Зачем соединяют диоды последовательно? Последовательное соединение стабилитронов для увеличения напряжения

Последовательное соединение стабилитронов.

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако Rш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

 

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

-большой коэффициент пульсаций;

-малые значения выпрямленного тока и напряжения;

-низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

 

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току Roи сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Roу него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления RHподобным

уравнением является закон Ома: i = uR/RH= (Е - u)/Rн. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

 

ВАХПД.

 

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными. Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I=I0[exp(UД/jT)-1], где I0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; UД – напряжение на p-n-переходе; jT – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T=300 K, jT=0.025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла Аммень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника Атто будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (Ап < Ам). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа Ап < Ам, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

 

site-to-you.ru

для уверенности что не пробьет стабилитрон можно поставить два последовательно или параллельно стабилитрона ?

Параллельно не поможет. Из-за разброса характеристик один навернется раньше.

нет делай как по чертежу

Лучше 2 параллельно. У них, в любом случае, напряжения стабилизации будут немного различаться, так что, вначале будет работать тот, у которого напряжение меньше, а когда он сгорит, то второй начнёт работать. Но лучше правильно посчитать балластный резистор. Тогда стабилитрон и не сгорит. P.S. А вот если в стабилитроне произойдёт КЗ, тогда второй не поможет. А последовательно включать абсолютно бессмысленно. Вы не получите нужное напряжение.

Стабилитрон вообще то для стабилизации напряжения нужен Поставишь последовательно - напряжение стабилизации увеличится Ток стабилитрона задается резистором или полевым транзистором

Как ни старайся а 2 стабилитрона нет точно идентичных (хоть какойто но разброс есть) при параллельном включении будет работать меньший а при последовательном будет сумма напряжения стабилизации

Последовательно бессмосленно. Параллельно не следует, если бы только у них были абсолютно одинаковые параметры, а на практике такие найти трудно. Сначала пробьет тот, по которому пойдет больший ток. Если только подобрать к ним ограничительные резисторы, но проще найти более мощный стабилитрон.

Последовательно включают, чтобы получить нужное напряжение стабилизации, когда нет подходящего стабилитрона. На пробиваемость это никак не влияет. Параллельно вообще не включают.

touch.otvet.mail.ru

Схемы включения стабилитрона — Мегаобучалка

Простейшая схема применения стабилитрона представлена на рисунке 3.

Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилиза-

ции, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряже-

ние будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника при его неста-

бильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором Rогр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем

дает стабилитрон, тогда последовательно с нагрузкой включают добавоч-

ный резистор Rдоб (рисунок 4).

 

+

 

 

–

R

огр

 

 

VD1

 

 

R

 

н

 

+

 

–

R

огр

R

 

VD1

доб

 

 

Rн

Рисунок 3 – Простейшая схема

включения стабилитрона

Рисунок 4 – Схема понижения

стабильного напряжения на нагрузке

Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со ста-

билитроном включают дополнительный диод (рисунок 5, а). При необходи-

мости обеспечить стабилизацию двухполярных напряжений стабилитроны

включают последовательно (рисунок 5, б), а прецизионные (с дополнитель-

ными компенсирующими диодами) – параллельно (рисунок 5, в). Кроме

того, промышленность выпускает так называемые симметричные (двух-

анодные) стабилитроны, которые обеспечивают стабилизацию и ограниче-

ние двухполярных напряжений (рисунок 5, г).

а)

 

VD1

 

 

VD2

б)

 

VD1

 

 

VD2

в)

 

VD1

 

VD2

г)

 

VD1

VD2

 

 

Рисунок 5 – Схемы включения стабилитронов

 

Последовательное и параллельное соединение

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется по-

следовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые

токи (рисунок 6). Вследствие разброса характеристик и параметров у от-

дельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соеди-

нение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускает-

ся только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех ста-

билитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема кас-

кадного соединения стабилитронов (рисунок 7), в которой стабилитрон VD1

должен иметь более высокое напряжение Uст,нежели стабилитрон VD2.

 

+

 

–

 

R

 

 

орг

 

 

VD1

 

VD2

 

R

 

 

н

 

 

+

 

 

–

 

Rорг1

 

Rорг2

 

VD1

 

 

VD2

 

 

Rн

Рисунок 6 – Последовательное

соединение стабилитронов

Рисунок 7 – Схема понижения

стабильного напряжения на нагрузке

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что по-

тери мощности в самом стабилитроне и на Rогр велики, особенно в схеме

каскадного соединения.

 

megaobuchalka.ru

Последовательное соединение стабилитронов.

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять стабилитроны последовательно с тем, чтобы обратное напряжение на каждом стабилитроне не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров стабилитронов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между стабилитронами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование стабилитронов резисторами (рисунок 3). Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений стабилитронов. Однако Rш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение стабилитронов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного стабилитрона. Но если стабилитроны одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных стабилитронов может составлять десятки процентов.(дорисовать палочку в диоде чтобы получился стабилитрон)

Однополупериодный выпрямитель

Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

-большой коэффициент пульсаций;

-малые значения выпрямленного тока и напряжения;

-низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Рабочий режим ПД

Режим диода с нагрузкой называется рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не пред­ставлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопро­тивления диода постоянному току Roи сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Roу него из­меняется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рас­сматривать как график некоторого урав­нения, связывающего величины i и и. А для сопротивления RHподобным

уравнением является закон Ома: i = uR/RH= (Е - u)/Rн. Итак, имеются два уравнения с дву­мя неизвестными i и и, причем одно из уравнений дано графически. Для реше­ния такой системы уравнений надо по­строить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

ВАХПД.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют линейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линий, проходящей через начало координат называются нелинейными. Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I=I0[exp(UД/jT)-1], где I0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей; UД – напряжение на p-n-переходе; jT – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе на p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T=300 K, jT=0.025 В).

При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока. По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. Поэтому ВАХ, имеет вид, приведенный на рисунке 3

Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационных процессов, происходящий в объеме и на поверхности p-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода, имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т. к. при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет вверх со все большой крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становиться почти линейной.Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно.

Переход метал-ПП.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с электронно-дырочным переходом применяют­ся также контакты между металлом и полупроводником. Процессы в таких переходах зависят от так называемой заботы выхода электронов, т. е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов мо­жет выйти из данного тела.

Если в контакте металла с полу­проводником п-типа (рис. 2.5, а) работа выхода электронов из металла Аммень­ше, чем работа выхода из полупровод­ника Атто будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные но­сители (электроны), и этот слой стано­вится обогащенным, т. е. в нем увели­чивается концентрация электронов. Со­противление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напря­жения, и, следова­тельно, такой переход

не обладает выпрямляющими свойства­ми. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом. Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником р-типа (рис. 2.5,6), если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла (Ап < Ам). В этом случае из полупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном на­правлении, и в при­граничном слое полу­проводника также образуется область, обогащенная основными носителями (дыр­ками), имеющая малое сопротивле­ние. Рис. 2.5, в. Если в контакте металла с полупровод­ником п-типа Ап < Ам, то электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полу­проводника образуется область, обед­ненная основными носителями и поэто­му имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер. Такой переход обладает вы­прямляющими свойствами. Подобные переходы в свое время исследовал немец­кий ученый В. Шотки, и поэтому потен­циальный барьер, возникающий в данном случае, называют барьером Шотки, а диоды с этим барьером — диодами Шоттки

studlib.info

Зачем соединяют диоды последовательно

Зачем соединяют диоды последовательно? Последовательное соединение диодов можно рассматривать как один диод, у которого увеличивается такой важный параметр, как обратное напряжение диода Uобр. И увеличивается он пропорционально количеству соединённых диодов. Такое включение можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 1

Если каждый из диодов имеет максимальное обратное напряжение 100 В, то для всего соединения этот параметр возрастает троекратно и равняется 300 В. Постоянный прямой ток при этом не меняется. Если каждый из диодов имеет ток в 500 мА, то полученный в результате диод будет иметь прямой ток 0.5 А и максимальное обратное напряжение 300 В.

Соединение диодов последовательно используется довольно часто. К примеру, диоды с Uобр=1000 В довольно распространены и достаточно дёшевы. Но если понадобится большее напряжение, то поиски покажут, что диоды на такие напряжения достаточно дороги. Т.е. получается так, что выгоднее соединить несколько дешёвых диодов последовательно, чем ставить один дорогой.

Шунтирование диодов

Характеристики любых, даже однотипных диодов всегда будут несколько отличаться. При последовательном соединении диодов этот факт необходимо обязательно учитывать. Каждый диод в обязательном порядке имеет некое внутреннее сопротивление, которое очень сильно отличается для проводящего и непроводящего состояния. К примеру, падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода при его прямом смещении составляет всего около 0.3 В. Но при соединении диодов последовательно важную роль играет не прямое, а обратное сопротивление. При этом обратное напряжение распределяется по диодам неравномерно. Оно будет максимально на том диоде, у которого окажется максимальное обратное сопротивление. Это может привести к пробою диода с большой вероятностью. Чтобы избежать такой аварийной ситуации проводят шунтирование диодов. Каждый из последовательно соединённых диодов шунтируется своим резистором. Резисторы ставят высокоомные и маломощные. Пример такого соединения диодов показан на рис. 2.

Рис. 2

Как правило, такие резисторы имеют сопротивление в районе 510 КОм. Это шунтирование обеспечивает выравнивание напряжения на соединённых диодах.

katod-anod.ru

Зачем соединяют диоды параллельно

Зачем соединяют диоды параллельно? Затем,чтобы увеличить один из главных параметров - прямой ток диода. Но! Существует множество диодов, которые рассчитаны на самые разные токи, от миллиампер до сотен и тысяч ампер. Поэтому соединять диоды параллельно для увеличения общего прямого тока не имеет большой актуальности.

Рис. 1

Диоды, включенные параллельно, можно видеть на рис. 1. Если каждый из них имеет прямой ток 1 А и максимальное обратное напряжение 100 В, то параметры всей цепочки будут соответственно 3 А и 100 В. Т.е. при параллельном включении пропорционально количеству возрастает прямой ток, а максимальное обратное напряжение не меняется.

В силу того, что характеристики отдельно взятых диодов всегда будут разниться, соединяя диоды параллельно необходимо всегда учитывать этот факт. При параллельном включении прямой ток будет неравномерно распределяться между диодами. Диод, обладающий наименьшим сопротивлением, будет брать на себя больший ток в прямом направлении. И в определённых обстоятельствах это превышение может оказаться критичным и произойдёт пробой диода. Чтобы этого не случилось, соединяя диоды параллельно, последовательно с каждым из них ставят резистор. См. рис. 2. Сопротивление этих резисторов выбирают из расчёта падения напряжения на них не более 1 В. Т.е. при токе в 1 А они должны быть около 1 Ома.

Рис. 2

Встречается и комбинированное - последовательно-параллельное включение диодов. Такое включение показано на рис. 3.

Рис. 3

Мы видим три цепи, соединённые параллельно, в каждой из которых последовательно включено по три диода. Если каждый из них имеет параметры, как указаны в первом примере, то общая характеристика всей "гирлянды" будет следующая: прямой ток - 3 А, максимальное обратное напряжение - 300 В. Можно предположить, что цена всей конструкции будет безусловно выше стоимости одного диода с похожими характеристиками.

Таким образом, если последовательное включение является вполне оправданным для повышения максимального обратного напряжения, то параллельное соединение диодов не является эффективным способом увеличения прямого тока из-за наличия дешёвых мощных диодов.

katod-anod.ru

Стабилитрон

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Стабилизатор на диоде Зенера с резистором 100 кОм

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема неработающего стабилизатора без стабилитрона

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типичные параметры напряжения стабилитронов

0,5 Вт
2,7 В	3,0 В	3,3 В	3,6	3,9 В	4,3 В	4,7 В
5,1 В	5,6 В	6,2 В	6,8 В	7,5 В	8,2 В	9,1 В
10 В	11 В	12 В	13 В	15 В	16 В	18 В
20 В	24 В	27 В	30 В
1,3 Вт
4,7 В	5,1 В	5,6 В	6,2 В	6,8 В	7,5 В	8,2 В
9,1 В	10 В	11 В	12 В	13 В	15 В	16 В
18 В	20 В	22 В	24 В	27 В	30 В	33 В
36 В	39 В	43 В	47 В	51 В	56 В	62 В
68 В	75 В	100 В	200 В

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

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

Ограничитель на стабилитроне

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

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

• РЕЗЮМЕ:

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

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

radiomaster.ru

---

• 
  Siemens контроллер
• 
  Куда отнести документы после поверки счетчиков воды
• 
  Что такое асинхронный двигатель и синхронный
• 
  Какие полупроводники бывают
• 
  Электросчетчик на столбе обмануть
• 
  Судебная практика по одн 2018
• 
  Как правильно заряжать аккумуляторные батарейки
• 
  Принцип действия лампы светодиодной
• 
  Включение отопления в химках 2018
• 
  Энергетика рф
• 
  Очередность фаз по цветам