбрать стабилитроны другой серии, например серии КС190. Правда, для нашего
случая они не подойдут, поскольку имеют мощность рассеивания не более 150 мВт.
Для повышения выходной мощности стабилизатора напряжения можно использовать транзистор.
Но об этом как-нибудь в другой раз…

И ещё. В нашем случае получилась довольная большая мощность рассеивания стабилитрона.
И хотя по характеристикам для Д815В максимальная мощность 8000 мВт, рекомендуется
устанавливать стабилитрон на радиатор, особенно если он работает в сложных условиях
(высокая температура окружающей среды, плохая вентиляция и т. п.).

Если необходимо, то ниже вы можете выполнить описанные выше рассчёты для вашего случая

Параметр	Значение	Единица измерения
Минимальное входное напряжение, U1МИН =		В
Максимальное входное напряжение, U1МАКС =		В
Выходное напряжение, U2 =		В
Минимальный ток нагрузки, IН.МИН =		мА
Максимальный ток нагрузки, IН.МАКС =		мА
Сопротивление резистора, Ом, R =
Максимальный ток через стабилитрон, IVD. МАКС =		мА
Мощность рассеяния R, PR >=		мВт
Мощность рассеяния VD, PVD >=		мВт

Стабилитрон на 30 вольт маркировка. Как работает стабилитрон. Основные параметры стабилитронов

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно:-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока , напряжение , частота сигнала и . Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение
. От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения.
Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать
“играющее” напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон
. Иногда его еще называют диодом Зенера
. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод
, а другой вывод – анод
.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды . На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации.
Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации
стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и ! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого .

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов. В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх
– входное напряжение, Uвых. ст.
– выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения . Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор
на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл;-)

Итак, собираем схемку. Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем Блок питания , а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт! Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне 5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт, а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр
– прямой ток, А

Uпр
– прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр
– обратное напряжение, В

Uст
– номинальное напряжение стабилизации, В

Iст
– номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax
– максимальный ток стабилитрона, А

Imin
– минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin

– это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр
у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax
, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой
рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения . В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного . Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт. Выбирайте

на ваш вкус и цвет.

Регулируемый
стабилизированный
блок питания – 0-24
V
, 1 – 3А

с ограничением тока.

Блок питания (БП) предназначен для получения регулируемого стабилизированного выходного напряжения от 0 до 24v при токе порядка 1-3А, проще говоря чтобы не покупали вы батарейки, а использовали его для эксперементов со своими конструкциями.

В блоке питания предусмотрена так называемая защита т е ограничение максимального тока.

Для чего это нужно? Для того что бы этот БП служил верой и правдой, не боясь коротких замыканий и не требовал ремонта, так сказать «несгораемый и неубиваемый»

На Т1 собран стабилизатор тока стабилитрона, т е имеется возможность установки практически любого стабилитрона с напряжением стабилизации менее входного напряжения на 5 вольт

Это значит, что при установке стабилитрона VD5 допустим ВZX5,6 или КС156 на выходе стабилизатора получим регулируемое напряжение от 0 до приблизительно 4 вольт, соответственно — если стабилитрон на 27 вольт, то максимальное выходное напряжение будет в пределах 24-25 вольт.

Трансформатор следует выбирать примерно так- переменное напряжение вторичной обмотки должно быть примерно на 3-5 вольт больше того, которое вы рассчитываете получить на выходе стабилизатора, которое в свою очередь зависит от установленного стабилитрона,

Ток вторичной обмотки трансформатора как минимум должен быть не менее того тока, который нужно получить на выходе стабилизатора.

Выбор конденсаторов по емкости С1 и С2 –примерно по 1000-2000 мкф на 1А, С4 – 220 мкф на 1А

Несколько сложнее с емкостями по напряжению – рабочее напряжение грубо рассчитывается по такой методике – переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора делится на 3 и умножается на 4

(~
Uвх:3×4)

Т е – допустим, что выходное напряжение вашего трансформатора порядка 30 вольт – 30 делим на 3 и множим на 4 – получаем 40 – значит рабочее напряжение конденсаторов должно быть более чем 40 вольт.

Уровень ограничения тока на выходе стабилизатора зависит от R6 по минимуму и R8 (по максимуму вплоть до отключения)

При установке перемычки вместо R8 между базой VТ5 и эмиттером VТ4 при сопротивлении R6 равном 0,39 ом ток ограничения будет примерно на уровне 3А,

Как понять «ограничение»? Очень просто – выходной ток даже в режиме короткого замыкания на выходе не превысит 3 А, за счет того что выходное напряжение будет автоматически снижено практически до нуля,

А можно ли заряжать автомобильный аккумулятор? Запросто. Достаточно выставить регулятором напряжения, извиняюсь — потенциометром R3 напряжение 14,5 вольта на холостом ходу (т е с отключенным аккумулятором) а потом подключить к выходу блока, аккумулятор, И пойдет ваш аккумулятор заряжаться стабильным током до уровня 14,5в, Ток по мере зарядки будет уменьшаться и когда достигнет значения 14,5 вольта (14,5 в – напряжение полностью заряженного акк) он будет равен нулю.

Как отрегулировать ток ограничения. Выставить на выходе стабилизатора напряжение на холостом ходу порядка 5-7 вольт. Затем к выходу стабилизатора подключить сопротивление примерно на 1 ом мощностью 5-10 ватт и последовательно с ним амперметр. Подстроечным резистором R8 выставить требуемый ток. Правильно выставленный ток ограничения можно проконтролировать выкручивая потенциометр регулировки выходного напряжения на максимум до упора При этом ток, контролируеммый амперметром должен оставаться на прежнем уровне.

Теперь про детали. Выпрямительный мостик – диоды желательно выбирать с запасом по току минимум раза в полтора, Указанные КД202 диоды могут без радиаторов достаточно долго работать при токе 1 ампер, но ежели рассчитываете что вам этого мало, то установив радиаторы можно обеспечить 3-5 ампер, вот только нужно посмотреть в справочнике какие из них и с какой буквой могут до 3 а какие и до 5 ампер. Хочется больше – загляните в справочник и выбирайте диоды помощнее, скажем ампер на 10.

Транзисторы – VT1 и VT4 устанавливать на радиаторы. VT1 будет слегка греться поэтому и радиатор нужен небольшой, а вот VT4 да в режиме ограничения тока будет греться довольно таки хорошо. Поэтому и радиатор нужно подобрать внушительный, можно и вентилятор от блока питания компьютера к нему приспособить – поверьте, не помешает.

Особо пытливым – почему греется транзистор? Ток то течет по нему и чем больше ток, тем больше греется транзистор. Давайте посчитаем – на входе, на конденсаторах 30 вольт. На выходе стабилизатора ну скажем вольт так 13, В итоге между коллектором и эмиттером остается 17 вольт.

Из 30 вольт минусуем 13 вольт получаем 17 вольт (кто хочет видит тут математику, а мне как то на память приходит один из законов дедушки Киргофа, про сумму падений напряжения)

Ну так вот, тот же Киргоф, что то говорил о токе в цепи, наподобие того что какой ток течет в нагрузке, такой же ток и через транзистор VT4 течет. Скажем ампера эдак 3 течет, резистор в нагрузке греется транзистор тоже греется, Так вот тепло это, которым воздух греем и можно назвать мощностью, которая рассеивается… Но попробуем выразиться математически, то бишь

школьный курс физики

где Р
— это мощность в ваттах, U
– напряжение на транзисторе в вольтах, а J
— ток который течет и через нашу нагрузку и через амперметр и естественно через транзистор.

Итак 17 вольт множим на 3 ампера получаем 51 ватт рассеивающийся на транзисторе,

Ну а допустим подключим сопротивление на 1 ом. По закону Ома при токе 3А падение напряжения на резисторе получится 3 вольта и рассеиваемая мощность величиной в 3 ватта начнет греть сопротивление. Тогда падение напряжения на транзисторе: 30 вольт минус 3 вольта = 27 вольт, а мощность рассеиваимая на транзисторе 27v×3A=81 ватт… Теперь заглянем в справочник, в раздел транзисторы. Ежели проходной транзистор т е VТ4 у нас стоит скажем КТ819 в пластмассовом корпусе то по справочнику выходит что он не выдержит т к мощность рассеивания (Рк*max) у него 60 ватт, но зато в металлическом корпусе (КТ819ГМ, аналог 2N3055) – 100 ватт – вот этот подойдет, но радиатор обязателен.

Надеюсь на счет транзисторов более менее понятно, перейдем к предохранителям. Вообще то предохранитель это последняя инстанция, реагирующая на грубые ошибки допущенные вами и «ценой своей жизни» предотвращающая…. Давайте допустим что в первичной обмотке трансформатора по каким то причинам произошло замыкание,или во вторичной. Может от того что перегрелся, может изоляция прохудилась, а может и просто – неправильное соединение обмоток, но предохранителей нет. Трансформатор дымит, изоляция плавится,сетевой провод пытаясь выполнить доблестную функцию предохранителя, горит и не дай бог если на распределительном шите вместо автомата у вас стоят пробоки с гвоздиками вместо предохранителей.

Один предохранитель на ток примерно на 1А больше чем ток ограничения блока питания (т е 4-5А), должен стоять между диодным мостом и трансформатором, а второй между трансформатором и сетью 220 вольт примерно на 0,5-1 ампер.

Трансформатор. Самое пожалуй дорогое в конструкции Грубо говоря чем массивнее трансформатор тем он мощнее. Чем толще провод вторичной обмотки, тем больший ток может отдать трансформатор. Все это сводится к одному – мощности трансформатора. Так как же выбрать трансформатор? Опять школьный курс физики, раздел электротехника…. Опять 30 вольт, 3 ампера и в итоге мощность 90 ватт. Это минимум, который следует понимать так – этот трансформатор кратковременно может обеспечить выходное напряжение 30 вольт при токе 3 ампера, Поэтому желательно накинуть по току запас минимум процентов 10, а лучше все 30-50 процентов. Так что 30 вольт при токе 4-5 ампер на выходе трансформатора и ваш БП сможет часами если не сутками отдавать ток 3 ампера в нагрузку.

Ну и тем кто желает получть максимум по току от этого БП, скажем ампер эдак 10.

Первое – соответствующий вашим запросам трансформатор

Второе – диодный мост ампер на 15 и на радиаторы

Третье – проходной транзистор заменить на два-три соединенных в параллель с сопротивлениями в эмиттерах по 0,1 ом (радиатор и принудительный обдув)

Четвертое- емкости желательно конечно увеличить, но в том случае если БП будет использоваться как зарядное устройство – это не критично.

Пятое – армировать токопроводящие дорожки по пути следования больших токов напайкой дополнительных проводников и соответственно не забывать про соединительные провода «потолще»

Схема подключения запараллеленных транзисторов вместо одного

Много-много лет тому назад такого слова как стабилитрон не существовало вообще. Тем более в бытовой аппаратуре.

Попробуем представить себе громоздкий ламповый приёмник середины двадцатого века. Многие приносили их в жертву собственному любопытству, когда папа с мамой приобретали что-нибудь новое, а «Рекорд» или «Неман» отдавали на растерзание .

Блок питания лампового приёмника был предельно прост: мощный кубик силового трансформатора , который обыкновенно имел всего две вторичных обмотки, диодный мостик или селеновый выпрямитель, два электролитических конденсатора и резистор на два ватта между ними.

Первая обмотка питала накал всех ламп приёмника переменным током и напряжением 6,3V (вольт), а на примитивный выпрямитель приходило порядка 240V для питания анодов ламп. Ни о какой стабилизации напряжения и речи не шло. Исходя из того, что приём радиостанций вёлся на длинных, средних и коротких волнах с очень узкой полосой и ужасным качеством, наличие или отсутствие стабилизации напряжения питания на это качество совершенно не влияло, а приличной автоподстройки частоты на той элементной базе просто быть не могло.

Стабилизаторы в то время применялись только в военных приёмниках и передатчиках, конечно тоже ламповые. Например: СГ1П
– стабилизатор газоразрядный, пальчиковый. Так продолжалось до тех пор, пока не появились транзисторы. И тут выяснилось, что схемы, выполненные на транзисторах очень чувствительны к колебаниям питающего напряжения, и обыкновенным простым выпрямителем уже не обойтись. Используя физический принцип, заложенный в газоразрядных приборах, был создан полупроводниковый стабилитрон реже называемый диод Зенера.

Графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.

Внешний вид стабилитронов. Первый сверху в корпусе для поверхностного монтажа . Второй сверху – в стеклянном корпусе DO-35 и мощностью 0,5 Вт. Третий, – мощностью 1 Вт (DO-41). Естественно, стабилитроны изготавливают в разнообразных корпусах. Иногда в одном корпусе объединяется два элемента.

Принцип работы стабилитрона.

Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении через него протекает обратный ток (I обр
) от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. На следующем рисунке показана вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-Амперной Характеристики), как показано на рисунке. К его основным параметрам относятся U ст
. (напряжение стабилизации) и I ст
. (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величина максимального и минимального тока учитывается только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемым большим изменением напряжения.

Основные параметры стабилитронов.

Для того чтобы подобрать нужный стабилитрон необходимо разбираться в маркировках полупроводниковых приборов. Раньше все типы диодов, включая и стабилитроны, обозначались буквой “Д” и цифрой определяющей, что же это за прибор. Вот пример очень популярного стабилитрона Д814 (А, Б, В, Г). Буква показывала напряжение стабилизации.

Рядом паспортные данные современного стабилитрона (2C147A

), который использовался в стабилизаторах для питания схем на популярных сериях микросхем К155 и К133 выполненных по ТТЛ технологии и имеющих напряжение питания 5V.

Чтобы разбираться в маркировках и основных параметрах современных отечественных полупроводниковых приборов необходимо немного знать условные обозначения. Они выглядят следующим образом: цифра 1 или буква Г – германий, цифра 2 или буква К – кремний, цифра 3 или буква А – арсенид галлия. Это первый знак. Д – диод, Т – транзистор, С – стабилитрон, Л – светодиод. Это второй знак. Третий знак это группа цифр обозначающих сферу применения прибора. Отсюда: ГТ 313 (1Т 313) – высокочастотный германиевый транзистор, 2С147 – кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением стабилизации 4,7 вольта, АЛ307 – арсенид-галлиевый светодиод.

Вот схема простого, но надёжного стабилизатора напряжения.

Между коллектором мощного транзистора и корпусом подается напряжение с выпрямителя и равное 12 – 15 вольт. С эмиттера транзистора мы снимаем 9V стабилизированного напряжения, так как в качестве стабилитрона VD1 мы используем надёжный элемент Д814Б (см. таблицу). Резистор R1 – 1кОм, транзистор КТ819 обеспечивающий ток до 10 ампер.

Транзистор необходимо разместить на радиаторе-теплоотводе. Единственный недостаток данной схемы – это невозможность регулировки выходного напряжения. В более сложных схемах подстроечный резистор, конечно, имеется. Во всех лабораторных и домашних радиолюбительских источниках питания есть возможность регулировки выходного напряжения от 0 и до 20 – 25 вольт.

Интегральные стабилизаторы.

Развитие интегральной микроэлектроники и появление многофункциональных схем средней и большой степени интеграции, конечно, коснулось и проблем связанных со стабилизацией напряжения. Отечественная промышленность напряглась и выпустила на рынок радиоэлектронных компонентов серию К142, которую составляли как раз интегральные стабилизаторы. Полное название изделия было КР142ЕН5А, но так как корпус был маленький и название не убиралось целиком, стали писать КРЕН5А или Б, а в разговоре они назывались просто «кренки».

Сама серия была достаточно большая. В зависимости от буквы варьировалось выходное напряжение. Например, КРЕН3 выдавал от 3 до 30 вольт с возможностью регулировки, а КРЕН15 был пятнадцативольтовым двухполярным источником питания.

Подключение интегральных стабилизаторов серии К142 было крайне простым. Два сглаживающих конденсатора и сам стабилизатор. Взгляните на схему.

Если есть необходимость получить другое стабилизированное напряжение, то поступают следующим образом: допустим, мы используем микросхему КРЕН5А на 5V, а нам нужно другое напряжение. Тогда между вторым выводом и корпусом ставится стабилитрон с таким расчётом, чтобы сложив напряжение стабилизации микросхемы, и стабилитрона мы получили бы нужное напряжение. Если мы добавим стабилитрон КС191 на V = 9,1 + 5V микросхемы, то на выходе мы получим 14.1 вольт.

Стабилитрон — это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Когда напрямую включается стабилитрон, характеристики не отличаются от диода. При подключении плюса к p-области, а минуса — к n-области сопротивление перехода мало и ток через него свободно протекает. Он нарастает с увеличением входного напряжения.

Стабилитрон — это особый диод, подключаемый большей частью в обратном направлении. Элемент сначала находится в закрытом состоянии. При возникновении электрического пробоя стабилитрон напряжения поддерживает его постоянным в большом диапазоне тока.

На анод подается минус, а на катод — плюс. За пределами стабилизации (ниже точки 2) происходит перегрев и повышается вероятность выхода элемента из строя.

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

• U ст — напряжение стабилизации при номинальном токе I ст;
• I ст min — минимальный ток начала электрического пробоя;
• I ст max — максимальный допустимый ток;
• ТКН — температурный коэффициент.

В отличие от обычного диода, стабилитрон — это полупроводниковое устройство, у которого на вольт-амперной характеристике области электрического и теплового пробоя достаточно далеко расположены друг от друга.

С максимально допустимым током связан параметр, часто указываемый в таблицах — мощность рассеивания:

P max = I ст max ∙ U ст.

Зависимость работы стабилитрона от температуры может быть как с положительным ТКН, так и отрицательным. При последовательном подключении элементов с разными по знакам коэффициентами создаются прецизионные стабилитроны, не зависящие от нагрева или охлаждения.

Схемы включения

Типовая схема простого стабилизатора, состоит из балластного сопротивления R б и стабилитрона, шунтирующего нагрузку.

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

1. Подача на стабилизатор большого напряжения от источника питания при наличии на выходе фильтрующего конденсатора. Броски тока при его зарядке могут вызвать выход из строя стабилитрона или разрушение резистора R б.
2. Отключение нагрузки. При подаче на вход максимального напряжения ток стабилитрона может превысить допустимый, что приведет к его разогреву и разрушению. Здесь важно соблюдать паспортную область безопасной работы.
3. Сопротивление R б подбирается небольшим, чтобы при минимально возможной величине напряжения питания и максимально допустимом токе на нагрузке стабилитрон находился в рабочей зоне регулирования.

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или

Резистор R б рассчитывается по формуле:

R б = (U пит — U ном)(I ст + I н).

Ток стабилитрона I ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U пит и тока нагрузки I н.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение U н, стабилитроны подбираются из одной партии. Есть типы с более узким диапазоном параметров. При большой мощности рассеивания элементы устанавливают на радиаторы.

Для расчета параметров стабилитрона необходимы исходные данные, например, такие:

• U пит = 12-15 В — напряжение входа;
• U ст = 9 В — стабилизированное напряжение;

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

Для минимального входного напряжения 12 В ток на нагрузке выбирается по максимуму — 100 мА. По закону Ома можно найти суммарную нагрузку цепи:

R ∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

На стабилитроне падение напряжения составляет 9 В. Для тока 0,1 А эквивалентная нагрузка составит:

R экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R б = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

Оно выбирается из стандартного ряда, где значение совпадает с расчетным.

Максимальный ток через стабилитрон определяется с учетом отключения нагрузки, чтобы он не вышел из строя в случае, если какой-либо провод отпаяется. Падение напряжения на резисторе составит:

U R = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I c = I R = 0,2 А.

Мощность рассеивания составит P = 0,2∙9 = 1,8 Вт.

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

Симметричный диодный тиристор представляет собой переключающий прибор, проводящий переменный ток. Особенностью его работы является падение напряжения до нескольких вольт при включении в диапазоне 30-50 В. Его можно заменить двумя встречно включенными обычными стабилитронами. Устройства применяют в качестве переключающих элементов.

Аналог стабилитрона

Когда не удается подобрать подходящий элемент, используют аналог стабилитрона на транзисторах. Их преимуществом является возможность регулирования напряжения. Для этого можно применять усилители постоянного тока с несколькими ступенями.

На входе устанавливают делитель напряжения с R1. Если входное напряжение возрастает, на базе транзистора VT1 оно также увеличивается. При этом растет ток через транзистор VT2, который компенсирует увеличение напряжения, поддерживая тем самым его стабильным на выходе.

Маркировка стабилитронов

Выпускаются стеклянные стабилитроны и стабилитроны в пластиковых корпусах. В первом случае на них наносятся 2 цифры, между которыми располагается буква V. Надпись 9V1 обозначает, что U ст = 9,1 В.

На пластиковом корпусе надписи расшифровываются с помощью даташита, где также можно узнать другие параметры.

Темным кольцом на корпусе обозначается катод, к которому подключается плюс.

Заключение

Стабилитрон — это диод с особыми свойствами. Достоинством стабилитронов является высокий уровень стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения рабочего тока, а также простые схемы подключения. Для стабилизации малого напряжения приборы включают в прямом направлении, и они начинают работать как обычные диоды.

Как работает параметрический стабилизатор. Выбор стабилитрона

Схема простейшего параметрического стабилизатора, построенного на полупроводниковом стабилитроне, представлена на рис.1.

Принцип действия стабилизатора основан на том, что полупроводниковый стабилитрон VD имеет на обратной ветви своей вольтамперной характеристики участок с большой крутизной (обратное напряжение U ОБР или напряжение стабилизации U СТ практически не за

в
исит от тока, протекающего через стабилитрон), рис. 2.

При колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки изменяется ток I СТ, протекающий через стабилитрон. Однако обратное напряжение U СТ остается практически постоянным. Небольшое изменение напряжения стабилизации U СТ может быть учтено через дифференциальное сопротивление прибора
, приводимое в справочниках. Для поддержания режима стабилизации необходимо, чтобы величина тока стабилизации I СТ находилось в пределах I СТ MIN … I СТ MAX , где I СТ MIN , I СТ MAX – минимальное и максимальное значения обратного тока стабилитрона, приводимое в справочниках. Обычно I СТ MIN =1…3 mА для маломощных стабилитронов, у которых максимальных обратный ток не превышает 100 mА.

Балластный резистор R Б ограничивает ток, протекающий через стабилитрон. Благодаря R Б величина обратного тока не превышает I CT MAX и тем самым предотвращается необратимый тепловой пробой опорного диода VD.

1. Расчет параметрического стабилизатора по схеме рис.1.
   

Исходными данными для расчета стабилизатора напряжения, рис. 1, являются:

Порядок расчета стабилизатора следующий:

1. Выбирают стабилитрон и определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации K СТ ПР

, где

U ВЫХ [В] – выходное напряжение;

[%] – допустимое процентное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным;

I Н MAX [A] – максимальный ток, потребляемый нагрузкой;

I СТ MIN [A] – минимальный обратный ток выбранного стабилитрона;

r Д [Ом] – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Примечание:
в общем виде коэффициентом стабилизации напряжения называют частное от деления относительного изменения напряжения на входе на относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора
.

Величина K СТ ПР должна быть больше требуемого коэффициента стабилизации в 1,3…1,5 раза. Если данное условие не выполняется, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к более сложной схеме стабилизатора.

где R ВЫХ – выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току.

1. Определяют максимальный ток стабилитрона по формуле:

,

где I Н MIN – минимальный ток нагрузки;

— допустимое процентное увеличение входного напряжения.

Если нагрузка постоянна, то I Н MAX =I Н MIN . Значение максимального обратного тока выбранного стабилитрона должно превышать значение I СТ MAX , рассчитанное по формуле (4). Если это условие не выполняется, можно попытаться подобрать другой стабилитрон. В случае неудачи реализация параметрического стабилизатора по схеме рис.1 с заданными требованиями невозможна и следует использовать усилитель тока нагрузки.

Рассмотрим пример расчета стабилизатора.

Пусть необходим стабилизатор напряжения, поддерживающий на нагрузке напряжение примерно 10В. Минимальный ток нагрузки 5mA, максимальный – 15 mA. Требуемый коэффициент стабилизации не менее 25. Допустимое отклонение входного напряжения от номинального значения 10%. Выходное сопротивление стабилизатора равно 25 Ом.

В соответствии со справочными данными, одним из подходящих стабилитронов является Д810 со следующими параметрами: U СТ =9…10,5 В; I СТ =3…26 mA; r Д =12 Ом.

Используя (1) оценим предельно возможный коэффициент стабилизации
. Это более чем в 1,5 раза больше требуемого коэффициента стабилизации.

Определим необходимое входное напряжение в соответствии с (2):
.

Рассчитаем сопротивление балластного резистора по формуле (3): .

Оценим максимальный ток стабилитрона в соответствии с (4):

Полученный максимальный ток стабилизации меньше предельно допустимого обратного тока стабилитрона (20mA

При больших токах нагрузки рекомендуется использовать схему, рис.3.

Для усиления тока нагрузки используется проходной транзистор VT, включенный по схеме эмиттерного повторителя. Коллекторный ток транзистора и, соответственно, ток нагрузки в  раз больше тока базы I Б, где  — коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Для типовых мощных транзисторов  составляет примерно 10…50 единиц. Для увеличения  либо используют несколько транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, либо составные транзисторы, например, КТ825, КТ827.

Расчет схемы (рис.3.а) сводится к следующему:

U КЭ MAX – максимальное допустимое значение напряжения между коллектором и эмиттером выбранного транзистора;

 MIN – минимальное значение коэффициента передачи тока выбранного транзистора (определяется по справочнику).

Если выбранный транзистор не удовлетворяет данным условиям, выбирают новый транзистор и повторяют расчет с п.2.

Стабилизатор, рис.3б., позволяет регулировать выходное напряжение резистором R P , образующем делитель опорного напряжения. Особенность расчета схемы заключается в том, что принимается равным сумме токов базы транзистора I Б и делителя I Д: , так как для нормальной работы схемы ток I Д должен превышать I Б как минимум в 3…5 раз. Из этого условия и выбирается сопротивление резистора R P .

1. Индивидуальные задания.
   

Примечание:
выходное сопротивление выпрямителя принять равным 20 Ом.

Важнейшими параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации K ст, выходное сопротивление R вых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации
определяют из выражения K ст = [ ∆u вх / u вх ] / [ ∆u вых / u вых ]

где u вх, u вых
— постоянные соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u вх
— изменение u вх
; ∆u вых
— изменение u вых
, соответствующее изменению ∆u вх.

Таким образом, коэффициент стабилизации
— это отношение относительного изменения на входе к соответствующему относительному изменению на выходе стабилизатора.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K ст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора
определяется выражением R вых = | ∆u вых / ∆i вых |

где ∆u вых — изменение постоянного на выходе стабилизатора; ∆i вых — изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R вых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η ст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р н, к мощности, потребляемой от входного источника Р вх: η ст = Р н / Р вх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).

Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного u э (на ∆u э), а значит, и входного u вх, выходное изменяется на незначительную величину ∆u вых.

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆u вых.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного ∆u вх (на схеме пунктир): R вых = r д || R 0 ≈ r д,
т. к. R 0 >> r д η ст = (u вых · I н) / (u вх · I вх) = (u вых · I н) / [ u вх (I н + I вх) ].

K ст = (∆u вх / u вх) : (∆u вых / u вых) Так как обычно R н >> r д Следовательно, K ст ≈ u вых / u вх · [ (r д + R 0) / r д ]

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием
является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь нагрузки, а падение на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85.

Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R 1 — для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 %
, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения
.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор

Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения на нагрузке. на выходе регулируют, изменяя отношение t вкл / t выкл, где t вкл, t выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

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. R 0 — 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+IR 0 , учитывая, что I=Iст+Iн, получим

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R 0 (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 сопротивление балластного резистора
:

R 0 =(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:

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:

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 R 0 =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) — .

Чтобы подобрать стабилитрон для схемы, показанной на рис. 3, нужно знать диапазон
входных напряжений U1 и диапазон изменения нагрузки R Н.

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

Для примера рассчитаем сопротивление R и подберём стабилитрон для схемы на рис. 3
со следующими требованиями:

Итак, для начала рассчитаем значение сопротивления R. Минимальное напряжение на входе равно 11 В.
При таком напряжении мы должны обеспечить ток на нагрузке не менее 100 мА (или 0,1 А).
Закон Ома
позволяет определить сопротивление резистора:

R Ц = U1 МИН / I Н.МАКС = 11 / 0,1 = 110 Ом
То есть цепь для обеспечения заданного тока на нагрузке должна иметь сопротивление не
более 110 Ом.

На стабилитроне падает напряжение 9 В (в нашем случае). Тогда при токе 0,1 А
эквивалент нагрузки: R Э = U2 / I Н.МАКС = 9 / 0,1 = 90 Ом
Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь
сопротивление: R = R Ц – R Э = 110 – 90 = 20 Ом
С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько
меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24
).
Но, так как стабилитрон потребляет небольшой ток, этим значением в большинстве
случаев можно пренебречь.

Теперь определим максимальный ток через стабилитрон при максимальном входном
напряжении и отключенной нагрузке. Расчёт нужно выполнять именно при отключенной нагрузке,
так как даже если у вас нагрузка будет всегда подключена, нельзя исключить вероятность того,
что какой-нибудь проводок отпаяется и нагрузка отключится.

Итак, вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении:

U R.МАКС = U1 МАКС – U2 = 15 – 9 = 6 В
А теперь определим ток через резистор R из того же закона Ома: I R.МАКС = U R.МАКС / R = 6 / 20 = 0,3 А = 300 мА
Так как резистор R и стабилитрон VD включены последовательно, то максимальный ток
через резистор будет равен максимальному току через стабилитрон (при отключенной нагрузке),
то есть I R.МАКС = I VD.МАКС = 0,3 А = 300 мА
Нужно ещё рассчитать мощность рассеивания
резистора R. Но здесь это мы
делать не будем, поскольку данная тема подробно описана в статье
Резисторы .

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем:

P МАКС = I VD.МАКС * U СТ = 0,3 * 9 = 2,7 Вт = 2700 мВт
Мощность рассеяния – очень важный параметр, который часто забывают учесть. Если окажется,
что мощность рассеяния на стабилитроне превысит максимально допустимую, то это приведёт к
перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Хотя при этом ток может быть в пределах нормы.
Поэтому мощность рассеяния как для гасящего резистора R, так и для стабилитрона VD нужно
всегда рассчитывать.

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

U СТ = 9 В – номинальное напряжение стабилизации
I СТ.МАКС = 300 мА – максимально допустимый ток через стабилитрон
Р МАКС = 2700 мВт – мощность рассеяния стабилитрона при I СТ.МАКС

По этим параметрам в справочнике находим подходящий стабилитрон. Для наших целей подойдёт, например, стабилитрон Д815В.

Надо сказать, что этот расчет довольно грубый, так как он не учитывает некоторые параметры,
такие, например, как температурные погрешности. Однако в большинстве практических случаев
описанный здесь способ подбора стабилитрона вполне подходит.

Стабилитроны серии Д815 имеют разброс напряжений стабилизации. Например,
диапазон напряжений Д815В – 7,4…9,1 В. Поэтому, если нужно получить точное напряжение
на нагрузке (например, ровно 9 В), то придётся опытным путём подобрать стабилитрон
из партии нескольких однотипных. Если нет желания возиться с подбором «методом тыка»,
то можно выбрать стабилитроны другой серии, например серии КС190. Правда, для нашего
случая они не подойдут, поскольку имеют мощность рассеивания не более 150 мВт.
Для повышения выходной мощности стабилизатора напряжения можно использовать транзистор.
Но об этом как-нибудь в другой раз…

И ещё. В нашем случае получилась довольная большая мощность рассеивания стабилитрона.
И хотя по характеристикам для Д815В максимальная мощность 8000 мВт, рекомендуется
устанавливать стабилитрон на радиатор, особенно если он работает в сложных условиях
(высокая температура окружающей среды, плохая вентиляция и т.п.).

Если необходимо, то ниже вы можете выполнить описанные выше рассчёты для вашего случая

Стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. Принцип действия параметрических состоит в том, что в них используются особенные свойства элементов, параметры которых, а именно сопротивление, изменяются так, что стабилизация становится возможной.

Ниже приведены характеристики обыкновенного транзистора (а) и кремневого стабилитрона (б):

Стабилизатор тока

В первой из них сопротивление элемента изменяется так, что в значительных границах изменений напряжения на элементы ток в нем практически постоянный. В другой наоборот – при значительных изменениях тока почти постоянным является напряжение. Поэтому транзистор (или другие полупроводниковые приборы с подобной характеристикой) можно использовать для стабилизации тока, а стабилитрон – для стабилизационного напряжения. Ниже приведена схема для стабилизации тока:

Для ее расчета сначала выбирают стабилизирующий элемент СЕ с подходящей характеристикой и током I ст (смотри рисунок выше а
). Напряжение, которое будет приложено к этому элементу, определяется, как среднее напряжение между началом и концом стабилизации:

При этом на нагрузке будет напряжение I ст R н. За этими данными подсчитывают значения U вх, которое нужно приложить к стабилизатору:

На этом и завершается расчет стабилизатора тока.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:

По заданному значению U ст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют I min и I max . По этим данным подсчитывают ток I ст = (I min + I max)/2. Общий ток I вх равен I ст + U ст/ R н. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке U ст = I ст R н при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе U вх выбирают процентов на 20 выше чем U ст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе R б, величину которого найдем по формуле:

Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:

При K ст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше K ст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.

У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.

Расчет параметрического стабилизатора на стабилитроне

Принципиальная электрическая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне приведена на рисунке 1. Принцип действия данного стабилизатора основан на стабилизации напряжения на нагрузке (на Rн) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Данный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, одним из плечей которого является балластный резистор R1, а вторым — соединенные последовательно стабилитрон VD1 и нагрузка Rн. Расчет делителя напряжения проще всего производить, используя закон Ома для участка цепи. Исходя из этого и производится расчет. Собственно говоря, расчет сводится к выбору номинала и мощности балластного резистора R1.
Исходными данными для расчета являются:
a) Входное напряжение (Uin).
b) Необходимое напряжение на нагрузке (URн).
c) Ток, потребляемый нагрузкой (Iн).
d) Диапазон изменения тока, потребляемого нагрузкой dIн.

1. С учетом исходных данных выбирается стабилитрон с напряжением стабилизации UVD1, равным или близким URн , и током стабилизации IVD1, большим примерно в 2 раза, чем диапазон изменения тока нагрузки dIн.

2. Как видно из рисунка 1, ток через резистор R1 является суммой тока стабилизации стабилитрона VD1 IVD1 и тока, потребляемого нагрузкой Iн. Именно этот ток (IR1) и следует использовать в дальнейших расчетах.

3. Из закона Ома для участка цепи: IR1 = (Uin-UVD1)/R1. В качестве IR1 принимается среднее значение тока, потребляемого нагрузкой.

4. Из предыдущего пункта R1=(Uin-UVD1)/IR1. Реальное значение сопротивления R1 выбирается, как ближайшее к полученному, из ряда номинальных сопротивлений.

5. Имея значение сопротивления резистора R1 и ток, текущий через него , необходимо рассчитать мощность рассеяния резистора R1: PR1 = (1,5. .2)*(IR12*R1).

Выходные данные расчета:
a) Номинальное значение сопротивления резистора R1.
b) Мощность рассеяния резистора R1.

Похожее

Как выбрать шунт-диодный барьер искрозащиты?

Главная цель статьи — максимально облегчить непростой процесс выбора барьеров искробезопасности.

Любое промышленное производство требует высокотехнологичных решений в плане контроля и обеспечения безопасности. Особенно это касается производств, связанных с добычей и переработкой легковоспламеняющихся материалов, таких как: нефть, газ, целлюлозная промышленность и т. д. Для обеспечения пожарной безопасности, оборудование, размещенное в зоне наличия легковоспламеняющихся газов и веществ, должно иметь защиту от возникновения искр, нагрева и возгорания. Такое оборудование называют взрывозащищенным, и оно имеет в своей маркировке обозначение «Ex».

Взрывозащита может быть выполнена различными способами: взрывонепроницаемая оболочка, имеет обозначение Exd, искробезопасная электрическая цепь — обозначается Exi, герметизация компаундом Exm и так далее, и каждая имеет свою область применения. Оборудование также может иметь комбинированную защиту, состоящую из нескольких видов защит. Далее мы будем рассматривать взрывозащиту типа искробезопасная электрическая цепь, так как именно при таком виде защиты применяются барьеры искробезопасности.

Использование различного электрооборудования во взрывоопасной зоне, например, датчиков давления и температуры, расходомеров, уровнемеров накладывает ограничение на величину электрической энергии, передаваемой во взрывоопасную зону к оборудованию, а также электрической энергии, которую может накопить электрооборудование и линии связи между ними. Количество электрической энергии, которую можно безопасно «пустить» во взрывоопасную зону для различных взрывоопасных веществ было установлено опытным путем, и подробно этот процесс описан в ГОСТ 30852.0-2002. Важно отметить, что такая защита строится на ограничении энергии при возникновении аварийных ситуаций в электросети и связанном оборудовании, таких как короткое замыкание линии или попадание на вход высокого напряжения.

Устройство и принцип работы барьеров

Барьер искрозащиты представляет собой законченный блок, имеющий неразборную конструкцию для защиты от несанкционированного ремонта и замены элементов, который удовлетворяет требованиям ГОСТ 30852.10-2002. Различают цепи искрозащиты с уровнями «ia», «ib» и «iс». Отличие схемы «ia» от «ib» заключается в том, что у цепей с уровнем искрозащиты «ia» предусмотрена защита обеих полюсов от источника питания. Электрические схемы блоков искрозащиты на стабилитронах приведены на рисунках 1а, 1б. Барьер состоит из шунтирующих стабилитронов VD1 — VD6, последовательно включенных токоограничительных R2, R2.1 и балластных R1, R1.1 резисторов и плавких предохранителей FU1, FU1.1. Для схемы «ia» предусмотрено двойное дублирование стабилитронов для повышения надежности и снижения вероятности отказов.

Рисунок 1а — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ib»

Рисунок 1б — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ia»

При нормальной работе напряжение на стабилитронах не превышает напряжения стабилизации, и через стабилитроны практически не течет ток (рисунок 2). В случае возникновения аварийной ситуации (попадания на вход барьера повышенного напряжения) стабилитроны будут ограничивать напряжение на выходе барьера при изменении тока, протекающего через них (рисунок 3). Если в результате аварии на вход барьера подается напряжение, которое вызывает протекание тока свыше допустимого, то установленный плавкий предохранитель отключит защищаемые цепи от аварийной цепи. Чтобы ограничить ток через стабилитроны в момент попадания высокого напряжения на вход барьера устанавливается дополнительный токоограничительный резистор R2, который призван сохранить целостность стабилитронов при протекании токов на момент пока перегорает плавкий предохранитель. Обычное время перегорания плавкого предохранителя находится в пределах 10 миллисекунд и сильно зависит от величины протекающего тока. Назначение балластного резистора R1 — ограничение тока короткого замыкания на выходе барьера. Таким образом обеспечивается искробезопасный ток, напряжение и электрическая мощность при которых не может произойти возгорание во взрывоопасной зоне при аварийных режимах работы электрической цепи, но при этом обеспечивается нормальная передача полезного сигнала при её штатной работе.

Рисунок 2 — Протекание тока через барьер в штатном режиме

Рисунок 3 — Протекание тока через барьер при аварийной ситуации

Барьеры искрозащиты имеют следующие параметры:

Um — максимальное напряжение, которое может быть приложено ко входу барьера, при этом не произойдет пробой изоляции барьера, и он сохранит свою функцию ограничения энергии. Для большинства барьеров это напряжение составляет 250 В так как питание устройств осуществляется от источников, которые преобразуют сетевое напряжение и в случае пробоя изоляции блока питания барьер должен выдержать появление на входе сетевого напряжения;

• U₀ — максимальное напряжение на выходе барьера (к которому подключено оборудование, расположенное во взрывоопасной зоне) при попадании на вход барьера напряжения Um при отключенной нагрузке;
• I₀ — максимальный выходной ток (ток короткого замыкания). Данный параметр определяется при коротком замыкании выхода барьера и при подаче на вход барьера напряжения Um;
• P₀ — максимальная мощность, которую барьер может передать во взрывоопасную зону. Данный параметр напрямую зависит от напряжения на выходе барьера, его тока короткого замыкания и определяется по формуле:

P₀ = U₀ · I₀ / 4.

• R_в — сопротивление ветвей барьера, сопротивление между клеммой входного и выходного разъема. В некоторых случаях его называют проходным сопротивлением барьера.

На рисунке 4 приведен график зависимости мощности на выходе барьера от изменения сопротивления нагрузки. Как можно видеть из графика максимальная мощность на выходе достигается когда напряжение и ток достигают половины от своих максимальных значений.

Рисунок 4 — Зависимость мощности на выходе барьера от напряжения и тока на нагрузке

Классификация барьеров

Барьеры искрозащиты по устройству и принципу действия делятся на три группы.

Шунт-диодные барьеры искрозащиты, или пассивные барьеры (иногда их называют «барьеры на зенеровских диодах») — это барьеры, состоящие из шунтирующих стабилитронов, последовательно включенных токоограничивающих резисторов и плавких предохранителей. Принцип действия данных барьеров был приведен выше.

Такие барьеры применяются для подключения различных датчиков, работающих с унифицированными токовыми сигналами 4…20, 0…20 или 0…5 мА, подключения термопреобразователей температуры, потенциометров, концевых датчиков, кнопок и подобных устройств, а также передачи питания на устройства, которые находятся во взрывоопасной зоне. Данные барьеры являются самыми простыми устройствами. После короткого замыкания выхода или подачи на вход барьера высокого напряжения перегорает плавкий предохранитель, и барьер необходимо заменить. У некоторых производителей в качестве опций устанавливается дополнительная электронная схема ограничения тока короткого замыкания, которая призвана защитить предохранитель от случайного замыкания, например, при пуско-наладочных работах, делая барьер защищенным от короткого замыкания на выходе. Однако за такой функционал приходится платить не только деньгами, но и дополнительным падением напряжения на ветвях барьера.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры ЭнИ-БИС-100-Ех, ЭнИ-БИС-150-Ех, ЭнИ-БИС-1000-Ех.

Активные барьеры искрозащиты, в которых помимо пассивного барьера добавлена электронная схема преобразователя, позволяющая осуществлять функциональное преобразование входного сигнала, например, токовый сигнал 4…20 мА преобразовывать в выходной сигнал 0…20 мА или сигнал от потенциометра в выходной токовый сигнал 0…20 мА.

Помимо схемы преобразования в барьере имеется электронный ограничитель тока короткого замыкания на выходе, повышающий живучесть барьера при коротком замыкании выхода барьера в рабочем режиме при пуско-наладочных работах. В отличие от пассивных барьеров, где замыкание на выходе приводит к перегоранию плавкого предохранителя, активные барьеры после устранения замыкания вновь готовы к работе. Для функционирования такого барьера требуется дополнительное напряжение питания.

Основная причина применения активных барьеров — ситуации, когда невозможно применить пассивные барьеры. Например, когда сопротивление нагрузки слишком велико для того чтобы датчику хватало напряжения питания при максимальном токе потребления. Такая ситуация может возникнуть в случае, если имеется несколько показывающих (дублирующих) приборов. Еще один случай, когда применение активного барьера оправдано — если для питания датчика (устройства) необходимо использовать барьер с напряжением U0, которое ниже или равно стандартному ряду выходных напряжений источника питания, а его подстройка невозможна.

Еще один немаловажный момент, который следует учесть при использовании пассивных и активных барьеров, это наличие эквипотенциальной системы заземления. Если на данном объекте невозможно создать эквипотенциальную систему заземления, то использование таких барьеров не допускается.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры ЭнИ-БИС-200-Ех.

Активные барьеры с гальванической развязкой. Такие барьеры в своем составе помимо пассивного барьера, схемы ограничения тока короткого замыкания и электронного преобразователя, содержат еще и источник питания с гальванически развязанными выходами, который позволяет осуществлять питание входных и выходных цепей барьера, гальванически разделенных между собой. Данная группа барьеров не имеет клемм для подключения к заземлению так как имеется гальваническая развязка входа от выхода и от источника питания, которая гарантированно выдерживает разность потенциалов минимум 500 В.

Данные барьеры применяются в тех случаях, когда невозможно создать эквипотенциальную систему заземления — разность потенциалов земли в точке установки датчика отличается от потенциала заземления в точке установки остального оборудования. В этих случаях заземление осуществляется непосредственно в точке установки датчика, а со стороны измерительного оборудования устанавливается барьер искрозащиты с гальванической развязкой, задачей которого является передача токового сигнала в цепи, связывающей устройства, находящиеся под разными потенциалами.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры ЭнИ-БИС-300-Ех, ЭнИ-БИС-3000-Ех.

Все три группы барьеров широко используются при проектировании систем контроля и управления технологическими процессами при работе оборудования во взрывоопасной зоне. Барьеры каждой группы имеют свое назначение и область применения. Поставленная перед проектировщиком задача может быть решена несколькими путями с использованием тех или иных барьеров. В таком случае всегда производится оценка каждого варианта решения задачи, оцениваются финансовая составляющая, удобство монтажа и обслуживания систем с целью поиска оптимального решения.

Алгоритмы подбора шунт-диодных барьеров искробезопасности

Далее приведем конкретные примеры для выбора пассивных барьеров и примеры расчетов для проверки работоспособности схемы.

Пример 1. Допустим, необходимо измерять давление газа во взрывоопасной зоне. Во взрывоопасной зоне будет присутствовать газ этилен. Для упрощения задачи рассмотрим вариант с одним датчиком, расположенным в 50 метрах от шкафа с оборудованием. Питание датчика будет осуществляться от сетевого источника питания через барьер, а с помощью измерительного прибора будет осуществляться индикация измеренного давления. Измерительный прибор, блок питания и барьер расположены во взрывобезопасной зоне. В месте установки оборудования имеется возможность создания эквипотенциальной системы заземления.

Перед началом выбора датчика и барьера необходимо определиться с подгруппой электрооборудования, которой должен соответствовать датчик и барьер искрозащиты. Подгруппа электрооборудования зависит от того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне. Методика определения подгруппы и рекомендации по выбору подгруппы, а также перечень типовых представителей горючих веществ и соответствующая им подгруппа приведены в приложении А ГОСТ 30852.0-2002, ГОСТ 30852.11-2002.

Согласно приложению А ГОСТ 30852.0-2002 газ этилен соответствует категории взрывоопасности IIB. Соответственно при выборе оборудования, которое будет во взрывоопасной зоне, подгруппа должна быть IIB или более высокая — IIC.

Далее необходимо выбрать датчик давления для измерения соответствующего давления и имеющий взрывозащищенное исполнение типа «искробезопасная электрическая цепь» с необходимым классом точности измерения.

Для нашего примера выберем датчик давления, который имеет следующие характеристики:

• минимальное напряжение питания U_д min=12В;
• максимальное напряжение питания U_i=28В;
• максимальный входной ток I_i=120мА;
• максимальная рассеиваемая мощность P_i=0,84Вт;
• максимальная внутренняя емкость C_i = 0,05 мкФ;
• максимальная внутренняя индуктивность Li = 0,2 мГн.

После выбора подходящего датчика давления необходимо подобрать к нему барьер искрозащиты. Для выбора барьера необходимо определить, какими параметрами он должен обладать. Выбор следует делать из следующих условий:

• U₀ ≤ Ui;
• I₀ ≤ Ii;
• P₀ ≤ Pi.

Другими словами, барьер искробезопасности должен пропускать через себя такое количество электрической энергии, чтобы во всех режимах работы датчик оставался взрывозащищенным. Для данного датчика выберем барьер ЭнИ-БИС-110-Ех со следующими параметрами:

• максимальное напряжение на выходе U₀ = 25,2 В;
• ток короткого замыкания I₀ = 100 мА;
• максимальная мощность, передаваемая через барьер P₀ = 0,6 Вт;
• максимальное проходное сопротивление ветвей R_max = 280 Ом.

В качестве измерительного прибора может выступать любой прибор, предназначенный для измерения тока в токовой петле и обеспечивающий необходимым классом точности измерения. Для этой цели мы будем использовать измеритель-регулятор МИР-7200. Для расчета нам нужно знать сопротивление токоизмерительного шунта, которое содержится в технической документации и составляет 50 Ом.

Осталось подобрать источник, от которого будет запитан датчик давления через барьер. Для этого необходимо вернуться к выбранному барьеру искрозащиты, так как напряжение на выходе блока питания будет зависеть от U0 барьера. Напряжение на входе барьера не должно превышать напряжения, при котором через стабилитроны начнет протекать ток. Этот параметр указывается в руководстве по эксплуатации на барьер искрозащиты. Если этот параметр не указан, то его можно вычислить условно. Для барьеров с напряжением U0 более 13 В максимальное напряжение, которое можно подать на вход барьера и при котором ток утечки стабилитронов не превысит 10 мкА, составляет:

U_вх max= U₀ – (1…1,5 В).

Для барьеров с напряжением U0 менее 13 В необходимо увеличивать запас по напряжению до 2…2,5 В, поскольку это связано с искривлением вольт-амперной характеристики стабилитронов при снижении напряжения стабилизации.

Рассчитаем максимальное напряжение, которое можно подать на вход выбранного барьера: U_вх max = 25,2 – 1,2 = 24,0 В.

После определения максимального напряжения, которое можно подать на вход барьера, выбираем источник питания. Это может быть как отдельный источник питания, так и встроенный в измерительный прибор с выходным напряжением 24 В и максимальным током нагрузки не менее 25 мА.

После выбора всех необходимых приборов можно составить электрическую схему для проведения окончательных расчетов. Получившаяся схема приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Подключение датчика давления через искробезопасный барьер

Для расчета схемы и проверки ее работоспособности необходимо рассчитать сопротивление кабеля, соединяющего датчик давления с барьером искробезопасности. Часть кабеля, который соединяет блок питания, измерительный прибор и барьер можно не учитывать, если данные блоки смонтированы в непосредственной близости в одном шкафу, так как сопротивление этого кабеля будет ничтожно мало и его при расчетах можно не учитывать. В случае, когда длина этого кабеля значительна, его так же необходимо включить в расчет.

Расчет сопротивления кабеля начинают с измерения необходимой длины. Подключение датчиков ведут с помощью медного кабеля с сечением жил не менее 0,35 мм2. Рассчитаем сопротивление кабеля по формуле:

R_к = ρ · L / S,

где ρ — удельное сопротивление меди 0,017 Ом·мм²/м;

L — длина кабеля, м;

S — площадь сечения кабеля, мм².

При длине кабеля 50 м сопротивление линии составит: R_к = 0,017 · 50 / 0,35 = 2,42 Ом.

Необходимо провести проверку работоспособности схемы — вычислить значения напряжения питания датчика Uд (см. рисунок 5), которое будет на его клеммах при максимальном токе.

Вычисления следует проводить по формуле:

U_д = U_бп – (R_ш + R_max + 2 · R_к) · I_д mах,

где U_бп — напряжение на выходе блока питания;

R_ш — сопротивление шунта измерительного прибора;

R_max — проходное сопротивление барьера;

R_к — сопротивление кабеля;

I_д max — максимально возможный ток, потребляемый датчиком, равный 22,5 мА.

Подставив в формулу значения, получим U_д = 24 – (50 + 280 + 2 · 2,42) · 0,0225 = 16,4 В.

Полученное значение есть ничто иное, как минимальное напряжение, которое будет подаваться на датчик для его питания. Это напряжение должно быть больше минимального напряжения питания датчика, которое для выбранного датчика равно 12 В.

В завершении этого примера остается выбрать конкретный тип кабеля с нужным сечением, вычислить емкость и индуктивность кабеля и затем суммировать значение емкости кабеля с емкостью датчика Ci и индуктивность кабеля с индуктивностью датчика Li. Схема будет считаться рабочей, а цепь искробезопасной, если будут выполняться следующие условия:

• U_д min ≤ U_д;
• L₀ ≥ L_i + L_к;
• C₀ ≥ C_i + C_к.

Если при расчете напряжения для питания датчика становится недостаточно, то необходимо уменьшать сопротивление кабеля (например, увеличив сечение или количество жил), подобрать другой барьер с меньшим проходным сопротивлением, разделить цепь датчика и измерительных приборов на два контура, применив активный барьер искробезопасности.

Рассмотренный выше пример является самым простым, но на практике чаще всего встречаются задачи, когда датчиков может быть несколько, а располагаться они могут на достаточно большой территории и для реализации такой задачи необходимо применять несколько другие подходы. А именно, необходимо помимо обеспечения искрозащиты, каким-то образом защищаться от перекрестных помех, создаваемых оборудованием. Для этих целей схемы барьеров «ib» подходят плохо из-за того, что они имеют глухо заземленный минусовой проводник. При большой территориальной разобщенности оборудования на заземляющих проводниках могут наводиться помехи, с которыми очень тяжело бороться. В таких случаях рекомендуется использовать схемы с плавающим потенциалом сигнальных линий.

Пример такой схемы подключения приведен на рисунке 6. В данной схеме применен барьер со схемой «ia», в которой оба полюса сигнальной линии защищены плавкими предохранителями и имеются стабилитроны для ограничения напряжения и токоограничивающие резисторы, но для работы схемы необходимо чтобы выход источника питания был гальванически развязан от заземления. В данной схеме может быть применен как один источник питания, от которого будут запитаны датчики, так и раздельные источники, имеющие гальваническую развязку от заземления и объединенные общим минусом. Такое построение дает возможность повысить живучесть системы на случай выхода из строя источника питания.

Рисунок 6 — Схема подключения нескольких датчиков к одному измерительному прибору

В плане расчетов схема, приведенная на рисунке 6, ничем не отличается от приведенного выше примера, кроме того, что при расчетах необходимо учитывать сопротивление обеих ветвей. Используя данную схему можно наращивать количество подключаемых датчиков до нужного количества.

В случае, когда минусовой провод измерительного контроллера соединен с выводом заземления (и такое встречается не редко), данная схема работать уже не может. Для нормальной работы в таком случае требуется использование барьера, схема которого приведена на рисунке 7. Обратите внимание на то как выполнена точка подключения заземления в этом барьере. Такое включение с дополнительным стабилитроном дает возможность использовать многоканальный измерительный прибор, общий минус которого соединен с заземлением. Подобная схема требует от барьера увеличения токоограничивающего сопротивления, что приводит к увеличению проходного сопротивления барьера. Поэтому такие барьеры имеют, как правило, более высокий ток короткого замыкания и как следствие — более низкую подгруппу электрооборудованию (IIB или даже IIA).

Рисунок 7 — Схема подключения датчиков через барьеры к контроллеру с общим заземленным минусом

В следующем примере разберемся с выбором и подключением термопреобразователей сопротивления к измерительным приборам через барьер искрозащиты.

Пример 2. К нормирующему преобразователю ЭнИ-702И необходимо подключить платиновый термопреобразователь сопротивления Pt100, расположенный во взрывоопасной зоне на расстоянии 200 метров от измерительного прибора, подгруппа электрооборудования IIC. Диапазон измерения температуры от минус 50 до плюс 100 °С. Схема подключения датчика — четырехпроводная.

Для выполнения расчета необходимы следующие данные:

• ток через измеряемое сопротивление — 0,21 мА;
• максимальное выходное напряжение генератора тока для измерительного преобразователя температуры — 2 В;
• максимальное сопротивление термопреобразователя сопротивления при максимальной измеряемой температуре;
• параметры линии связи (кабеля).

Поскольку подключение будет производиться по 4-х проводной схеме, то можно не заботиться об одинаковом сопротивлении ветвей барьеров, данная схема подключения призвана компенсировать любые изменения в сопротивлении линии связи. Подключение термопреобразователя будем осуществлять через барьер, имеющий схему «ia» чтобы все линии могли работать с плавающим потенциалом. Это позволит снизить влияние помех и даст возможность подключения нескольких термопреобразователей сопротивления к одному прибору, если есть такая необходимость. Подгруппа электрооборудования, которой должен соответствовать барьер искробезопасности, выбирается исходя из того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне.

Теперь необходимо определиться с максимальным напряжением на выходе барьера U0. Проанализировав схемы входных цепей АЦП для подключения термопреобразователя, можно отметить следующее: схемотехника АЦП, применяемая в оборудовании, питается от напряжения 5 В или реже 3,3 В и генератор тока, который поддерживает стабильный ток через измеряемое сопротивление, питается от этого же напряжения. Соответственно напряжения на выходе генератора тока не могут превышать этого значения. Также не стоит забывать, что в зависимости от реализации генератора тока потенциал измерительных выводов может существенно отличаться от потенциала заземления.

Из вышесказанного следует, что напряжение U0 барьера должно быть не ниже 5 В, плюс некоторый запас, а с учетом того, что необходимо обеспечить минимальный ток утечки через стабилитроны менее 1 мкА, то U0 барьера должно быть не ниже 7,5…8 В. Верхнее значение напряжения будет ограничено параметрами линии связи, так как от U0 зависят емкость и индуктивность подключаемого кабеля. Сам термопреобразователь имеет пренебрежимо малую емкость и индуктивность и их в расчете можно не учитывать. Использовать барьеры с U0 ниже 6 В нежелательно, так как в силу физических свойств стабилитронов будет возникать большой ток утечки, который может существенно искажать результаты измерений.

Для примера расчета выберем барьер искрозащиты ЭнИ-БИС-107-Ех, имеющий следующие характеристики:

• U₀ = 12,8 В;
• L₀ = 1,5 мГн;
• I₀ = 100 мА;
• C₀ = 0,5 мкФ;
• Rв max = 130 Ом (сопротивление одной ветви).

Схема подключения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору через барьер искрозащиты приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 — Схема подключения термопреобразователя сопротивления через барьер искрозащиты к измерительному прибору

В качестве линии связи между термопреобразователем и барьером возьмем монтажный кабель МКЭШВ 2x2x0,5 м, который имеет следующие характеристики:

• емкость пары 150 пФ/м;
• индуктивность пары 0,7 мкГн/м;
• сопротивление одной жилы 40 Ом/км.

Рассчитаем какую емкость, сопротивление и индуктивность будет иметь данный кабель при длине 200 метров:

• С_к = 150 · 200 = 3000 пФ;
• L_к = 0,7 · 200 = 140 мкГн;
• R_к = 200 / 1000 · 40 = 8 Ом.

Делаем проверку на допустимые значения емкости и индуктивности линии связи для подгруппы IIC и для данного барьера:

• L_к < L₀:     0,14 < 1,5 мГн;
• C_к < С₀:    0,003 < 0,5 мкФ.

Рассчитанные значения емкости и индуктивности кабеля удовлетворяют требованиям. Теперь необходимо убедиться, что у генератора тока, задающего ток через термопреобразователь, достаточно напряжения для поддержания стабильного тока через барьер и линию связи. Для этого необходимо по ГОСТ 6651-2009 вычислить максимальное сопротивление термопреобразователя. Для Pt100 при температуре 100 °С сопротивление составит 138,51 Ом, а при температуре минус 50 °С — 80,31 Ом. Используя схему на рисунке 8, рассчитаем падение напряжения на барьере с подключенным термопреобразователем и линией связи по формуле:

U_г = I_изм · (2 · R_в max + 2 · R_к + R_tmax),

где I_изм — ток через измеряемое сопротивление;

R_в max — сопротивление одной ветви;

R_к — сопротивление кабеля;

R_tmax — максимальное сопротивление термопреобразователя.

Подставив в формулу значения, получим U_г = 0,00021 · (2 · 130 + 2 · 8 + 138,51) = 0,085 В.

Как видно из расчета напряжение, которое может выдать генератор тока значительно выше требуемого в данном конкретном случае.

Если линия связи достаточно протяженная, то цена кабеля может быть существенна. В таком случае применяется подключение по 3-х проводной схеме с компенсацией, так как один из проводников является общим как для генератора тока, так и для измерительной цепи. Для подключения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору в этом случае требуется барьер, сопротивление ветвей которого имеет минимальный разброс 0,05…0,2 Ом. В этом заключается особенность выбора барьера для 3-х проводной схемы подключения, в отличие от 4-х проводной схемы, где разброс сопротивлений ветвей не принципиален. Такие барьеры специально изготавливают для работы 3-х проводной схемы и в описании на барьер об этом указывают особо, так как для остальных случаев такой точности в проходных сопротивлениях барьера не требуется. Расчеты для 3-х проводной цепи проводятся аналогично, как и для 4-х проводной.

Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления подключенных через барьер искрозащиты по 2-х проводной схеме не применяется ввиду низкой точности измерения, из-за невозможности компенсировать сопротивление барьера и линии связи, которые также зависят от температуры.

Еще один момент, на который хотелось обратить внимание — подключение термопары через барьер искрозащиты к измерительному прибору. Такой вариант возможен, но при его применении возникает ряд сложностей.

Первая сложность заключается в том, что для работы с термопарой в измерительном приборе установлен датчик температуры, который измеряет температуру клеммника для подключения термопары. Этот датчик необходим для компенсации напряжения холодного спая чтобы измерительный прибор показывал только температуру горячего спая, и она не зависела от температуры, которая окружает измерительный прибор (при подключении проводов от термопары к клеммнику между проводом термопары и клеммника образуется еще одна термопара).

Производя подключение термопары через барьер искробезопасности компенсация холодного спая уже не будет работать корректно, а датчик температуры переставить из измерительного прибора на клеммники барьера невозможно.

Вторая сложность, с которой придется столкнуться при таком решении — это борьба с помехами. Если учесть, какое ЭДС вырабатывает термопара (самое большое ЭДС у термопары ТХА при температуре 1300 °С около 75 мВ) и представить, что барьер искрозащиты это полупроводниковый прибор в паре с длинным проводом от термопары являющийся хорошей антенной, то несложно понять, что наведенные радиопомехи в проводе будут детектироваться на стабилитронах барьера как на амплитудном детекторе, а амплитуда таких помех может в несколько раз превышать полезный сигнал. По этим причинам подключение термопар через барьер искрозащиты необходимо рассматривать как крайний вариант. Самым лучшим решением в такой ситуации является применение нормирующего преобразователя, размещенного во взрывоопасной зоне непосредственно возле самой термопары и осуществляющего преобразование сигналов от термопары в токовый сигнал, который можно транслировать на значительные расстояния и не переживать за помехозащищенность.

В заключении следует отметить, что пассивные барьеры могут применяться не только для передачи токовых сигналов и сигналов от термопреобразователей сопротивления, но и для передачи сигналов от потенциометров, управления электропозиционерами, сигналов от кнопок и контактных датчиков, частотных сигналов от расходомеров и так далее. В последующих статьях мы осветим данные темы, а также расскажем об особенностях выбора активных барьеров и барьеров с гальванической развязкой.

Жулин Алексей Владимирович

Начальник конструкторского бюро

Группы приборостроительных компаний

«ИТеК ББМВ»-«Энергия-Источник»

Модельный ряд шунт-диодных барьеров искрозащиты производства ООО «Энергия-Источник»

Наши специалисты по техподдержке готовы ответить на ваши вопросы и подобрать для вас барьер искробезопасности.

Обращайтесь по:

телефону (351) 751-23-42

e-mail: [email protected].

icq: 715058620;

Viber, WhatsApp: +7(922)011-41-53

Стабилитрон. Характеристики стабилитронов

Существует такой тип диода как стабилитрон или, как его ещё называют, диод Зенера. В стабилитроне используется тот же самый p-n переход, но работает диод Зенера совсем иначе! 

При создании различных электронных устройств бывает нужно получить стабильное напряжение для питания какой-либо части этого устройства, так как некоторые схемы, особенно на транзисторах, достаточно чувствительны к колебаниям напряжения питания, которое неизбежно по чисто физическим и техническим причинам. 

Один из способов получения такого стабилизированного напряжения — использование стабилитрона. В зависимости от модели стабилитрона можно поддерживать стабильным напряжение вплоть до 400В. Очень хорошо. Но в радиолюбительской практике высоковольтные стабилитроны редкость и чаще встречаются на 3.3В, 5В, 12В и т.д. 

Конструкция стабилитрона такая же как у диода: p-n переход, два вывода, изолирующая или проводящая _{(встречается у некоторых советских стабилитронов)} оболочка. Но в схеме они используются совсем иначе! Во-первых, стабилитрон подключается минусом к плюсу, а плюсом к минусу. А ты уже знаешь, что при таком подключени диоды ток не проводят. Или проводят? Давай разберёмся.

Принцип работы стабилитрона

Сложно предположить, что еще 70-100 лет назад редкая квартира в городах имела собственную ванную комнату со привычной нам белой чугунной ванной. Если ты сейчас пойдёшь в свою ванную комнату и посмотришь на ванну, то увидишь в ней два отверстия. Одно сливное, расположено на дне ванны, а второе, поменьше, возле края верхнего борта ванны. 

Зачем нужно второе отверстие? Чтобы не затопить соседей! С его помощью ограничивается уровень воды, до которого можно набрать воду в ванну. Как только уровень воды в достигнет защитного отверстия, то лишняя вода будет через это отверстие уходить в канализацию.

Так вот стабилитрон работает аналогично. Как только падение напряжения на нём превысит заданное на заводе значение (3.3В, 5В, 12В и т.д.), стабилитрон отведёт через себя лишний ток, удерживая выходное напряжение на заданном уровне, например, 3.3В

Стабилитрон — это защита от перелива

Пример использования стабилитрона

Возьмём резистор, стабилитрон и соединим их так, как показано на схеме ниже. Стабилитрон включен катодом (минусом) к резистору, а анодом (плюсом) к минусу. Т.е. включен в обратном направлении. В таком положении через стабилитрон протекает ток I_обр — маленький, незначительный ток. Можно считать, что тока практически нет.

Если теперь подать Uвх, то на резисторе Rн будет приблизительно паспортное значение напряжения стабилизации стабилитрона Uст равное 3В, 3.3В, 5В, 12В и т.д. Приблизительное, так как номинал значения любой радиодетали имеет погрешность. Что поделать. Такова жизнь. Кстати, должно выполняться условие Uвх > Uст. Чтобы стбилизация была надежней следует иметь некоторый запас прочности по напряжению.

Если внимательно рассмотреть цепь R1-V1, то можно увидеть хорошо тебе знакомый делитель напряжения. Разница между делителем напряжения из резисторов и делителем напряжения с использованием стабилитрона заключается в том, что если Uвх вдруг слегка увеличится, то и выходное напряжение резистивного делителя напряжения слегка увеличится. И наоборот. 

А вот если вместо резистора в делителе напряжения используется стабилитрон, как на схеме выше, тогда таких изменений Uвых не будет. Конечно при условии, что Uвх ± небольшое изменение > Uвых. 

Достигается это благодаря все тому же эффекту «переливного отверстия», модель которого я использовал, чтобы описать принцип работы стабилитрона.

Характеристики стабилитрона

При использовании стабилитронов следует помнить, что он не всемогущ, а является обычной полупроводниковой деталью. Это значит следует внимательно выбирать для своей схемы подходящий стабилитрон с учетом его характеристик. Для тебя наиболее важными параметрами стабилитрона являются:

• Максимальный ток стабилизации
• Напряжение стабилизации

Максимальный ток стабилизации 

Если неправильно выбрать стабилитрон и ток, который будет через неко протекать во время работы схемы окажется больше, чем допустимое заводское значение, то он начнёт нагреваться и со временем перегрется и выйдет из строя. Поэтому следует выбирать стабилитрон так, чтобы его допустимый максимальный ток был значительно больше, чем ток, который будет через него протекать во время работы схемы. 

Напряжение стабилизации

Стабилитроны выпускаются с жестко заданным напряжением стабилизации. Это его паспортное значение, заложенное при изготовлении на заводе. Поэтому, когда ты выбираешь стабилитрон, то первоначально смотришь на паспортное значение напряжения стабилизации, а затем уже на допустимые ток и мощность.

Что ещё важно знать 

Практически все радиодетали зависят от температуры окружающей среды. И стабилитрон тоже. Это означает, что паспортное напряжение стабилизации может измениться, если температура сильно возрастёт или упадёт. Вот пример, отечественный стабилитрон Д814 напряжение стабилизации при I_ст = 5 мА:

Маркировка	Напряжение стабилизации
При Т = +25°C
Д814А	7…8,5 В
Д814Б	8…9,5 В
Д814В	9…10,5 В
Д814Г	10…12 В
Д814Д	11,5…14 В
При Т = -60°C
Д814А	6…8,5 В
Д814Б	7…9,5 В
Д814В	8…10,5 В
Д814Г	9. ..12 В
Д814Д	10…14 В

Как видно из таблицы при изменениии температуры меняется и напряжение стабилизации. Незначительно, но все же меняется. Хотел бы я посмотреть на любительский прибор, который должен работать при -60… Но знать о том, что напряжение стабилизации зависит от температуры все же надо. 

Прочитал про стабилитрон, прочитай ещё и про:

8. Полупроводниковый стабилитрон. Как работает, расчет простейшей схемы стабилизации на стабилитроне.

 Полупроводниковый стабилитрон (он же диод Зенера) — это тот же полупроводниковый диод, в котором происходит контролируемый механизм пробоя при обратном смещении диода. До момента пробоя, через обратносмещенный диод протекают незначительные токи (микроамперы). При наступлении пробоя, ток через обратносмещенный диод резко и на порядки возрастает. Вся прелесть в том, что при этом напряжение на стабилитроне меняется очень незначительно (по сравнению с током). Это и позволяет его использовать в схемах, где требуется стабильное напряжение, независящее от колебаний источника питания, но об этом позже. Так выглядит условное графическое изображение на схеме:

На рисунке подписаны выводы стабилитрона. Собственно говоря, названия выводов такие же как и у диода, поскольку, по сути это один и тот же элемент.

 Для того чтобы в стабилитроне произошел пробой, требуется просто повышать на нем напряжение до тех пор, пока ток через него резко не возрастет. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение тока через стабилитрон называется напряжением стабилизации. На данный момент существует огромное количество стабилитронов с напряжением стабилизации от единиц до сотен Вольт, причем, напряжение до 6,7 Вольт осуществляется с помощью эффекта туннельного пробоя, всё что выше — с помощью лавинного пробоя. Кто хочет вникнуть в дебри процессов, протекающих в стабилитроне, тому следует пройти по ссылке на статью в Википедии. А здесь будет речь идти о том, как с ним работать.

 Для того чтобы идти дальше, нужно показать ВАХ стабилитрона:

Этот график не совсем похож на те, что обычно рисуют в учебниках, поскольку, данная ВАХ снята в симуляторе эл. цепей, где можно еще и обозначить точки.

 Итак, для снятия ВАХ использовался стабилитрон с напряжением стабилизации (можно сказать с напряжением пробоя) равным 5,6 Вольт. Сама кривая стабилитрона обозначена коричневым цветом. Для наглядности, курсор синего цвета выставлен на начало координат (0).

Далее, перемещаем курсор красного цвета левее на начало резкого увеличения обратного тока, и видим, что напряжение составило 5,61 Вольт, при этом ток равен 5,82 миллиампер (имеется ввиду по модулю). Далее, напряжение слабо меняется по сравнению с током, в этом и есть вся прелесть данного элемента. Кстати, если посмотреть на правую часть графика, то видно, что при превышении прямого напряжения равного ≈ 0,65 Вольт, прямой ток начинает резко увеличиваться. Это говорит о том, что при прямом смещении наш элемент работает как диод. Это и не мудрено, поскольку это один и тот же  p-n переход, просто чтобы   использовать его в качестве диода, технологически делают так, чтобы обратное напряжение пробоя в нем было как можно больше (до 1000 Вольт для сетевого напряжения ), чтобы он при обратном смещении не пробился и не нарушил работу схемы, например, мостового выпрямителя для сетевого напряжения, где амплитудное значение доходит до ≈ 310 Вольт. Если поставленнаяя цель — использование пробоя в обратносмещенном p-n переходе для стабилизации напряжения, тогда технологически делают так, что обратное напряжение пробоя p-n перехода наступает при относительно малых напряжениях.

 Теперь разберемся, как же с ним работать. Во-первых, есть важное правило. Ток через стабилитрон нужно ограничивать, иначе, он просто сгорит. Делать это можно, например, с помощью резистора. Для того чтобы рассчитать его номинал, следует узнать минимальный рабочий ток стабилитрона, который можно посмотреть по даташиту на данный стабилитрон. Как правило, он начинается с 5 миллиампер. максимальный ток через стабилитрон также в нем указан. Дальше, нужно узнать, какой ток потребляет наша схема. В итоге, формула для расчета резистора, ограничивающего ток через стабилитрон имеет следующий вид:

Rогр = (U пит-Uстаб)/(Icтаб+Iнагр),

где Rогр — резистор, ограничивающий ток через стабилитрон, U пит — напряжение питания схемы, Uстаб — напряжение пробоя стабилитрона, Icтаб — ток, проходящий через стабилитрон, Iнагр — ток нагрузки. Итак, допустим что нам нужно рассчитать R огр исходя из известных величин:

Uстаб = 5,6 Вольт;

Iнагр 10 миллиампер.

Еще один важный момент. В итоге, Rогр должен быть таким, чтобы полученный ток через стабилитрон был больше или равен минимальному току стабилизации, указанному в даташите на стабилитрон. Теперь посчитаем. Поскольку ток нагрузки у нас равен 10 миллиампер, то ток через стабилитрон у нас должен быть в нашем случае больше или равен 5 миллиампер (это минимальный ток стабилизации стабилитрона, который будет использоваться дальше в симуляции для проверки). Возьмем, например Icтаб=20 миллиампер. Теперь все подставляем в формулу и рассчитываем:

                                                           Rогр = (12-5,6)/(0,02+0,01)=213,3 (Ом)

Соберем схему в симуляторе и проверим наши расчеты:

Для того чтобы обеспечить величину тока нагрузки для этой схемы, подключен резистор R2 с таким номиналом, что ток нагрузки практически равен 10 миллиампер. Величина резистора нагрузки рассчитывается легко с помощью закона Ома, зная величину напряжения на стабилитроне и требуемый ток нагрузки. Амперметр AM1 измеряет ток через ограничивающий резистор, АМ2 — через стабилитрон, АМ3 — это ток нагрузки. Как видно, результаты практически совпали. В идеале, ток через стабилитрон немного меньше расчетного потому что напряжение измеренное на стабилитроне с помощью вольтметра VM1 составило не 5, 6 Вольт, а 5,71 Вольт. Это связано стем, что это напряжение все-таки немного зависит от протекаемого тока через стабилитрон и увеличивается по мере увеличения этого тока. Чем меньше напряжение будет зависеть от протекаемого тока, тем лучше для нашей нагрузки. Для практических расчетов вышеприведенной формулы вполне хватает.

  Величину изменения напряжения стабилизации от протекаемого тока охарактеризовывает его дифференциальное сопротивление, о котором ранее было описано тут. Этот параметр обычно тоже указывают в даташите. Давайте теперь подключим последовательно с источником питания какой нибудь синусоидальный сигнал амплитудой 1 Вольт и частотой 50 Гц и посмотрим, как это отразится на выходном напряжении стабилитрона. Это собранная схема для испытаний:

Здесь вывод VF1 подключен для измерения величины амплитуды на генераторе. А это график напряжений, полученный с выводов VF1 и VM1:

Как видно, полный размах пульсирующего напряжения на входе схемы достигает 2 Вольт, а на выходе стабилитрона этих пульсаций практически не видно, значит, что он отлично справляется с поставленной задачей.

Как выбрать стабилитрон?-Официальный сайт Dongguan Merry Electronics Co.

, Ltd.

Стабилитроны обычно используются в регулируемых источниках питания в качестве эталонного источника питания и работают в состоянии обратного пробоя. При использовании обратите внимание на положительные и отрицательные связи. Положительный полюс трубки соединяется с отрицательным полюсом источника питания, а отрицательный полюс трубки соединяется с положительным полюсом источника питания. При выборе трубки регулятора напряжения следует учитывать конкретную электронную схему.Для простого источника питания с параллельной стабилизацией выходным напряжением является стабильное напряжение стабилитрона. Источником стабилизации напряжения транзисторного радиоприемника может быть лампа стабилизации напряжения типа 2CW54, а стабилизирующее напряжение может достигать 6,5 В.

Значение стабилизации напряжения стабилитрона очень дискретно, даже если продукты одного производителя и одной модели имеют разные значения стабильного напряжения, следует уделить внимание выбору. Для цепей с более высокими требованиями значение регулировки следует проверить перед выбором. Для стабилитронов с защитой от перенапряжения стабильное напряжение следует выбирать в соответствии с напряжением защиты. Стабильное значение напряжения не должно быть слишком большим или слишком маленьким, иначе оно не будет играть роли в защите по напряжению.

При использовании стабилизатора напряжения следует учитывать, что обратный ток стабилитрона не может увеличиваться до бесконечности, иначе стабилитрон выйдет из строя из-за перегрева. Следовательно, стабилитрону обычно требуется последовательный токоограничивающий резистор в цепи.При выборе стабилитрона, если вам нужна лампа с большей величиной регулирования напряжения, но ее нет в наличии на СТО, вы можете последовательно использовать несколько ламп с меньшей величиной регулирования напряжения. Когда требуется лампа с более низким значением регулирования напряжения, и ее нельзя купить, вместо стабилитрона можно использовать обычный прямой кремниевый диод. Например, два последовательно соединенных кремниевых диода 2CA82A можно использовать в качестве стабилизатора напряжения 1,4 В. Однако, как правило, не допускается последовательное использование трубок Зенера.

При выборе стабилитрона, помимо таких параметров, как стабильное напряжение и максимальный рабочий ток, следует также обратить внимание на выбор стабилитрона с меньшим динамическим сопротивлением, поскольку чем меньше динамическое сопротивление, тем лучше характеристики регулирования напряжения. Например, динамическое сопротивление регулятора 2CW53 менее 500 Ом, а динамическое сопротивление диода регулятора 2CW55 менее 10 Ом.

Приведенное выше объяснение является методом выбора стабилитронов.Надеюсь, она будет вам полезна после прочтения. Если вы хотите узнать больше о диодах Зенера, пожалуйста, нажмите на наш веб-сайт, чтобы просмотреть!

Как выбрать стабилитрон?

Как выбрать стабилитрон?

При выборе напряжения стабилитрона следует помнить, что напряжение эмиттера будет ниже напряжения стабилитрона на величину напряжения база-эмиттер – около 0,6 вольта для кремниевого транзистора.

Как узнать, какой диод использовать?

Причина выбора диода с определенными параметрами следующая: Обратное напряжение: Выберите, чтобы оно было выше максимально возможного обратного напряжения, которое может быть замечено на устройстве.(Когда диод выключен.) Прямой ток: выберите значение, превышающее максимально возможный ток, протекающий через устройство. 16 января 2015 г.

Все ли стабилитроны одинаковы?

Стабилитрон обладает почти такими же свойствами, за исключением того, что устройство специально разработано так, чтобы иметь пониженное напряжение пробоя, так называемое напряжение Зенера. … Например, диод с напряжением пробоя стабилитрона 3,2 В демонстрирует падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов.

Как определить стабилитрон?

Стабилитроны

могут быть неотличимы от обычных диодов. Стабилитроны могут иметь темный пластиковый корпус с темной полосой, такой же окраски, как и у других диодов. Многие другие стабилитроны медного цвета и заключены в стеклянный корпус с белой, черной или синей полосой. 31 августа 2009 г.

Что такое напряжение стабилитрона и ток стабилитрона?

Зенеровский диод — это особый тип диода, предназначенный для надежного протекания тока «в обратном направлении» при достижении определенного заданного обратного напряжения, известного как напряжение Зенера.… Диоды с более высоким напряжением Зенера имеют более постепенный переход, и их режим работы также включает лавинный пробой.

Как найти напряжение стабилитрона?

Какое выходное напряжение у стабилитрона?

Стабилитрон-регулятор напряжения состоит из токоограничивающего резистора RS, включенного последовательно с входным напряжением VS, со стабилитроном, подключенным параллельно нагрузке RL в этом состоянии обратного смещения. Стабилизированное выходное напряжение всегда выбирается равным напряжению пробоя VZ диода.

Как найти максимальную мощность стабилитрона?

Максимальная мощность, которую стабилитрон может рассеивать без каких-либо повреждений, называется его номинальной мощностью и определяется произведением напряжения на диоде и протекающего через него тока. Мощность = напряжение x ток.

Каков максимальный ток Зенера?

Значения напряжения стабилитрона в диапазоне E12
—————————————
1.8
3,3
5,6

Сколько падает напряжение на стабилитроне?

При прямом смещении стабилитроны ведут себя почти так же, как стандартные выпрямительные диоды: они имеют прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0,7 вольт.

В каком диапазоне доступен стабилитрон?

Технические характеристики стабилитрона

Напряжение стабилитрона – относится к обратному напряжению пробоя. Это колеблется от 2,4 В до 200 В, в зависимости от конкретного диода. Ток (максимальный) – максимальный ток при номинальном напряжении стабилитрона.Это может варьироваться от 200 мкА до 200А.

Как узнать, какой стабилитрон использовать?

Отрицательный или черный провод мультиметра должен быть на катоде или отмеченной стороне диода. Кремниевый диод с прямым смещением должен показывать от 0,5 до 0,7 вольт, так что это показание, которое вы должны увидеть для стабилитрона. Чтобы проверить напряжение обратного смещения, поменяйте местами выводы мультиметра. 31 августа 2009 г.

Можно ли заменить стабилитрон?

Вы можете заменить стабилитрон источником постоянного напряжения при анализе схемы и подключить его напрямую к цепи без последовательного сопротивления.

Стабилитрон

Регулятор напряжения | Объяснение и способ сборки – Wira Electrical

Регулятор напряжения на стабилитроне представляет собой электрическую схему, которая поддерживает постоянное выходное напряжение постоянного тока с помощью стабилитрона. Идеальный регулятор будет обеспечивать постоянное напряжение независимо от входных колебаний или изменений тока нагрузки.

Зенеровский диод является популярным среди типов диодов.

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это тип диода, который специально разработан для работы в условиях обратного смещения.Они имеют более узкую область обеднения, чем обычные диоды, потому что они более легированы.

Когда напряжение на обычном диоде превышает обратное напряжение пробоя, диод пробивается, но стабилитроны работают только в этом диапазоне. При снятии обратного напряжения с стабилитрона зона обеднения возвращается в исходное состояние.

Благодаря этой функции стабилитроны полезны в качестве регуляторов напряжения. Давайте посмотрим, как это работает.

Прежде чем мы сможем понять, как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне, мы должны сначала понять, как он работает.

Когда на стабилитрон подается обратное напряжение, через цепь протекает очень небольшой ток. Пробой стабилитрона происходит, когда приложено напряжение, превышающее напряжение пробоя стабилитрона.

Что такое пробой Зенера

Принцип пробой Зенера определяет работу диодов Зенера. Высокое напряжение может позволить электронам туннелировать через зону истощения на другую сторону перехода, когда PN-переход сужен.

Поскольку электрон демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм, туннелирование является квантово-механическим явлением.В квантовой механике электроны рассматриваются как волновые функции, а не как основные «частицы».

Они рассредоточены по всему пространству, с вероятностью встречи в определенном месте. Из-за этого вероятностного характера, если барьер (например, обедненная область) сделать достаточно маленьким, электрон имеет шанс туннелировать через него на противоположную сторону.

Пробой стабилитрона происходит, когда через диод проходит большой ток, а напряжение падает незначительно. При дальнейшем увеличении обратного напряжения напряжение на диоде остается постоянным на уровне напряжения пробоя Зенера, но ток через него продолжает расти, как показано на графике выше.

Напряжение пробоя Зенера обозначено на графике как Vz. В зависимости от приложения напряжение пробоя стабилитрона может варьироваться от 1,2 В до 200 В.

Интересная часть этого диода заключается в том, что мы можем использовать его в качестве регулятора напряжения в нашей схеме, выбрав стабилитрон с достаточным пробойным сопротивлением. Напряжение.

Например, давайте представим, что мы хотим, чтобы напряжение на нагрузке в нашей цепи было меньше 12 вольт. Тогда мы можем подключить стабилитрон через нагрузку с напряжением пробоя 12 вольт.

Напряжение на нагрузке никогда не превысит 12 вольт, даже если входное напряжение превысит эту цифру.

Давайте посмотрим на принципиальную схему, чтобы понять, о чем мы говорим.

В этом примере стабилитрон подключен параллельно нагрузке RL. Напряжение на нагрузке должно быть регулируемым и не должно превышать Vз.

Мы выбираем стабилитрон с напряжением пробоя Зенера, близким к требуемому напряжению на нагрузке, исходя из наших потребностей. Зенеровский диод включен в режиме обратного смещения.

Через диод протекает значительный ток, когда напряжение на нем превышает напряжение пробоя Зенера. Падение напряжения на нагрузке равно напряжению пробоя Зенера, так как нагрузка подключена параллельно диоду.

Зенеровский диод обеспечивает путь прохождения тока, защищая нагрузку от чрезмерных токов. В результате стабилитрон выполняет две функции: действует как регулятор напряжения и защищает нагрузку от чрезмерного тока.

Что такое стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон используется в стабилизаторе на стабилитроне для создания постоянного выходного напряжения.Это просто и недорого, что делает его идеальным для различных приложений и для обучения людей работе с регуляторами напряжения.

Стабилитроны представляют собой уникальную форму полупроводниковых диодов. Они состоят из легированного P-N перехода, как и обычные диоды.

При прямом смещении все диоды пропускают ток. Диоды Зенера, в отличие от других диодов, предназначены для того, чтобы пропускать ток, даже когда они смещены отрицательно.

При обратном смещении стабилитроны имеют напряжение Зенера VZ, что делает их превосходными для использования в качестве источника опорного напряжения или регулятора.Даже если ток колеблется, напряжение Зенера VZ остается в основном постоянным.

Это демонстрирует вольтамперная характеристика стабилитрона.

Фактическое значение VZ определяется используемыми полупроводниковыми материалами и конструкцией диода. Доступны сотни стабилитронов с различными значениями VZ.

Это означает, что вы можете выбрать стабилитрон в зависимости от необходимого выходного напряжения при создании стабилитрона.

Как собрать регулятор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон — это особенно полезный регулятор напряжения.Он может работать как регулятор напряжения, подключив его соответствующим образом в цепь, регулируя количество напряжения, которое он подает на устройство.

Чтобы использовать стабилитрон в цепи для управления напряжением, он должен быть смещен в обратном направлении и подключен параллельно источнику питания, который обеспечивает напряжение стабилитрона, при этом источник питания должен быть подключен к резистору. В этом проекте будет использоваться резистор 1 кОм.

Как работает схема регулятора напряжения на стабилитроне

Приведенная ниже схема идеально подходит для создания регулятора напряжения на стабилитроне.Питание 12 В отключается при прохождении через резистор 1 кОм и стабилитрон. Рассматриваемый стабилитрон имеет напряжение пробоя 5,1 вольта.

Это приводит к падению напряжения 5,1 В на стабилитроне, а оставшиеся 6,9 В падают на резистор 1 кОм. На стабилитроне будет поддерживаться постоянное постоянное напряжение 5,1 В.

Нагрузка, которую питает стабилитрон, подключается параллельно ему. Это связано с тем, что параллельное напряжение равно.Итак, если стабилитрон подключен параллельно, напряжение, которое он излучает на устройство, будет 5,1 В.

Так работает стабилитрон с точки зрения регулирования напряжения.

Поэкспериментируйте с альтернативными настройками, если у вас нет точных значений, указанных выше, таких как напряжение постоянного тока или точный стабилитрон.

Все, что вам нужно, это напряжение, превышающее напряжение пробоя стабилитрона, а также резистор для отвода избыточного напряжения от стабилитрона, для чего и предназначен резистор 1 кОм.

Схема регулятора напряжения на стабилитроне и формула

Регулятор напряжения на стабилитроне состоит из последовательного соединения стабилитрона с резистором, при этом стабилитрон находится в режиме обратного смещения. Диод Зенера заменяет второй резистор, что делает его эквивалентным делителю напряжения.

Выходное напряжение снимается с стабилитрона, Vout = VZ:

Обычно этот выход подключен к нагрузке, как показано нагрузочным резистором RL:

VZ стабилитрона не будет сильно изменение тока, в отличие от резистора в делителе напряжения, поэтому Vout должно оставаться постоянным.

Регуляторы Зенера полагаются на напряжение Зенера диода, которое основано на квантово-механическом принципе туннелирования. Напряжение на диоде можно рассматривать как эквивалентное напряжению Зенера VZ в целом.

Суммарное напряжение нагрузки равно VZ, так как напряжение нагрузки приложено к стабилитрону.

Оставшееся напряжение должно быть уменьшено на резисторе R1. Другими словами,

Мы можем переписать это, используя закон Ома, как:

Полный ток в цепи равен току через стабилитрон плюс ток через нагрузку, и он рассчитывается как следующим образом:

Хотя весь ток должен проходить через R1, стабилитрон и нагрузка увидят только его часть.

Мы видим, что сопротивление нагрузки может оказывать значительное влияние на динамику цепи, поскольку ток нагрузки также зависит от сопротивления нагрузки.

Как собрать схему стабилизатора напряжения на стабилитроне

Давайте воспользуемся той же схемой, что и выше, чтобы полностью понять, как собрать схему стабилизатора напряжения на стабилитроне.

При проектировании и сборке схемы стабилизатора напряжения на стабилитроне необходимо выполнить несколько шагов:

Расчет номинальной мощности

Максимальная номинальная мощность стабилитрона определяет максимальное количество электроэнергии, которое он может безопасно рассеять. .

Поскольку напряжение Зенера VZ в основном постоянное, номинальная мощность в основном определяет максимальный ток, который может выдержать диод: Напряжения Зенера доступны в широком диапазоне диодов. Метод начинается с подбора диода с напряжением Зенера (ВЗ), соответствующим выходному напряжению, которое будет давать регулятор.

Также следует учитывать мощность и ток; разные стабилитроны с одним и тем же VZ могут быть построены для разных приложений.Лист данных для диода обычно информирует вас о предполагаемых применениях диода, а также о технической информации.

Чтобы выбрать резистор, вам необходимо знать две характеристики:

(1) Ток пробоя диода, часто называемый током колена или минимальным током (Imin).

(2) Номинальная мощность диода, т. е. максимальная мощность, при которой он может безопасно работать. Максимальный ток можно рассчитать, используя номинальную мощность и напряжение Зенера VZ:

Выберите резистор

Два найденных параметра можно использовать для расчета номинала резистора, необходимого для замыкания цепи.

Рассчитайте минимальное сопротивление

Используя наибольший ток и введя его в закон Ома, вы можете найти минимальное значение сопротивления (Rmin):

Рассчитайте максимальное сопротивление введя его в закон Ома, вы можете найти максимальное значение сопротивления (Rmax):

Рассчитать идеальное значение сопротивления с нагрузкой

Мы можем использовать сопротивление нагрузки, чтобы получить оптимальный резистор, теперь, когда мы знаем минимальное и максимальные значения резисторов, необходимые для правильного использования выбранного стабилитрона.

Закон тока Кирхгофа (KCL) гласит, что ток, выходящий из любого соединения, должен совпадать с током, входящим в соединение. Ток, протекающий через резистор (IR), должен быть равен току, протекающему через стабилитрон, плюс ток, протекающий через нагрузку, в этом случае:

Максимальный ток нагрузки:

Минимальный ток нагрузки:

Регулятор напряжения на стабилитроне как компонент источника питания

9 выпрямительный фильтр и стабилизатор напряжения, в источниках питания часто используются стабилитроны.

Синусоидальный сигнал переменного тока преобразуется выпрямителем в импульсный сигнал постоянного тока.

Фильтр выпрямителя сглаживает импульсный сигнал постоянного тока, в результате чего формируется треугольная/пилообразная форма волны без пульсаций.

Если цепь отключена от источника питания, то стабилизирующий резистор рассеивает заряд, накопленный в конденсаторах фильтра.

Наконец, стабилитрон создает постоянное напряжение, поглощая колебания напряжения и тока.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент необходим для регулирования напряжения, чтобы диод оставался в зоне пробоя?

Чтобы диод оставался в зоне пробоя, необходим минимальный обратный ток для регулирования напряжения.

Как установить область пробоя при изготовлении диода?

Область пробоя можно задать при производстве диода путем изменения уровня легирования.

Что такое пробой Зенера?

Поломка стабилитрона происходит при одновременном выходе из строя выпрямителя и стабилитрона.

Когда входное напряжение изменяется в пределах ограничений, что происходит с выходным напряжением постоянного тока?

Когда вход изменяется в пределах регулятора напряжения, выходное напряжение постоянного тока остается постоянным.

Зенеровский диод делает паршивый регулятор

Стабилитрон часто используется для создания опорного напряжения. В учебниках и даже учебниках для колледжей есть упоминания о создании стабилизатора на основе стабилитрона. Идея состоит в том, что стабилитрон поддерживает известное падение напряжения. Проблема в том, что текущий имеет значение. В этом посте представлен краткий обзор стабилитронов и показано, что произошло, когда я попытался запитать микроконтроллер с помощью «регулятора стабилитрона».

Обзор стабилитронов

Просто краткий обзор, если вы не знакомы со стабилитронами.Как и обычные диоды, стабилитроны имеют низкое прямое напряжение. Обычно напряжение около 0,7. Однако разные наборы материалов могут обеспечивать разное прямое напряжение.

Также, как и обычные диоды, имеется обратное напряжение пробоя. Если вы посмотрите на здоровенный диод, такой как 1n4001, вы обнаружите, что напряжение пробоя начинается от 50 вольт.

1n4001 Обратное напряжение пробоя

Диоды Зенера

уникальны тем, что их обратное напряжение пробоя относительно низкое. У меня, например, 3.3, 5,0, 9,1 и 12 вольт. (Интересные цифры, не так ли?)

Кривая показывает, что выше прямого напряжения и «ниже» обратного напряжения диод проводит. Я поставил ниже в кавычках, потому что это предполагает отрицательный потенциал. Этот комментарий не означает, что вам нужен источник отрицательного напряжения, просто диод смещен в обратном направлении. Также известен как обернувшийся.

Регулятор стабилитрона

Как уже упоминалось, идея стабилитрона заключается в том, что на диоде падает стабильное напряжение при обратном смещении.Более того, с такими значениями, как 3,3 и 5,0, о которых я упоминал ранее, это начинает звучать как хороший вариант, не так ли?

BZX79C3V3 от Fairchild (на полу)

В качестве примера возьмем стабилитрон BZX79C3V3. Обратите внимание в таблице характеристик, что обратное напряжение составляет 3,3 вольта при 5,0 мА.

Идея состоит в том, что вы выбираете значение резистора, возможно, даже точное значение, чтобы создать достаточный ток для обратного смещения стабилитрона на 5,0 мА.

Однако с этой базовой схемой возникла проблема.Ток, протекающий через нагрузку, также должен протекать через резистор. По закону Ома падение напряжения на резисторе изменяется в зависимости от протекающего через него тока.

Питание ESP8266 с стабилитроном

Используя приведенную выше схему, я попытался запитать ESP8266 напряжением 5,0 вольт. Перед построением этой схемы я измерил, что потребляемый ток ESP8266 составляет 60 миллиампер при питании от источника питания 3,3 В.

При использовании стабилитрона на 3,3 В последовательный резистор падает на 1.7 вольт. С 60 мА на нагрузке и 5 мА на стабилитроне закон Ома говорит нам, что нам нужен резистор 28 Ом. Ближайшее значение, которое у меня есть, это 22 Ом.

Когда я подключил схему, на ESP8266 ничего не произошло. Узел VOUT измерял около 0,9 вольт. Хуже всего то, что какое бы я не делал напряжение источника, узел VOUT оставался на уровне 0,9 вольта.

По наитию я снизил номинал резистора примерно на 10 Ом.

При измерении мультиметром я увидел только 1.8 вольт на делителе. Однако ESP8266 работал. После сброса ESP8266 я увидел 2,5 вольта. И в зависимости от того, сколько веса было на моей левой или правой ноге, любое значение между ними.

Так что, черт возьми, здесь происходит? Ну, во-первых, спасибо, что продолжаете читать, прежде чем перейти к комментариям, чтобы сказать следующее утверждение. Вы не можете рассматривать микроконтроллер, особенно систему на кристалле (SOC), как постоянную нагрузку.

Когда я нажимаю и удерживаю кнопку RESET, узел Vout переходит на чистую цифру 3.4 вольта. В этот момент большинство активных цепей микросхемы отключены.

Поскольку ESP8266 имеет высокую импедансную нагрузку, почти весь ток в этой цепи протекает через последовательный резистор и ESP8266. Сила тока была ошеломляющей, почти 200 мА. Потрясающе, когда можно было ожидать только около шестидесяти.

Больше проблем с регулятором Зенера

Все это упражнение должно было показать, почему стабилитрон — паршивый регулятор. Падение напряжения слишком сильно зависит от тока, протекающего через переход. Это означает, что «схема регулятора» зависит от постоянной нагрузки. Любое активное устройство приведет к нестабильности узла VOUT.

Итак, что хорошего в этой схеме стабилитрона? Ну это не регулятор. Вместо этого это ссылка.

Например, вы можете использовать аналогичную схему на Arduino AREF. Допустим, вы используете аналоговый датчик, который выдает максимум 3 вольта. Использование эталона Зенера может дать АЦП большее разрешение.

Вы можете использовать схему Зенера в качестве эталона для операционного усилителя.Эта схема не слишком отличается от того, как работают линейные регуляторы.

Урок здесь заключается в том, что если вы хотите использовать схему стабилизатора на стабилитроне, вам нужно пересмотреть свою конструкцию. В некоторых очень редких или крайних случаях это будет работать нормально.

Если вы использовали стабилитрон в качестве регулятора, а не эталона, оставьте комментарий ниже. Я хотел бы услышать, как вы его использовали.

Zener Diode — параметры, принцип работы, области применения и преимущества

Zener Diode — это особый тип кремниевого полупроводникового устройства, работающего в области пробоя Зенера. В этом посте будет подробно рассказано о том, что такое стабилитрон, его параметры, принцип работы, применение в качестве регулятора напряжения, ограничителя и преобразователя напряжения.

Что такое стабилитрон

В общем, диоды представляют собой полупроводниковые устройства, пропускающие ток при прямом смещении и оказывающие сопротивление при обратном смещении. Стабилитрон — это диод особого типа, в котором может протекать критическое обратное напряжение и больший обратный ток.

Он начинает проводить в условиях обратного смещения, когда приложенное напряжение выше напряжения пробоя, и это напряжение называется напряжением пробоя Зенера.Он назван в честь Кларенса М. Зенера, американского физика, который изобрел его в 1905 году. Он пропускает электроны из валентной зоны материала P-типа в зону проводимости материала N-типа. Другими словами, он пропускает больший электрический ток, чем другие диоды с PN-переходом. Он начинает проводить ток при обратном напряжении пробоя и продолжает работать в режиме обратного смещения.

Этот тип диода имеет преимущество, так как падение напряжения в широком диапазоне напряжений остается постоянным. Вольт-амперная (VI) характеристическая кривая стабилитрона и ее 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 превышается, обратный ток резко возрастает, что называется пробоем, а обратное сопротивление внезапно падает до небольшого значения.

Рис. 2 – Характеристики и символ ВИ

Параметры стабилитрона

На характеристики ВИ влияют различные параметры. Это:

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

Другими параметрами, влияющими на производительность, являются прямой ток, прямое напряжение и тип упаковки и т. д.

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

Минимальный ток Зенера

Это ток, необходимый для проведения стабилитрона в области пробоя.

Номинальное напряжение

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

Рассеиваемая мощность

Это максимальная мощность, которую может рассеивать стабилитрон. Рассеиваемая мощность является важным параметром, который следует учитывать при выборе стабилитрона, поскольку чрезмерная номинальная мощность приводит к чрезмерному повышению температуры, что приводит к необратимому повреждению устройства.

Как работает стабилитрон

Устройство работает по принципу эффекта Зенера, что означает, что обратная проводимость возникает благодаря квантовому туннелированию электронов 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.

Рис.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. когда температура повышается, обедненный слой уменьшается . В этой узкой области обеднения энергия валентных электронов атома возрастает, и электрическое поле с меньшей интенсивностью может возбуждать валентные электроны от атомов, вызывая пробой Зинера.

Когда обедненный слой широкий с большей напряженностью электрического поля, повышение температуры; увеличивает энергию атомов решетки, что препятствует движению носителей, вызывая лавинный пробой. Лавинный пробой происходит только при увеличении обратного напряжения и, следовательно, положительном температурном коэффициенте.

Применение стабилитрона

Способность выдерживать высокое напряжение без повреждения создает несколько применений в современных электронных схемах. Три основных применения перечислены ниже:

• Регулятор напряжения
• Цепь ограничения
• Сдвиг напряжения

Использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Основное применение регулятора напряжения — обеспечение постоянного выходного напряжения изменения энергии, потребляемой током нагрузки или нестабильностью питающего напряжения.

Рис. 4 иллюстрирует свойство регулирования напряжения стабилитронов.Резистор R1 подключен к стабилитрону последовательно. Диод подключен в обратном смещении для регулирования напряжения.

Рис. 4 – Схема регулятора напряжения

Резистор R1 рассчитывается по приведенной ниже формуле.

R1 = (V _в — V _Z ) / I _Z

, где

• I _Z = ZENER TEX
• V _Z = ZENER / Выходное напряжение
• _в = Входное напряжение
• R1 = Сопротивление

Основываясь на формуле, легко убедиться, что значение выбранного резистора не приводит к протеканию тока выше, чем ток Зенера.

Использование стабилитрона в качестве ограничителя

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

Рис. 5 – Цепь ограничения

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 колебания схемы ограничения, то оно предотвращает превышение напряжения, превышающего напряжение пробоя Зенера, без изменения формы входного сигнала.

Во время отрицательного колебания цепи ограничения она действует как обычный кремниевый диод и ограничивает выходное напряжение. Чтобы обрезать выходной сигнал как в положительном, так и в отрицательном направлении; используется двойная схема ограничения Зенера.

Использование стабилитрона для смещения напряжения

Схема смещения напряжения, помогающая преобразовывать сигнал из одной области напряжения в другую.Они способны поддерживать стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения, что делает их идеальным компонентом в качестве преобразователя напряжения. Это устройство в схеме стабилизатора напряжения минимизирует выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя стабилитрона. Пример схемы стабилизатора напряжения показан ниже на рис. 6.

Рис. 6 – Схема стабилизатора напряжения виды диодов.

Обладают очень высокой рассеиваемой мощностью.

Недостатки стабилитрона

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 наблюдается небольшое изменение выходного постоянного тока из-за сопротивления Зенера.

  Читайте также:
Тиристор - работа, характеристики VI, типы, применение, преимущества и недостатки
Гальванический элемент - конструкция, типы, принцип работы, применение, преимущества 
  Термистор – классификация, принцип работы, применение и преимущества 
 

Практический пример стабилитрона в качестве источника напряжения…

ТЕХНОЛОГИЯ

Итак, мы рассмотрели стабилитроны, как они работают и некоторые концепции — как они используются для регулирования напряжения, мы рассмотрели их. концептуально, математически, мы рассмотрели двухполупериодные и двухполупериодные выпрямители и показали, как они могут производить определенное напряжение, которое вам нужно, и как мы можем даже сгладить его.Но мы еще не говорили о том, как стабилитрон работает в качестве регулятора напряжения в реальной жизни.

Впервые я услышал о стабилитроне и о том, как его можно поставить в обратное смещение, и тогда он даст именно то напряжение, которое вы хотите, это как… это почти похоже на волшебство. Это фантастика. Это круто. Но чем больше я узнавал об этом, да, это все еще потрясающе. Но это сложно. Есть много вещей, которые нужно учитывать. Итак, прямо сейчас в этой очень, очень простой настройке у нас есть четыре вещи, о которых нам нужно беспокоиться, чтобы убедиться, что все работает правильно.И поэтому я собираюсь просмотреть их очень быстро, а затем мы собираемся возиться с вещами и показать, почему это такая сложная задача.

Итак, первое, что у нас есть, это подача напряжения. Таким образом, независимо от того, какое напряжение приходит, это переменная, о которой вам нужно беспокоиться. Во-вторых, сам стабилитрон и то, на что он рассчитан, в данном случае он рассчитан на 5,1 вольта. И затем у нас есть наша нагрузка, которая находится где-то между нагрузкой с нулевым сопротивлением и нагрузкой 1000 Ом. И еще у нас есть резистор, единственная цель которого в жизни — сделать так, чтобы диод Зенера не взорвался, когда нет никакой нагрузки и напряжение становится слишком высоким.В данном случае это резистор на 100 Ом.

Теперь, в идеальных условиях, этот резистор на 100 Ом был бы довольно мощным. Это может быть что-то около пяти ватт или 10 ватт или что-то в этом роде. К сожалению, у меня не так много резисторов, которые не лежат в основном на четверть ватта или даже на восемь ватт. А я искал и ничего не нашел. Таким образом, мы застряли с резистором на четверть ватта, 100 Ом, который действует как защитный барьер. И это будет означать, что мы не можем слишком сильно повышать входное напряжение, пока тестируем его. Но в том-то и дело. Вот в чем дело. Это одна из проблем, связанных со всем этим, поскольку у вас есть эти четыре переменные, и по мере изменения одной из них все остальное должно двигаться. Вы потеряете эффективность, или у вас возникнут другие проблемы. Итак, давайте углубимся в это. И давайте посмотрим, смогу ли я быть последовательным, когда я прохожу здесь различные испытания.

Таким образом, главная цель всего этого состоит в том, чтобы напряжение на стабилитроне было 5,1 вольта. Это главная цель всего.Теперь оно должно быть 5,1 вольта при любых обстоятельствах. Теперь этого никогда не произойдет. Если ваш вклад ниже определенного порога. Если ваш вход составляет пять вольт, вы не получите волшебным образом 5,1 вольта на стабилитроне. И на самом деле, как вы это измеряете, давайте начнем. Итак, прямо сейчас, если я упаду ниже примерно 5,7 вольт, вы увидите, что мое напряжение на стабилитроне падает. Так что вам нужно не только 5,1 вольта, вам нужно немного больше 5,1 вольта, чтобы он оставался там, где должен, и это мигает повсюду, потому что я не держу его должным образом. Но затем, как только вы подниметесь выше этих 5,7 вольт, вы увидите, что оно стабилизировалось и все, что выше этого, и я все еще получаю эти 5,1 вольта. Так что это первое, о чем нам нужно беспокоиться.

Второе, о чем вам нужно побеспокоиться, это вот этот резистор (последовательный резистор стабилитрона). Этот резистор, как я уже сказал, в основном для того, чтобы вы не потеряли все прямо здесь (диод Зенера). Так что просто представьте, что у нас есть нагрузка без нагрузки, поэтому бесконечное сопротивление на нагрузке, а затем у меня там восемь вольт (от источника питания), а это будет 5.1 вольт. Если бы у меня не было этого резистора, на нем (диоде Зенера) было бы восемь вольт, он просто в основном будет проводить в идеальном мире бесконечный ток, а это не идеальная вещь. Поэтому мы поставили этот резистор так же, как вы делаете это со светодиодом, чтобы через него не протекал какой-то сумасшедший ток, когда на диоде есть более высокое напряжение, чем вы хотите.

Это здорово, но в то же время весь ток, протекающий через него, превращается в отработанное тепло. Это просто полностью потраченная впустую рассеиваемая мощность, и это не идеально. Таким образом, вы хотите, чтобы это было как можно ниже. Но тогда, если вы собираетесь получить 15 вольт, и у вас есть резистор в один Ом, этого будет недостаточно для защиты диода. И если у вас есть огромный резистор, то он сделает так, что если у вас очень большая нагрузка, любой ток, который хочет пройти через вашу нагрузку, должен пройти через это, и он будет сжигать мощность, когда он падает. вот этот высокоомный резистор.

Итак, это интересная задача, в которой вам нужно точно определить, какой будет ваша ожидаемая нагрузка, чтобы сделать так, чтобы она могла работать как без нагрузки, так и с огромной нагрузкой. Так что где-то от, я не знаю, от одного микроампера до ампера или что-то в этом роде. Это действительно где вы должны сделать эти расчеты, чтобы понять это. И опять же, мы не будем здесь заниматься математикой. У нас есть еще одно видео в том и в том, в котором мы рассматриваем математику и говорим об этом, а также, вероятно, действительно рекомендуем вам перейти к Стабилитрон в качестве регулятора напряжения — концептуальный обзор , чтобы увидеть, что математика разработана для меня, чтобы вам было легче.

Но двигаемся дальше, у нас есть это прямо сейчас. Я настроил его так, чтобы это была нагрузка 1000 Ом, и я делаю это, потому что, сижу здесь, я беспокоюсь о том, чтобы сжечь этот 100-омный резистор. Итак, прямо сейчас это 0,6 вольта на 100 Ом, что составляет около шести миллиампер, и если я не могу сделать эту простую математику в уме, вот почему я не люблю делать математику перед камерой, если только это полностью заскриптовано, потому что я просто собираюсь опозориться. Но это при нагрузке 1000 Ом.

Итак, давайте опустим здесь сопротивление. Таким образом, мы в основном увеличиваем нашу нагрузку. И вы можете видеть это, когда мы идем. И у нас в основном больше потребляемая мощность через саму нагрузку, чем только через диод, так как на этом резисторе происходит все большее и большее падение напряжения. И это не только означает, что мы тратим больше энергии на этот резистор, но и то, что здесь не будет такого большого падения напряжения.

Итак, теперь это не будет 5. 1, потому что наше входное напряжение недостаточно велико.Так что теперь у нас только 4,6 вольта, потому что он пытается потреблять такой большой ток, что он должен пройти здесь. И это слишком большое падение напряжения на этом резисторе, что теперь вы не получаете достаточного напряжения для того, чтобы стабилитрон мог работать в своей емкости. Итак, теперь вам нужно немного увеличить напряжение, чтобы иметь возможность поддерживать правильную нагрузку на… какой бы ни была нагрузка.

Итак, я надеюсь, что это дает вам приблизительное представление о сложностях и фактических компромиссах, которые у вас есть.Я думаю, что это идеальный микрокосм того, что такое инженерия. Потому что вы не можете просто сказать: «Ну, давайте просто делать столько, сколько мы хотим, столько, сколько мы хотим, и все такое, потому что, если вы сделаете вещи такими большими, как вы хотите, это будет невероятно неэффективно». Но если вы сделаете вещи слишком маленькими и будете работать исключительно ради эффективности, то он не сможет справиться с широким диапазоном нагрузок. И ты будешь О, теперь, когда я переключил нагрузку, я должен изменить все эти вещи.И это тоже не идеально.

Настолько, насколько это сводит меня с ума, потому что это похоже на странное жонглирование. Это действительно прекрасный пример того, что значит быть инженером и пытаться понять, каковы ваши требования. И посмотрите, как я собираюсь сделать это таким образом, чтобы оно отвечало всем этим требованиям, было недорогим, надежным и делало все, что нужно?

Вот и все. Таким образом, регулирование напряжения с помощью стабилитрона, я полагаю, что это сложная задача, но оно того стоит, потому что это основа всех современных источников питания.Это, в двухполупериодном выпрямителе, импульсных источниках питания, у вас есть много разных подходов к этому. Но это один из ключевых способов регулирования напряжения большинства устройств прямо сейчас, и это интересно. Так что я надеюсь, что это было полезно. Надеюсь, я вас не напугал. Надеюсь, это было больше похоже на «Эй, это вызов, я собираюсь пойти и подойти к этому и посмотреть, что я могу с этим поделать». И если вам это нравится, вы нашли это интересным, пожалуйста, оставьте нам лайк, подпишитесь на наш канал, оставьте любые комментарии или вопросы в комментариях ниже, и мы поймаем вас на следующем.

Стабилитрон Стабилитрон Стабилизатор напряжения Схема. Схема

В этой схеме стабилизатора напряжения стабилитрона используется стабилитрон для установления опорного напряжения. Этот полупроводник изготавливается для самых разных напряжений и мощностей. Стабилитроны имеют значения напряжения от менее 2 вольт до нескольких сотен вольт и могут рассеивать мощность в диапазоне от 0,25 до 50 Вт… или больше.

Используя формулу мощности Pz = Vz x Iz, можно получить максимальный ток, который может пройти через стабилитрон: Iz = Pz/Vz.(Ампер), где:

• Iz = ток через стабилитрон
• Pz = максимальная мощность, которую может рассеивать стабилитрон (данные производителя)
• Vz = напряжение стабилитрона (данные производителя)

Например: максимальная ток, который может выдержать 10-вольтовый стабилитрон мощностью 50 Вт, составляет Iz = Pz / Vz = 50/10 = 5 ампер.

Для реализации стабилизатора напряжения на стабилитроне воспользуемся следующей схемой.

Как найти номинал резистора (Rs)?

Расчет значения резистора Rs определяется потребностью в токе нагрузки (которая связана с этим источником напряжения).Rs находится между «Vin» и катодом стабилитрона. Этот резистор можно рассчитать по формуле: Rs = [Vin _min – Vz] /[1,1 x IL _max], , где:

• Vin _min – минимальное значение входного напряжения. (Помните, что это нерегулируемое напряжение, и оно меняется)
• IL _max — максимальное значение тока, которое может потребовать нагрузка.

После расчета Rs максимальная мощность этого резистора определяется по следующей формуле:

PD = [[Vin _мин  – Vz] / Rs] x Vz Источник нерегулируемого напряжения 15 В используется для питания нагрузки, которой требуется 9 В постоянного тока.Для нагрузки требуется ток, который варьируется от 200 до 350 мА.