Стабилитрона схема: принцип работы, схема и т.д.

Содержание

принцип работы, схема и т.д.

Стабилитрон — специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.

Схема стабилитрона

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия стабилитрона

График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.

Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.

График напряжение-ток для стабилитрона

Напряжение стабилитрона

Необходимое напряжение стабилитрона — это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.

Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.

При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Простая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

Схема простого линейного стабилизатора на стабилитроне, описание принципа его работы.

Для стабильной работы различных систем (будь то электрические или прочие) естественно нужны стабильные ее элементы, части. Электрическое напряжение является основополагающей характеристикой, которая нуждается в своей мере. Любая электрическая схема требует для своей нормальной работы определенную величину электрического напряжения, от которого также зависят сила тока, сопротивление, мощность. Следовательно в электротехнике существуют специальные компоненты и схемы, задача которых стабилизировать напряжение.

Самым простым способом стабилизировать электрическое постоянное напряжение в нужном месте цепи, схемы является использование обычного стабилитрона. Именно этот электронный элемент в силу своих физических свойств может поддерживать определенную величину постоянного напряжения на одном уровне (с небольшим отклонением, которое можно уменьшить различными способами).

Сам по себе стабилитрон нормально не будет работать, нужен дополнительный резистор. Вместе они образуют схему простого линейного стабилизатора постоянного напряжения на стабилитроне. Стабилитрон представляет собой обычный двуполярный полупроводник с определенным порогом обратного напряжения, после превышения которого он попросту пробивается и начинает пропускать через себя ток. Если до этого пробоя напряжение росло, а ток не менялся (был крайне мал и незначительный), то после пробоя (своего стабилизированного напряжения) стало все наоборот — напряжение остается примерно на одном уровне (меняется незначительно), а сила тока начинает увеличиваться. Различные стабилитроны рассчитаны на свое определенное напряжение стабилизации и максимальный ток (который течет через них после пробоя в режиме стабилизации).

Если просто попытаться присоединить стабилитрон к схеме и путем увеличения входного напряжения смотреть что будет, то можно увидеть — до момента пробоя постоянное напряжение просто постепенно будет увеличиваться на выводах полупроводника, после же пробоя начнет увеличиваться ток, и достаточно сильно. Естественно, чем больше сила тока протекает через элемент, тем сильнее он нагревается. Обычно стабилитроны имеют небольшие размеры. На сильные токи они не рассчитаны. Следовательно даже незначительное превышение тока может легко спалить деталь.

Для нормальной работы такой вот простой схемы линейного стабилизатора постоянного напряжения на стабилитроне последовательно ставится резистор (определенного номинала и мощности). Получается простая последовательная электрическая цепь, состоящая из стабилитрона (полупроводника) и резистора (сопротивления). Что будет происходить в этом случае при постепенном увеличении входного напряжения?

В начале до момента пробоя полупроводника большая часть напряжения (практически все поскольку внутреннее сопротивления стабилитрона в закрытом состоянии очень велико) будет оседать именно на нем. Ток в этой цепи будет мизерным (токи утечки полупроводника). После пробоя стабилитрона (выход в режим стабилизации постоянного напряжения) на нем будет оставаться лишь то напряжение, на которое он рассчитан, а остальное (все, что больше напряжения стабилизации, идущее от источника питания) уже будет оседать на резисторе. Сопротивлением этого резистора регулируется сила тока, которая протекает по этой цепи (простой схемы линейного стабилизатора на стабилитроне).

В итоге получаем, что на стабилитроне будет у нас практически стабильное, имеющее постоянную величину (с небольшим отклонением) постоянное напряжение. А все лишнее, идущее от питающего эту схему источника, будет оставаться на сопротивлении (и меняться оно будет только на нем). Таким образом можно параллельно стабилитрону, в этой схеме линейного стабилизатора, подключать различные маломощные элементы и схемы, которые нуждаются в стабилизированном постоянном напряжении определенной величины.

Для некоторых схем подобная схема простого линейного стабилизатора постоянного напряжения вполне подходит. Хотя все же стабилитрон не может оказать высокую степень стабилизации (есть свои пределы). Его удобно использовать как элемент, создающий место опорного напряжения в схеме. Но для того, чтобы добиться большей стабильности напряжения нужно уже использовать электронные схемы, в которых будет иметься обратная связь, регулирующая величины напряжения за счет цепей, замыкающих выход со входом.

Достаточно часто параллельно этому стабилитрону подсоединяется переменный резистор, идущий уже к транзисторам и микросхемам. Это позволяет создавать как бы место опорного напряжения в более сложных электронных схемах. Если к выходу одного такого линейного стабилизатора (параллельно стабилитрону) подсоединить вход еще одного такого же (последовательную цепь из резистора и стабилитрона), то мы получим улучшенную стабилизацию постоянного напряжения. Стабилизация постоянного напряжения увеличивается в разы. Каждый последующий стабилитрон такой вот цепи должен быть рассчитан на меньшее напряжение, чем вначале стоящий.

P.S. Если обычный диод работает при прямом его включении (на плюс диода подается плюс питания, а на минус диода, минус питания). То в стабилитроне все наоборот. Он нормально работает именно при обратном подключении. Именно режим пробоя полупроводника (который не приносит вреда) дает возможность иметь на этом компоненте стабилизированное постоянное напряжение. Но опять же, повторюсь, эти полупроводники не рассчитаны на большие токи. Имеют малые размеры. И если случайно через стабилитрон пойдет достаточно большой ток, он просто испортится от перегрева. Учитывайте это.

СТАБИЛИТРОНЫ

Современная электронная аппаратура предъявляет жёсткие требования к стабильности постоянного напряжения источника питания. Настолько жёстки эти требования, можно судить по таким цифрам. Малой стабильностью считают такую, при которой изменения выходного напряжения источника питания составляют 2-5%, средней стабильностью 0,5-2%, высокой 0,1-0,5%, очень высокой – менее 0,1%. Такие высокие показатели стабильности высокого напряжения источника питания невозможно получить без специального устройства – стабилизатора постоянного напряжения, который включается на выходе источника питания.

Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными – от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми – доли секунды. И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.

На основании изложенного можно дать следующее определение. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Основой его служит стабилитрон – кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и нагрузка, подключенная к нему, поддерживается практически постоянным.

Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

Вольтамперные характеристики нескольких, наиболее часто используемых стабилитронов, показаны на рисунке 1. При включении стабилитрона в прямом (пропускном) направлении его вольтамперная характеристика аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода. Но стабилитрон работает в режиме обратного напряжения. При увеличении обратного напряжения ток через стабилитрон вначале растёт очень медленно (на характеристике – горизонтальный участок ветвей), а затем, при некотором значении обратного напряжения наступает так называемый «пробой» р-n перехода, после чего даже небольшое увеличение напряжения значительно влияет на рост тока через стабилитрон (на характеристике – спадающий вниз участок ветви). У разных стабилитронов режим «пробоя» наступает при разных обратных напряжениях: у стабилитрона КС 133А, например, при 3…3,7 В, у стабилитрона Д808 – при 7…8,5 В.

В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведёт к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.

Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему это малому изменению тока стабилизации.

Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации, т.е наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме пробоя устойчива, и не больше максимального тока стабилизации наибольшего тока, при котором температура нагрева р-n перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируется по его напряжению стабилизации – напряжению между его выводами в рабочем режиме.

Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора

Практическая часть

1) Снятие вольтамперной характеристики

Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона

Тут приведена полярность для обратной ветви характеристики, для снятия прямой ветви соответственно изменить полярность питания и подключения измерительных приборов.

Соберём схему по рисунку 3. Для снятия вольтамперной характеристики стабилитрона вначале изменяют прямое, а затем обратное напряжение, подводимое к диоду, и следят за изменениями тока в цепи. Для построения характеристики достаточно снять 5-6 показаний приборов для прямой и 8-10 показаний для обратной ветви характеристики. Особенно тщательно следует снимать характеристику на участке стабилизации, так как здесь в широком диапазоне изменения тока диода напряжение Uст меняется незначительно. Данные наблюдений записывают в таблицу I= f (U)

2) Построение вольтамперной характеристики

График вольтамперной характеристики кремниевого стабилитрона строят по результатам таблицы. Примерный вид вольтамперной характеристики показан на рисунке 4.

Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики

Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора

Схема для исследования параметрического стабилизатора показана на рисунке 5. Поочередно осуществляется подключение нагрузочных резисторов R2 или R3 с разными сопротивлениями, тем самым изменяется нагрузочный ток.

Порядок выполнения работы

Подключить к схеме для исследования параметрического стабилизатора измерительную аппаратуру и источник питания. Подготовить приборы для измерения соответствующих параметров.
Рассчитать по известным параметрам схемы коэффициент стабилизации напряжения Кст стабилизатора.
Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменениях входного напряжения от 25 до 30 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение стабилизатора с точностью до 0,05 В. Затем увеличив входное напряжение до 30 В снова измерить входное напряжение. По результатам измерений, записанных в таблицу, по формуле (6) определить искомый коэффициент стабилизации, сравнив с расчётами, сделанными в п.2, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.
Определить расчётно-экспериментальным путём минимальное и максимальное сопротивление балластного резистора. Для определения сопротивление балластного резистора по формулам (4) необходимо измерить минимальное и максимальное значения нагрузочного тока, определённое при любом входном напряжении от 25 до 30 В. В качестве напряжения Uст принять значение напряжения Uн из таблицы, округляя его до 0,1 долей вольта.
Определение коэффициента стабилизации.

Используемый в лабораторной работе стабилитрон Д814Б и резисторы (балластное сопротивление R1 МЛТ-2 510 Ом, нагрузочные резисторы R2 МЛТ-1 1 кОм и R3 МЛТ-0,5 3 кОм) закреплены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

Первая часть лабораторной работы состоит в снятии прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики стабилитрона

Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор.

Меняя напряжение на входе стабилизатора, можно убедиться, что напряжение на нагрузке (резистор R2 или R3) изменяться практически не будет. Аналогично переключая резисторы R2 или R3 можно удостовериться, что изменение сопротивления нагрузки также не приводит к значительным колебаниям напряжения на ней.

Здесь были использованы сокращения материала в теоретической части, полную версию работы прочитайте тут. Специально для radioskot.ru — Denev

Форум

Форум по обсуждению материала СТАБИЛИТРОНЫ

СВЕТОДИОДНАЯ СНЕЖИНКА

Самодельная светодиодная снежинка на транзисторах — прикольная игрушка или подарок на Новый Год.

Стабилитрон. Особенности практического применения. — Радиомастер инфо

Рассказано о назначении и применении стабилитронов, как проверить их исправность и основные параметры, чем и как можно заменить.

Сердцем практически любого стабилизатора напряжения является стабилитрон. Его основная функция поддерживать постоянное напряжение на выходе при изменении напряжения на входе. Информации на эту тему очень много. Я постараюсь ее систематизировать и подать максимально коротко, только то, что нужно для практики.

На схемах обозначаются так:

Выглядят, в основном, вот так:

Стабилитрон — специально изготовленный диод с особой воль-амперной характеристикой. Показать ее и пояснить нужно обязательно, для понимания принципа работы. Вот как она выглядит для обычного стабилитрона, например, Д814:

Когда на анод подают плюс, а на катод минус, то стабилитрон ведет себя как обычный диод. На рисунке прямая ветвь. При возрастании напряжения ток растет. Когда плюс подают на катод, а минус на анод, т.е. включают в обратном направлении, то характеристика стабилитрона, зависимость тока через него от приложенного напряжения, тоже кардинально меняется. Это хорошо видно по форме обратной ветви характеристики. Когда напряжение на стабилитроне достигает напряжения пробоя, cтабилитрон пробивается, но не перегорает, так как ток через него ограничен резистором. Этот резистор называется балластным. Если не будет этого резистора, или его номинал подобран не правильно, то стабилитрон выйдет из строя. Величина сопротивления этого резистора подбирается таким образом, чтобы в диапазоне изменения входных напряжений ток через стабилитрон не выходил за допустимые для данного стабилитрона пределы Iст min Iст max. При этом напряжение на стабилитроне остается постоянным и равно напряжению стабилизации. Его величина для каждого типа стабилитрона своя. У двуханодных стабилитронов прямая ветвь такая же как и обратная только расположена справа вверху. В схемах двуханодный стабилитрон можно включать независимо от полярности входного напряжения. Это удобно для ограничения переменного напряжения по амплитуде.

Типовая схема включения стабилитрона на конкретном примере:

Параметры стабилитрона КС182 указаны в справочнике:

Напряжение стабилизации стабилитрона 8,2В. При этом ток стабилизации может изменяться от 3мА до 17мА.

Как правило, в расчетах рекомендуют брать минимальное напряжение на входе в 1,5 раза выше напряжения стабилизации. Получаем 12,3 В. Максимальное примем исходя из допустимого разброса напряжения сети 20%. Получаем 14,73 В. Номинал резистора по закону Ома можно посчитать вручную, но в интернете много онлайн калькуляторов для решения таких задач, например, вот этот:

При таких заданных параметрах получим ток в нагрузке от 0 до 12 мА, что соответствует максимальной мощности 0,1 Вт.

Сопротивление балластного резистора 340 Ом, его мощность 0,125 Вт.

Мощность стабилитрона 0,156 Вт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе и стабилитроне, составляет в сумме 0,28 Вт. При этом мощность в нагрузке 0,1 Вт. КПД получается 36%. При больших мощностях это не рационально.

Теперь основные моменты из практики.

Как проверить исправность стабилитрона? Обычный стабилитрон проверяется как диод, т.е. прозванивается мультиметром и должен обладать односторонне проводимостью. Другое дело, стабилитрон двухстронний (или двуханодный) или стабилитрон с защитным диодом. Их прозвонить как диод не удастся. Они показывают обрыв в обе стороны. Проверяются только по методике, указанной в следующем пункте.
Проверка напряжения стабилизации. Перед проверкой нужно определиться с мощностью стабилитрона. Это можно сделать по внешнему виду. Если стабилитрон малых размеров и выводы тонкие, то это малая мощность с током стабилизации от 3 до 20 мА. Если корпус чуть больше и выводы толще, то это средняя мощность и ток стабилизации до 90 мА. Ну а мощный стабилитрон имеет большие размеры и возможность установки на радиатор. У него ток стабилизации до ампера и выше.

Есть еще одна особенность. Чем выше напряжение стабилизации стабилитрона, тем меньше ток стабилизации, так как определяющей в этом случае является рассеиваемая стабилитроном мощность. Так что для стабилитронов малой и средней мощности при проверке достаточно тока 10 мА, для большой мощности 20-30мА. Поэтому для большинства проверок стабилитронов с напряжением стабилизации до 30В берем резистор 1-2 кОм и через него подключаем катод стабилитрона к плюсу регулируемого блока питания, анод соответственно к минусу.

Параллельно стабилитрону подключаем вольтметр. От нуля плавно повышаем напряжение и следим за показаниями вольтметра. Как только они перестали расти при увеличении напряжения блока питания снимаем показания вольтметра. Если напряжение перестало расти при значениях около 1В, значит перепутан анод и катод стабилитрона. Нужно их поменять местами и повторить процедуру. Значение напряжения, при котором прекратились увеличиваться показания вольтметра, и есть напряжение стабилизации. У двуханодных оно будет одинаковым при смене полярности подключения. У стабилитрона с диодом напряжение стабилизации при неправильном включении будет достаточно высоким, на практике выше напряжения блока питания. Теоретически оно будет равно обратному напряжению диода. Можно применять для проверки и нерегулируемый блок питания напряжением выше предполагаемого напряжения стабилизации стабилитрона. При подключении, как на схеме, измеренное напряжение на стабилитроне будет равно напряжению стабилизации стабилитрона. Если показания вольтметра равны напряжению блока питания, значит стабилитрон включен наоборот или имеет напряжение стабилизации выше напряжения блока питания.

В некоторых случаях очень важным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации. Например, в автомобильном реле-регуляторе, которое управляет величиной напряжения в бортсети автомобиля. Если оно будет сильно изменяться в зависимости от температуры в моторном отсек, то выйдет из строя электрооборудование автомобиля. Следующий наглядный пример. В телевизорах и радиоприемниках в блоке формирования напряжения настройки на частоту принимаемого сигнала также недопустима зависимость напряжения от температуры, иначе сигнал будет плавать и пропадать. Именно поэтому в реле-регуляторах применяют стабилитроны типа Д818Е, а в блоках настройки телевизоров КС531. У первых температурный коэффициент составляет +0,001 %/град, у вторых ±0,005%/град. В то время, как у других, например, КС182 о которых упоминалось в начале статьи, температурный коэффициент составляет около 0,1 %/град. Это почти в 100 раз хуже. как правило, стабилитроны с хорошим температурным коэффициентом содержат внутренний диод, катод которого соединен с катодом стабилитрона. Температурный коэффициент этого диода имеет знак противоположный температурному коэффициенту самого стабилитрона. Таким образом достигается высокая температурная стабильность напряжения стабилизации.

Пока проверяемый стабилитрон подключен для проверки напряжения стабилизации по схеме п. 2 этой статьи, можно его выводы подогреть паяльником, немного, градусов до 60-70 и понаблюдать за изменением напряжения на вольтметре. Разница между термостабильным стабилитроном и обычным будет очень заметна.

То, что основное назначение стабилитрона поддерживать постоянное напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения и тока нагрузки уже понятно. Но тут есть особенность. Для эффективного выполнения этих задач, мощность нагрузки реально не должна превышать 30% от мощности, рассеиваемой на балластном резисторе и стабилитроне. Об этом уже было сказано в начале статьи. Для увеличения КПД и тока в нагрузке применяют транзисторы. Наиболее простая схема:

Если ток стабилитрона 10мА, а коэффициент усиления транзистора по току 100 раз, то ток в нагрузке будет 10х100=1000мА. Установив параллельно стабилитрону переменный резистор можно напряжение стабилизации в нагрузке изменять от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона.

Чем можно заменить стабилитрон или изменить напряжение стабилизации?

Обычный кремниевый диод включенный в прямом направлении может выполнять функции стабилитрона напряжением около 0,7 В. Для увеличения напряжения диоды можно включать последовательно с такими же диодами или стабилитроном, напряжение которого нужно немного увеличить. Германиевый диод, при прямом включении, стабилизирует напряжение около 0,5 В, светодиод, в зависимости от типа 2…3,2 В.

Примеры показаны ниже на фото:

Кремниевые транзисторы в диодном включении также могут выполнять функции стабилитрона напряжением 5…6 В. Причем можно использовать последовательное подключение транзистора с диодами, нескольких транзисторов, как показано ниже:

Если есть маломощный стабилитрон на нужное напряжение, а нужен более мощный, то можно использовать такую аналогию ( где VD1 маломощный стабилитрон):

R2 – балластный резистор. Напряжение стабилизации схемы равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс напряжение б-э транзистора (0,7В у кремниевых и 0,5В у германиевых). Максимальный ток стабилизации схемы равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току (h₂₁). Используя такие схемы нельзя допускать превышения значений параметров применяемых элементов.

Если нужны высоковольтные стабилитроны на напряжения 120…180В (КС620А, КС630А, КС650А, КС680А), то можно использовать такие схемы:

Как источник стабильного тока используют германиевые диоды Д220, Д220А, Д219А которые имеют низкое дифференциальное сопротивление при обратном включении и обратном токе 0,1…10 мА. Понятно, что напряжение применяемого транзистора должно быть выше 180 В.

Материал статьи продублирован на видео:

Стабилитрон. Принцип работы, вольт-амперная характеристика.

После изучения диодов, их принципа работы и устройства самым логичным шагом будет рассмотреть и еще один полезнейший элемент многих электрических схем — стабилитрон! Также его называют диодом Зенера, в честь физика Кларенса Зенера, которому и принадлежит гордое звание изобретателя стабилитрона. В 1930-х годах Зенер изучал явления электрического пробоя в диэлектриках, результаты его исследований и легли в основу работы диодов Зенера.

Стабилитрон — это диод, который предназначен для работы на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в режиме пробоя. Как вы помните, рабочая область обычного диода находится наоборот на прямой ветви. Я уже упомянул термин «пробой», так что давайте разберемся подробнее с этим явлением…

Итак, различают три типа или механизма пробоя:

туннельный
лавинный
тепловой

Именно первый тип пробоя и открыл К. Зенер в своих работах. Туннельный пробой связан, в свою очередь, с туннельным эффектом, то есть явлением проникновения электронов через узкий потенциальный барьер на границе p-n перехода. Это приводит к тому, что электроны начинают проходить из p-области в область n-типа, что, в свою очередь, вызывает резкое возрастание обратного тока через p-n переход.

Лавинный пробой связан с тем, что движущиеся в сильном электрическом поле частицы могут приобретать кинетическую энергию, величины которой достаточно для ударной ионизации молекул или атомов материала. То есть электрон или дырка, разогнавшись, сталкиваются с атомом вещества, в результате чего образуется пара противоположно заряженных частиц. Все это становится возможным, если кинетическая энергия этих частиц до столкновения имела достаточную величину. Так вот, в итоге, образовавшиеся частицы (либо одна из них) также начинают разгоняться под действием сильного поля и также врезаются в атом материала 🙂 В итоге весь процесс повторяется снова и снова, как лавина, собственно, из-за этого пробой и получил свое название.

Тепловой же пробой куда более прозаичен. Из-за увеличения обратного напряжения p-n переход нагревается и затем разрушается. В отличие от туннельного и лавинного пробоя, которые являются обратимыми, тепловой пробой — необратим.

На обратимости механизмов пробоя, в общем-то, и строится принцип работы стабилитрона. Именно ситуация, при которой он находится в состоянии лавинного или туннельного пробоя, и является для диода Зенера рабочей! Из этого же вытекает и основное отличие стабилитрона от обычного диода. Стабилитрон проектируется таким образом, чтобы туннельный, либо лавинный, либо оба этих типа пробоя возникали гарантированно и задолго до того, как в устройстве возникнет тепловой пробой (ведь тепловой пробой просто выведет элемент из строя — окончательно и бесповоротно).

Принято считать, что разным механизмам пробоя соответствуют величины обратных напряжений:

U_{пробоя} < 4.5 В — преобладает туннельный пробой
4.5 В \leqslant U_{пробоя} \leqslant 6.7 В — оба типа пробоя возникают одновременно
U_{пробоя} > 6.7В — лавинный пробой

Все эти характеристики стабилитрона можно изобразить следующим образом:

Тут стоит отметить два важных нюанса. Во-первых, эти значения не являются строго точными. Для разных диодов, разных способов изготовления, величины могут быть другими. Но, в целом, идея неизменна — существует некая область, в пределах которой оба механизма пробоя сосуществуют вместе. Второй интересный момент заключается в том, что температурный коэффициент лавинного и туннельного пробоя имеют разные знаки:

при туннельном пробое температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицательный, поскольку с увеличением температуры напряжения пробоя уменьшается.
при лавинном же пробое ТКН положительный, то есть все наоборот — увеличение температуры ведет к увеличению напряжения пробоя.

Итак, мы разобрались с принципом работы стабилитрона, протекающими процессами и с тем, что рабочий режим диода Зенера лежит в области обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона:

При увеличении обратного напряжения в определенный момент наступает пробой и ток через стабилитрон резко возрастает. При этом напряжение напротив остается практически неизменным, то есть стабилизированным. В этом и заключается идея использования стабилитронов в электрических цепях 🙂

На схеме я отдельно выделил несколько точек, давайте по ним пробежимся:

I_{ст \medspace мин} — минимальное значение обратного тока. Если ток имеет меньшее значение, то стабилитрон закрыт.
I_{ст} — номинальное значение обратного тока. Обычно указывается производителем в документации и может составлять около 30% от максимального тока стабилизации.
I_{ст \medspace макс} — вот и он, уже упомянутый максимальный ток стабилизации. Эта величина ограничена максимальной рассеиваемой мощностью прибора. При превышении этого значение как раз-таки и произойдет пресловутый тепловой пробой, который выведет стабилитрон из строя.

Каждому из этих значений тока соответствует определенное значение напряжения, которое также указывается в справочнике/документации на конкретный элемент.

Теперь для наглядной демонстрации рассмотрим практический пример схемы со стабилитроном. Кстати на принципиальных электрических схемах он обозначается следующим образом:

А так выглядит базовая схема, в отличие от диода полярность включения стабилитрона обратная:

Выберем какой-нибудь конкретный экземпляр, например, 1N4733A. Его характеристики приведены ниже:

Минимальное напряжение стабилизации, В	4.8
Номинальное напряжение стабилизации, В	5. 1
Максимальное напряжение стабилизации, В	5.3
Минимальный ток стабилизации, мА	49
Максимальный ток стабилизации, мА	178

Итак, начинаем подавать на вход напряжение:

U_{вых} = 3 В

Как видите, подаваемое напряжение не превышает напряжение стабилизации, поэтому на выходе наблюдаем то же значение, что и на входе. Увеличиваем напряжение:

U_{вых} = 5 В

И здесь уже ситуация меняется, стабилитрон начинает выполнять свою работу! Поднимаем напряжение еще выше:

U_{вых} = 5.05 В

U_{вых} = 5.11 В

Стабилизация напряжения налицо! Вот, в общем-то, мы наглядно проверили принцип работы стабилитрона, теоретические аспекты которого изучили ранее 🙂

На этом заканчиваем сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание!

Как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне

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

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

Работа схемы стабилизатора

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

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

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

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

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

Действие стабилитрона

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Стабилитроны | Основы электроакустики

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы; лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов – светодиоды; многослойные диоды – динисторы; приборы на переходе металл – полупроводник – диоды Шоттки. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие как тиристоры. Рассмотрим наиболее часто применяемые диоды – стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в области лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая на нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.выше показано схемотехническое обозначение стабилитрона, а на рис.ниже приведена его вольтамперная характеристика.

Основными параметрами стабилитронов являются:

напряжение стабилизации номинальное UСТ;
напряжение стабилизации минимальное UСТ. мин;
напряжение стабилизации максимальное UСТ. макс;
дифференциальное сопротивление RСТ;
температурный коэффициент напряжения стабилизации αСТ;
минимальный ток стабилизации IСТ. мин;
максимальный ток стабилизации IСТ. макс;
рассеиваемая мощность PРАС.

ВАХ стабилитрона Чаще всего стабилитрон используется для стабилизации постоянного напряжения. Для оценки стабильности схемы используется такой параметр, как дифференциальное сопротивление стабилитрона. Этот параметр измеряется в единицах сопротивления и во многих расчетах играет роль сопротивления. Дифференциальное сопротивление равно отношению изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Простейшая схема стабилизатора напряжения (рис.4.15) включает в себя балластный резистор R0, стабилитрон VD и нагрузку RН, напряжение на которой требуется поддерживать постоянным.

Если изменится входное напряжение UВХ, то это приведет к изменению тока через стабилитрон VD, при этом изменяется сопротивление стабилитрона и соответственно изменится падение напряжения на резисторе R0, в результате чего произойдет компенсация изменения UВХ.

Стабилизатор напряжения. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации сопротивление R0 должно иметь определенное значение, которое обычно рассчитывают для средней точки вертикального участка рабочей ветви ВАХ стабилитрона. Также необходимо учитывать, чтобы при любом возможном изменении входного напряжения ток через стабилитрон находился на вертикальном участке ВАХ. Рассмотрим основные параметры стабилитронов. Напряжение стабилизации может изменяться примерно от 3 до 200В, изменение тока стабилитрона от Iмин до Iмакс составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление RДв режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны малой мощности имеют сопротивление RД от единиц до десятков Ом. Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис. 4.16). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется.
Последовательное включение стабилитронов Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов , в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение стабилизации, чем стабилитрон VD2. Эффективная стабилизация характеризуется коэффициентом стабилизации КСТ, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы на рис.4.15 можно записать: КCТ = (ΔUВХ / UВХ) / (ΔUВЫХ / UВЫХ).
Каскадное включение стабилитронов Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить КСТ, равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис. 4.17) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев: КСТ = КСТ1∙КСТ2∙…∙КСТN и уже при двух звеньях составляет несколько сотен.

Недостатком рассматриваемых схем является то, что потери мощности в самом стабилитроне и на R0 велики, особенно в схемах каскадного соединения. Другой недостаток – схема не стабилизирует выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки и при изменении параметров самого стабилитрона.

Что такое стабилитроны? | Диоды и выпрямители

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это особый тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой из-за обратного напряжения пробоя без полного выхода из строя. Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного смещения для регулирования напряжения в цепи.

Как диоды регулируют падение напряжения

Если мы подключим диод и резистор последовательно к источнику постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде останется довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке (а) ниже.

Ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален значениям и , возведенным к мощности прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.

Другой способ рассмотреть это — сказать, что напряжение, падающее на диоде с прямым смещением, мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке (а) ниже, ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от нуля.7 вольт.

Прямо смещенный кремниевый эталон: (а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединенных диодов, 7,0 В.

Если бы напряжение источника питания было увеличено, падение напряжения резистора увеличилось бы почти на такую же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного. И наоборот, уменьшение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому снижению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.

Короче говоря, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирует падение напряжения примерно на 0.7 вольт.

Использование регулирования напряжения

Регулировка напряжения — это полезное свойство диодов. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока ее службы. Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменное 0,7 В.

Это, безусловно, сработает, но для большинства практических схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0.7 вольт для нормальной работы. Один из способов увеличить нашу точку стабилизации напряжения — это подключить несколько диодов последовательно, чтобы их отдельные прямые падения напряжения по 0,7 вольта добавлялись, чтобы получить большее общее.

Например, в нашем примере выше [рисунок (b)], если бы у нас было десять последовательно соединенных диодов, регулируемое напряжение было бы в десять раз 0,7 или 7 вольт.

До тех пор, пока напряжение батареи никогда не опускалось ниже 7 вольт, на десятидиодной «стопке» всегда будет падать около 7 вольт.”

Как стабилитроны регулируют напряжение

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов, включенных последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.

Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, как и напряжение обратного пробоя . Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.

Если мы поменяем полярность диода в нашей схеме однодидного стабилизатора и увеличим напряжение источника питания до точки, где диод «сломается» (то есть он больше не сможет выдерживать напряжение обратного смещения, подаваемое на него) диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше. Это показано на рисунке (а) ниже.

(a) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (b) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно разрушаются. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитроном , и его символ показан на рисунке (b) выше.

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как стандартные выпрямительные диоды: у них прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0.7 вольт. В режиме обратного смещения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение стабилитрона , после чего диод может проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на это к той точке напряжения Зенера.

Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет поврежден. По этой причине стабилитроны иногда называют «диодами пробоя».”

Схема стабилитрона

Стабилитроны

производятся с напряжением стабилитрона от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилитрона незначительно изменяется с температурой, и, как и значения обычных резисторов с углеродным составом, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов по сравнению со спецификациями производителя. Однако этой стабильности и точности обычно достаточно для использования стабилитрона в качестве устройства регулятора напряжения в общей цепи питания, показанной на рисунке ниже.

Схема стабилитрона, напряжение стабилитрона = 12,6 В).

Принцип работы стабилитрона

Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме: диод имеет обратное смещение , и это сделано намеренно. Если бы мы сориентировали диод «нормальным» образом, чтобы он был смещен в прямом направлении, он бы упал всего на 0,7 В, как и обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного смещения. Пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Чрезмерная температура разрушит стабилитрон, и, поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он выделяет собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась допустимая мощность рассеиваемой мощности диода.Достаточно интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно выходят из строя , закорачивая , а не открываясь. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается: он падает почти до нуля при смещении в любую сторону, как кусок проволоки.

Математический анализ цепи стабилитрона

Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона математически, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Взяв ту же форму схемы, показанную ранее, мы выполним вычисления, предполагая, что напряжение Зенера равно 12.6 вольт, напряжение источника питания 45 вольт и номинальное сопротивление последовательного резистора 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона составляет , ровно 12,6 вольт, чтобы не квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке ( а) ниже

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольт (45 — 12,6 вольт = 32,4 вольт). Падение 32,4 В на 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи. (Рисунок ниже (b))

(a) Зенеровский стабилизатор напряжения с резистором 1000 Ом.(б) Расчет падений напряжения и тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:

Подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.

Схема стабилитрона с более высоким сопротивлением

Если чрезмерное рассеяние мощности является вредным, то почему бы не спроектировать схему с минимальным возможным рассеянием? Почему бы просто не рассчитать резистор на очень высокое значение сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмем, например, эту схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм.Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

Стабилизатор стабилитрона с резистором 100 кОм.

При токе только 1/100 от того, что было раньше (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Меньшее значение сопротивления падающему резистору

Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону, как показано на рисунке ниже.

Стабилизатор стабилитрона с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка потребляет ток 25,2 мА. Для того, чтобы «падающий» резистор 1 кОм упал на 32,4 вольта (уменьшив напряжение источника питания с 45 вольт до 12,6 на стабилитроне), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Это оставляет 7,2 мА тока через стабилитрон.

Рассмотрение резистора с пониженным сопротивлением повышенного значения

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, обеспечивающую питание той же нагрузки 500 Ом. Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в последней цепи. Однако, как мы увидим, не может выполнить эту задачу с помощью . (Рисунок ниже)

Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.>

При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 вольт на нагрузке, она бы потребляла 25.2 мА тока, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был бы пройти через последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (намного большим!) Понижающим резистором на месте падение напряжения на этом резисторе при токе 25,2 мА, проходящем через него, составит 2520 вольт! Поскольку очевидно, что у нас не так много напряжения, обеспечиваемого батареей, этого не может произойти.

Анализ более высокого сопротивления падению без стабилитрона

Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.

Нерегулятор со снятым стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I = E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), мы получаем 44,776 В и 224 мВ соответственно.

Если бы мы переустановили стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ на нем, параллельно сопротивлению нагрузки.Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона диода, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Если уж на то пошло, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет смещен в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. Чтобы «активировать» его, необходимо упасть минимум 12,6 вольт.

Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, является правильной. Тот факт, что стабилитрон включен в цепь, не гарантирует, что на нем всегда будет падать полное напряжение стабилитрона! Помните, что стабилитроны работают по принципу , ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут заменить из-за отсутствия напряжения.

Правило в работе стабилитрона

Таким образом, любая схема стабилизации на стабилитронах будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Расчет сопротивления нагрузки для некоторых резисторов падения

Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В. :

С общим напряжением 45 В и 12.6 вольт на нагрузке, у нас должно быть 32,4 вольт на R _{, падение}:

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку цепь является последовательной, ток во всех компонентах в любой момент времени одинаков:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R = E / I), что дает нам 38,889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38.889 кОм, на нем будет 12,6 вольт, диод или без диода. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 В, диод или отсутствие диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В для любого сопротивления нагрузки больше , чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом.Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена к более высокому рассеиванию мощности.

Как стабилитрон регулирует напряжение

Стабилитроны

регулируют напряжение, действуя как дополнительные нагрузки, потребляя больше или меньше тока, если это необходимо для обеспечения постоянного падения напряжения на нагрузке.Это аналогично регулированию скорости автомобиля путем торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки: это не только расточительно, но и тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справляться со всей мощностью двигателя, когда условия движения этого не требуют.

Несмотря на эту фундаментальную неэффективность конструкции, схемы стабилизаторов на стабилитронах получили широкое распространение благодаря своей простоте. В приложениях с большой мощностью, где неэффективность недопустима, применяются другие методы регулирования напряжения.Но даже в этом случае небольшие схемы на основе стабилитронов часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управления более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.

Напряжение общего стабилитрона

Стабилитроны

производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Общие напряжения стабилитронов» указаны стандартные напряжения для компонентов мощностью 0,3 и 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и представляет собой мощность, которую диод может рассеять без повреждений.

Напряжение на обычных стабилитронах

0.5 Вт
2,7 В	3,0 В	3,3 В	3,6 В	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. 3Вт
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	33В
36 В	39V	43В	47 В	51 В	56В	62 В
68V	75 В	100 В	200 В

Ограничитель стабилитрона: Схема ограничения, которая ограничивает пики формы волны приблизительно при напряжении стабилитрона диодов.В схеме на рисунке ниже два стабилитрона соединены последовательно друг с другом, чтобы симметрично ограничить форму волны почти при напряжении стабилитрона. Резистор ограничивает ток, потребляемый стабилитронами, до безопасного значения.

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

Ограничитель стабилитрона:

Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В параметром модели диода «bv = 10» в списке цепей spice на рисунке выше.Это приводит к срезанию стабилитронов при напряжении около 10 В. Вставные диоды срезают оба пика. Для положительного полупериода верхний стабилитрон смещен в обратном направлении, выходя из строя при напряжении стабилитрона 10 В. Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, поскольку он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогичное отрицательное ограничение полупериода происходит при -10,7 В. (Рисунок ниже) показывает уровень ограничения при немного более ± 10 В.

Ограничитель стабилитрона: вход v (1) ограничивается формой волны v (2).

ОБЗОР:

Стабилитроны

предназначены для работы в режиме обратного смещения, обеспечивая относительно низкий стабильный пробой, или напряжение Стабилитрон , при котором они начинают проводить значительный обратный ток.
Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, действуя как дополнительная нагрузка, потребляя больше тока от источника, если напряжение слишком высокое, и меньше, если оно слишком низкое.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Что такое стабилитрон и как он работает? — Учебники

Вы когда-нибудь задумывались, почему мы используем стабилитрон с обратным смещением, в отличие от обычных диодов, которые работают с прямым смещением? Это потому, что стабилитроны предназначены для «выхода из строя». Большинство из нас знакомы с диодами общего назначения и выпрямительными диодами. Однако есть несколько других типов диодов, которые предназначены для специального назначения. Один из них — стабилитрон. Итак, что такое стабилитрон и чем он отличается от обычного диода?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это кремниевый переходник pn , который позволяет току течь не только в прямом направлении, как в типичных кремниевых или германиевых диодах, но также и в обратном направлении, если напряжение больше, чем напряжение пробоя, известное как Напряжение перегиба стабилитрона или просто Напряжение стабилитрона , названное в честь Кларенса Мелвина Зенера, открывшего это электрическое свойство.

На схематическом изображении обычного диода есть прямая линия, представляющая катод, а у стабилитрона — изогнутая линия, напоминающая букву Z (для стабилитрона). В этом есть смысл, правда?

Как работает стабилитрон?

Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении. Однако они предназначены для того, чтобы ток протекал в обратном направлении, когда обратное напряжение становится равным его номинальному напряжению стабилитрона. В отличие от обычных выпрямительных диодов, которые никогда не предназначены для работы при пробое или близком к нему, стабилитрон предназначен для работы в области пробоя.Пробой диода происходит, когда на диод подается обратное напряжение смещения.

Стабилитрон, работающий при пробое, действует как регулятор напряжения, поскольку он поддерживает почти постоянное напряжение, равное напряжению стабилитрона, на своих выводах в заданном диапазоне значений обратного тока. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом постоянного напряжения.

Лавина и пробой стабилитрона

Чтобы лучше понять, как работают стабилитроны, давайте рассмотрим два типа обратного пробоя в стабилитроне: лавинный пробой и пробой стабилитрона . Лавинный эффект возникает как в выпрямителе, так и в стабилитронах при достаточно высоком обратном напряжении. С другой стороны, пробой стабилитрона происходит в стабилитроне при малых обратных напряжениях. Стабилитрон сильно легирован для уменьшения напряжения пробоя. Это вызывает очень тонкую область истощения. В результате внутри обедненной области существует сильное электрическое поле. Вблизи напряжения пробоя стабилитрона поле в достаточной степени способно вытягивать электроны из их валентных групп и создавать ток.

Стабилитроны с напряжением пробоя менее примерно 5 В обычно работают при пробое стабилитрона. Устройства с пробивным напряжением выше примерно 5 В обычно работают при лавинном пробое. Однако оба типа называются стабилитронами. Стабилитроны коммерчески доступны с напряжениями пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Характеристики пробоя

По мере увеличения обратного напряжения (V _R) обратный ток (I _R) также увеличивается, пока не достигнет тока перегиба стабилитрона (I _ZK). На этот раз начинается эффект пробоя. Импеданс стабилитрона (Z _Z), который представляет собой внутреннее сопротивление стабилитрона, начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока.

От нижней части изгиба напряжение пробоя стабилитрона (V _Z) остается относительно постоянным, хотя оно немного увеличивается по мере увеличения тока стабилитрона (I _Z). V _Z обычно указывается при значении тока Зенера, известном как испытательный ток.

Технические характеристики стабилитрона

Чтобы гарантировать правильную работу стабилитрона в цепи, мы должны учитывать эти важные характеристики.

1. Напряжение стабилитрона (В _Z )
Напряжение пробоя, обычно называемое напряжением Зенера, представляет собой смещенное в обратном направлении напряжение, которое заставляет диод проводить ток. Напряжения пробоя обычно составляют от 2,4 В до сотен вольт.

2. Испытательный ток (I _Z )
Для каждого стабилитрона напряжение стабилитрона (V _Z) измеряется при заданном испытательном токе стабилитрона (I _Z). Например, напряжение стабилитрона для 1N4732A находится в диапазоне от 4,465 до 4,935 В с типичным значением 4,7 В при испытательном токе 53 мА.

3. Ток колена (I _ZK )
Для поддержания диода в состоянии пробоя для регулирования напряжения требуется минимальный ток. Типичные значения составляют от 0,25 до 1 мА для стабилитрона мощностью 1 Вт. Если этот ток не достигается, диод не выйдет из строя в достаточной степени для поддержания номинального напряжения.

4. Максимальный ток (I _ZM )
Стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах для значений обратного тока в диапазоне от I _ZK до I _ZM. Если значение I _ZM превышено, стабилитрон может быть поврежден из-за чрезмерного рассеивания мощности.

5. Ток утечки
Обратный ток утечки указан для обратного напряжения, которое меньше напряжения колена.Это означает, что для этих измерений стабилитрон не работает в обратном режиме. Например, для обратного напряжения 1 В в 1N4728A.

6. Номинальная мощность (P _Z )
Номинальная мощность показывает максимальную мощность (напряжение x ток), с которой может справиться стабилитрон. (Даже диоды, предназначенные для выхода из строя, могут действительно выйти из строя, если вы превысите их номинальную мощность. Так что будьте осторожны!)

7. Сопротивление стабилитрона (Z _Z )
Z _Z — максимальное сопротивление стабилитрона при указанном испытательном токе, I _Z . Например, для 1N4728A, Z _Z составляет 10 Ом при 76 мА. В изгибе характеристической кривой максимальный импеданс стабилитрона Z _ZK указан в I _ZK , который является током в изгибе кривой. Например, Z _ZK составляет 400 Ом при 1 мА для 1N4728A.

8. Температурный коэффициент (TC)
Стабилитроны подвержены влиянию температурных изменений, связанных с их температурным коэффициентом напряжения.Температурный коэффициент определяет процентное изменение напряжения стабилитрона для каждого изменения температуры. Формула для расчета изменения напряжения стабилитрона при заданном изменении температуры перехода (% / ℃) для заданного температурного коэффициента:

Vz — номинальное напряжение стабилитрона
TC — температурный коэффициент
ΔT — изменение температуры

Если температурный коэффициент выражен в мВ / ℃, ΔVz задается как:

Положительный температурный коэффициент означает, что изменение напряжения стабилитрона прямо пропорционально изменению температуры. Следовательно, отрицательный TC означает, что напряжение стабилитрона обратно пропорционально изменению температуры.

9. Спецификация температуры перехода
Для обеспечения надежности диода температура диодного перехода является ключевой. Несмотря на то, что корпус может быть достаточно холодным, активная область может быть намного горячее. В результате некоторые производители указывают рабочий диапазон для самого разветвления. Для нормальной конструкции обычно сохраняется приемлемый запас между максимальной ожидаемой температурой внутри оборудования и места соединения.Внутренняя температура оборудования снова будет выше, чем температура снаружи оборудования. Необходимо следить за тем, чтобы отдельные предметы не становились слишком горячими, несмотря на приемлемую температуру окружающей среды за пределами оборудования.

10. Упаковка Стабилитроны
поставляются в различных упаковках. Главный выбор — между поверхностным монтажом и традиционными сквозными устройствами. Однако выбранный пакет часто определяет уровень рассеивания тепла.Доступные варианты будут подробно описаны в спецификации стабилитронов.

И все! Надеюсь, вы узнали что-то из этого урока о стабилитронах и их работе. Если вы нашли это руководство интересным или полезным, поставьте ему лайк, а если у вас есть вопросы, оставьте его в комментариях ниже. Увидимся в нашем следующем уроке!

Что такое стабилитрон? Принцип работы и пример использования

Мы часто используем стабилитрон во многих электронных схемах.Например, блоки питания, датчики напряжения и т. Д.

Очень полезное устройство в электронике. Но … Вы достаточно хорошо понимаете?

Сегодня мы познакомимся с принципом работы стабилитрона и примерами его применения.

Позвольте мне объяснить, почему мы должны их изучать.

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это двухконтактный прибор. Один тип полупроводника. Он имеет свойства, отличные от обычного диода.

Посмотрите на изображение ниже, где показан символ стабилитрона (справа) в электронной схеме. А форма настоящего выглядит как обычный диод (слева).

Есть много размеров от, в зависимости от мощности. Большой размер также больше ватт мощности. Картинка составляет всего полватта (1 Вт).

Кредитное фото Стабилитрон от TeOhk

Основы работы стабилитрона

Когда я был новичком. Я давно понял, как это работает. Ты лучше меня. Я так рад видеть, что вы быстрее освоите стабилитрон.

Смотрите много изображений, может вам помочь.

Посмотрите на блок-схему ниже.

Сравнение смещения между диодом и стабилитроном

И диод, и стабилитрон имеют разные функции и базовое смещение.

Слева: для работы выпрямительного диода требуется прямое смещение.
Справа: для работы стабилитрона требуется смещение вознаграждения.

Что еще?

Внутренний виртуальный канал

Посмотрите на внутренний виртуальный канал ниже.

Стабилитрон работает с использованием напряжения пробоя или напряжения, называемого стабилитроном. Когда работает при обратном смещении.

Обучение: взаимосвязь между током и напряжением

Во время этого пробоя падение напряжения на стабилитроне будет постоянным. Исходя из этого принципа, мы можем использовать стабилитрон для поддержания постоянного напряжения.

Затем см. График свойств стабилитрона

Стабилитрон имеет тот же график свойств, что и обычный диод. Но другое при напряжении пробоя. В диоде напряжение пробоя имеет высокое значение.

Например, диод 1N4001 имеет напряжение пробоя 50 В и т. Д. Но стабилитрон имеет этот низкий уровень напряжения, в зависимости от свойств стабилитрона.

С учетом обратного смещения на графике. В нижнем диапазоне уровня напряжения пробоя. Через него будет протекать небольшое количество напряжения и тока.

А, из-за тока утечки в стабилитроне. Но этого тока очень мало. Так что на работу стабилитрона это никак не влияет.

У вас есть основная идея?

Давайте посмотрим на примеры принципиальных схем, в которых мы используем эту идею. Мы используем его как датчик напряжения, это очень просто, но полезно.

С чем можно сравнить стабилитрон?

Впервые не понял, как работает. Но когда я увидел изображение ниже. Я прекрасно понимаю. Ты такой же, как я?

Представьте себе стабилитрон, который выглядит так, как будто банка пробита. Посмотрите на блок-схему ниже.

Стабилитрон, который выглядит как пробитая банка

Тот, кто знал, сказал, картинку, объясняющую сложные вещи, легче понять, чем текст.Это правда?

Разрешите вам объяснить.

Смесители сравнивают с блоком питания.
Вода подобна электричеству.
Уровень воды в банке сопоставим с напряжением стабилитрона. Это будет на том же уровне, что и отверстие, просверленное на стороне банки.

Вот пошаговый процесс.

Когда открываем кран. Вода потечет из-под крана в банку. Которая проткнула край банки.
Когда уровень воды достигнет просверленного отверстия, вода вытечет наружу.
Уровень воды постоянный, вряд ли выше уровня ямы. Так что это то же самое, что и стабилитрон.

При подаче тока через R1 на стабилитрон через K, катод и вывод A, анод заземлен.

Допустим, это стабилитрон № 1N5225 или BZX55C3V0 (3 В) 0,5 Вт. Он имеет напряжение на стабилитроне 3 вольта. (См. Таблицу 1).

BZX55C2V0 (2 В)
BZX55C2V2 (2,2 В)
BZX55C2V4 (2,4 В)
BZX55C2V7 (2.7 В)
BZX55C3V0 (3 В)
BZX55C3V3 (3,3 В)
BZX55C3V6 (3,6 В)
BZX55C3V9 (3,9 В)
BZX55C4V55 (4,3 В)
BZX55C5V6 (5,6 В)
BZX55C6V2 (6,2 В)
BZX55C6V8 (6,8 В)
BZX55C7V5 (7,5 В)
BZX55C7V5 (7,5 В)
BZX55C1V2 (8,210 В)
BZX55C1V2 (8,210 В)

955

904 BZX55C11 (11 В)

BZX55C12 (12 В)
BZX55C13 (13 В)
BZX55C15 (15 В)
BZX55C16 (16 В)
BZX55C18 (18 В)
BZX55C18 (18 В)

19 BZX55C18 (18 В)

19 BZX55V55 24V)

BZX55C27 (27V)
BZX55C30 (30V)
BZX55C33 (33V)
BZX55C36 (36V)
BZX55C39 (39V)
BZ419 BZX55C39 (39V)
BZ422 90Z4 Источник питания имеет более высокое напряжение, чем напряжение на стабилитроне.
Базовый стабилитрон прямого смещения и обратного смещения
Стабилитрон всегда поддерживает падение напряжения на нем на уровне 3 В. Оставшееся напряжение упадет на резисторе.
Не только это, см. Следующие электрические схемы.
См. Пример базового стабилитрона между прямым смещением (A) и обратным смещением (B).
Посмотрите на схему A.
Когда мы вводим напряжение прямого смещения. (На анодном штыре больше напряжения, чем на катоде).Положительный ток поступает на анод стабилитрона (ZD1) через резистор (R1).
Стабилитрон работает как обычный диод. Это позволит току течь через него. И есть падение напряжения примерно на 0,6 В. Остальное напряжение подается на резистор.
Когда напряжение стабилитрона складывается с резистором, мы получаем напряжение, равное напряжению источника питания.
Посмотрите на схему B.
Напротив, когда мы вводим обратное смещение (катодный вывод имеет большее напряжение, чем анодный вывод) на стабилитрон.
На этот раз стабилитрон будет иметь другие функции, чем обычные диоды.
Обычные диоды не пропускают через себя токи.
Но в этом стабилитрон пропускает через себя ток. Только когда напряжение на обратном смещении больше напряжения стабилитрона.
В этом все работает. Потому что напряжение питания 6 В. А напряжение стабилитрона 3В. И напряжение на стабилитроне постоянно. Это уровень напряжения пробоя, как указано выше.
Мы можем изменить этот уровень напряжения (Vz). Изменив количество стабилитронов, указанное производителем, мы получим много чисел и много размеров, как указано выше.
Что еще? Мы изучим их на многих примерах схем ниже.
Как использовать стабилитрон
Обычно стабилитрон используется в качестве цепи стабилизатора. Есть много следующих форм.
Простой регулятор тока и постоянного напряжения
Посмотрите на базовую схему ниже.
Это схема регулятора низкого тока. Что определяется резистором R1. А выходное напряжение имеет постоянное значение, равное напряжению стабилитрона при любых нагрузках.
Соответствующее сопротивление R1 можно рассчитать по формуле:
R1 = (Vin — Vz) / (IL + Iz)
На практике. Ток-Из, пока нагрузка подключена. Обычно мы устанавливаем его на 5 мА. Итак, мы получаем новую формулу.
R1 = (Vin -Vz) / (IL + 5mA)
Итак, выбор сопротивления зависит только от тока, протекающего через нагрузку.Но при желании рассчитать для использования в реальной работе.
Мы должны компенсировать ток IZ. Пока тоже нет нагрузки.
Потому что, пока нет продолжения нагрузки, ток будет течь через все стабилитроны. Это должно позволить выдерживать мощность стабилитрона даже без нагрузки.
Хотите увидеть реальные расчеты, чтобы найти R1?
Читайте также: Стабилитрон 5 В, низкий ток
Помните:
Выбор стабилитрона.Нам нужно посмотреть на мощность, которую может выдержать стабилитрон.
Что рассчитывается следующим образом:
Мощность, потерянная в стабилитроне (P), равна напряжению стабилитрона (Vz), умноженному на ток, проходящий через стабилитрон (Iz).
P = Vz x Iz
Примечание: Iz получается из напряжения на резисторе, деленного на сопротивление этого резистора (R).
У вас есть идея?
Basic Стабилитрон с большим током и транзисторный стабилизатор
Посмотрите на схему ниже.Он аналогичен предыдущей схеме. Но он может обеспечить более высокий ток. Потому что транзистор помогает увеличить ток.
Подключаем последовательно перед выводом. Затем используйте напряжение на стабилитроне в качестве напряжения смещения для транзистора. Выходное напряжение этой схемы меньше стабилитрона около 0,6 В.
Потому что напряжение стабилитрона между базой и эмиттером транзистора будет падать примерно на 0,6 вольт.
Максимальный ток, который может обеспечивать схема, зависит от мощности транзистора.
Если транзистор сильно выдерживает ток. Он может подавать много токов. А с другой стороны, если мало сопротивления. он будет обеспечивать более низкий ток.
Перечень деталей
Q1: 2N3053, 0,7 А, 40 В NPN транзистор
ZD1: 12 В, 0,5 Вт стабилитрон
C1: 10 мкФ, 16 В, электролитический конденсатор
R1: 1,2 кОм 0,25 Вт, 5% резистор
R2: 0,25 Вт 5% Резистор
Также проверьте эти связанные схемы:
Вы наблюдаете? Выход 11.Только 4 В, но нам нужно 12 В. Как дела?
Тогда решение проблемы — сделать выходное напряжение равным напряжению на стабилитроне.
Посмотрите на электрическую схему. Добавьте диод для смещения напряжения транзистора B-E.
Добавить диод для смещения напряжения транзистора B-E
Путем объединения выпрямительного диода с диодом Зенера. Из-за напряжения на диоде он просто смещает напряжение на контакте B-E транзистора.
Таким образом, выходное напряжение равно напряжению стабилитрона.
Сделать стабилизатор 3 В постоянного тока на стабилитроне и транзисторе
Это проще? Если использовать подходящий стабилитрон.
Посмотрите на настоящую схему.
Мы используем стабилитрон № 1N5227 или BZX55C3V6. Он имеет напряжение на стабилитроне 3,6 В.
Когда ток течет через базу к эмиттеру. Напряжение на базе и эмиттере будет около 0,6 В.
Следовательно, нужно зарезервировать еще 0,6 В. Выходное напряжение составляет примерно 3 В
Для других устройств принцип питания постоянного тока такой же.
Когда трансформатор снижает напряжение до 9 В, он передает на диоды выпрямителя D1 и D2 (двухполупериодный выпрямитель) напряжение постоянного тока.
Тогда C1 сделает постоянный ток более плавным. Он передает резистор R1 на катод стабилитрона.
Далее, C2 — конденсатор фильтра для поддержания стабильного напряжения стабилитрона. А C3 также является фильтрующим конденсатором для уменьшения пульсации.
Эта схема может выдавать выход 3 В при макс. 800 мА.
См. Список деталей ниже
Q1: 2SC1061, 4A 40V NPN транзистор
ZD1: 3.Стабилитрон 6 В 0,5 Вт, 1N5227 или BZX55C3V6
D1, D2: 1N4001, 1A Диод 50 В
R1: 5 кОм 0,25 Вт 5% резистор
C1, C3: 1000 мкФ Электролитические конденсаторы 16 В
CV2
CV2
T1: первичный преобразователь 117/230 В переменного тока на 9–0–9 В, вторичный трансформатор 1 А
Что еще?
Компаратор напряжения, стабилитрон, стабилизатор операционного усилителя
Какая схема лучше?
В дополнение к этому методу у нас также есть способ сравнить выходное напряжение с напряжением стабилитрона.Используя операционный усилитель в качестве компаратора. Как показано на рисунке ниже.
Компаратор напряжения Схема стабилитрона операционного усилителя на стабилитроне
Когда питание поступает на вход, на стабилитроне 12 В появляется напряжение. Следовательно, на выводе 3 операционного усилителя (CA3140) также есть напряжение, равное 12 В.
Когда на вход подается питание, на стабилитроне 12 В присутствует напряжение. Следовательно, на выводе 3 операционного усилителя также есть напряжение, равное 12 В.
Это вызывает положительное напряжение на выходном контакте 6 операционного усилителя.На предвзятость Q1 работает. Итак, ток протекает через контакты C-E и R3.
Если контакты 2 и 3 выше, то напряжение выйдет на контакт 6. Для смещения Q1 протекает больше тока. Пока напряжение на выводах 2 и 3 не станет равным.
Мы увидим, что эта схема имеет более высокую стабильность, чем только один транзистор.
Детали, которые вам потребуются
IC1: CA3140, 4,5 МГц, операционный усилитель BIMOS с входом MOSFET / биполярным выходом
Q1: 2N3053, 0,7 А, 40 В, NPN-транзистор
ZD1: 12 В 0.Стабилитрон 5 Вт
C1: 10 мкФ 25 В Электролитический конденсатор
Резисторы 0,25 Вт, допуск: 5%
R1, R3: 1,2 кОм
R2: 4,7 кОм
Заключение
Мы видим, что стабилитрон является используется в различных схемах.
Вот несколько связанных сообщений, которые вы, возможно, захотите прочитать:
ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ
Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .
Схемы стабилитронов, характеристики, расчеты
Стабилитроны — названы в честь изобретателя Д.Carl Zener в основном используются в электронных схемах для создания точных источников опорного напряжения. Это устройства, которые способны создавать на них практически постоянное напряжение независимо от изменений в схемах и напряжениях.
Внешне вы можете найти стабилитроны, очень похожие на стандартные диоды, такие как 1N4148. Стабилитроны также работают, преобразуя переменный ток в пульсирующий постоянный ток, как и их традиционные альтернативы. Однако, в отличие от стандартных выпрямительных диодов, стабилитроны сконфигурированы так, что их катод напрямую соединен с плюсом источника питания, а анод — с отрицательным источником питания.
Характеристики
В стандартной конфигурации стабилитроны демонстрируют высокое сопротивление ниже определенного критического напряжения (известного как напряжение Зериера). Когда это конкретное критическое напряжение превышается, активное сопротивление стабилитрона падает до чрезвычайно низкого уровня.
И при этом низком значении сопротивления эффективное постоянное напряжение поддерживается на стабилитронах, и можно ожидать, что это постоянное напряжение будет сохраняться независимо от любого изменения тока источника.
Проще говоря, всякий раз, когда напряжение на стабилитроне превышает номинальное значение стабилитрона, стабилитрон проводит и заземляет избыточное напряжение. Из-за этого напряжение падает ниже напряжения стабилитрона, которое отключает стабилитрон, и источник питания снова пытается превысить напряжение стабилитрона, снова включая стабилитрон. Этот цикл быстро повторяется, что в конечном итоге приводит к стабилизации выхода точно на постоянном значении напряжения стабилитрона.
Эта характеристика графически выделена на рисунке ниже, который показывает, что выше «напряжения стабилитрона» обратное напряжение остается почти постоянным даже при изменении обратного тока.В результате стабилитроны часто используются для получения постоянного падения напряжения или опорного напряжения с их внутренним сопротивлением.
Стабилитроны разработаны с различной мощностью и номинальным напряжением от 2,7 до 200 вольт. (Однако в большинстве случаев стабилитроны со значениями намного выше 30 В почти никогда не используются.)
Работа базовой схемы стабилитрона
Стандартная схема стабилизатора напряжения, использующая один резистор и стабилитрон, показана на следующем изображении.Предположим, что значение стабилитрона составляет 4,7 В, а напряжение питания V in равно 8,0 В.
Принцип работы стабилитрона можно объяснить следующими пунктами:
При отсутствии нагрузки на цепи. на выходе стабилитрона видно падение 4,7 Вольт на стабилитроне, в то время как на резисторе R создается отсечка 2,4 Вольт. приведет к тому, что падение напряжения на стабилитроне останется на уровне 4.7 В.
Однако можно заметить, что падение напряжения на резисторе R увеличилось с 2,4 В до 3,4 В.
Можно ожидать, что падение напряжения на идеальном стабилитроне будет довольно постоянным. На практике вы можете обнаружить, что напряжение на стабилитроне немного увеличивается из-за динамического сопротивления стабилитрона.
Процедура, посредством которой вычисляется изменение напряжения стабилитрона, заключается в умножении динамического сопротивления стабилитрона на изменение тока стабилитрона.
Резистор R1 в приведенной выше базовой конструкции регулятора символизирует предпочтительную нагрузку, которая может быть подключена к стабилитрону.R1 в этой связи будет потреблять определенное количество тока, проходящего через стабилитрон.
Поскольку ток в рупиях будет выше, чем ток, поступающий в нагрузку, некоторое количество тока будет продолжать проходить через стабилитрон, обеспечивая совершенно постоянное напряжение на стабилитроне и нагрузке.
Указанный последовательный резистор Rs должен быть определен таким образом, чтобы наименьший ток, входящий в стабилитрон, всегда был выше минимального уровня, указанного для стабильного регулирования от стабилитрона.Этот уровень начинается сразу под «изломом» кривой обратного напряжения / обратного тока, как показано на предыдущей графической диаграмме выше.
Вы должны дополнительно убедиться, что выбор Rs гарантирует, что ток, проходящий через стабилитрон, никогда не выходит за пределы его номинальной мощности: которая может быть эквивалентна напряжению стабилитрона x току стабилитрона. Это наибольшая величина тока, которая может пройти через стабилитрон при отсутствии нагрузки R1.
Как рассчитать стабилитроны
Спроектировать базовую схему стабилитрона на самом деле просто и можно реализовать с помощью следующих инструкций:
Определите максимальный и минимальный ток нагрузки (Li), например 10 мА и 0 мА.
Определите максимальное напряжение питания, которое может развиться, например, уровень 12 В, а также убедитесь, что минимальное напряжение питания всегда равно 1,5 В + Vz (номинальное напряжение стабилитрона).
Как указано в базовой конструкции регулятора, необходимое выходное напряжение, которое эквивалентно напряжению стабилитрона Vz = 4,7 В, и выбранный минимальный ток стабилитрона составляет 100 микроампер . Это означает, что максимальный предполагаемый ток стабилитрона здесь составляет 100 микроампер плюс 10 миллиампер, что составляет 10.1 миллиампер.
Последовательный резистор Rs должен допускать минимальную величину тока 10,1 мА, даже когда входное напряжение является самым низким заданным уровнем, который на 1,5 В выше, чем выбранное значение стабилитрона Vz, и может быть рассчитано с использованием закона Ома как: Rs = 1,5 / 10,1 x 10 ^-3 = 148,5 Ом. Ближайшее стандартное значение составляет 150 Ом, поэтому Rs может составлять 150 Ом.
Если напряжение питания повышается до 12 В, падение напряжения на Rs будет Iz x Rs, где Iz = ток через стабилитрон.Следовательно, применяя закон Ома, мы получаем Iz = 12 — 4,7 / 150 = 48,66 мА
Выше указан максимальный ток, который может пройти через стабилитрон. Другими словами, максимальный ток, который может протекать при максимальной выходной нагрузке или при максимальном заданном входном напряжении питания. В этих условиях стабилитрон будет рассеивать мощность Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 мВт. Ближайшее стандартное значение номинальной мощности для этого составляет 400 мВт.
Влияние температуры на стабилитроны
Наряду с параметрами напряжения и нагрузки стабилитроны довольно устойчивы к колебаниям температуры вокруг них.Однако, в некоторой степени, температура может оказывать некоторое влияние на устройство, как показано на графике ниже:
Он показывает кривую температурного коэффициента стабилитрона. Хотя при более высоких напряжениях кривая коэффициента соответствует примерно 0,1% на градус Цельсия, она проходит через ноль при 5 В, а затем становится отрицательной для более низких уровней напряжения. В конце концов он достигает -0,04% на градус Цельсия при напряжении около 3,5 В.
Использование стабилитрона в качестве датчика температуры
Одним из хороших способов использования чувствительности стабилитрона к изменению температуры является применение устройства в качестве датчика температуры, как показано ниже. диаграмма
На схеме показана мостовая схема, построенная с использованием пары резисторов и пары стабилитронов с идентичными характеристиками.Один из стабилитронов работает как генератор опорного напряжения, а другой стабилитрон используется для измерения изменений уровней температуры.
Стандартный стабилитрон на 10 В может иметь температурный коэффициент + 0,07% / ° C, что может соответствовать изменению температуры 7 мВ / ° C. Это создаст дисбаланс около 7 мВ между двумя плечами моста на каждый градус Цельсия изменения температуры. Измеритель полной шкалы FSD на 50 мВ может использоваться в указанном положении для отображения соответствующих показаний температуры.
Настройка значения стабилитрона
Для некоторых схемных приложений может потребоваться точное значение стабилитрона, которое может быть нестандартным или недоступным.
Для таких случаев может быть создан массив стабилитронов, который затем может быть использован для получения желаемого настроенного значения стабилитрона, как показано ниже:
В этом примере можно получить множество настроенных нестандартных значений стабилитрона в различных клеммы, как описано в следующем списке:
Вы можете использовать другие значения в указанных позициях, чтобы получить множество других настраиваемых наборов выходных стабилитронов
Стабилитроны с питанием переменного тока
Стабилитроны
обычно используются с источниками постоянного тока, однако эти устройства также могут быть разработаны для работы с источниками переменного тока. Некоторые применения стабилитронов переменного тока включают аудио, радиочастотные цепи и другие формы систем управления переменным током.
Как показано в приведенном ниже примере, когда источник переменного тока используется со стабилитроном, стабилитрон мгновенно будет проводить, как только сигнал переменного тока перейдет от нуля к отрицательной половине своего цикла. Поскольку сигнал отрицательный, переменный ток будет закорочен через анод на катод стабилитрона, в результате чего на выходе появится 0 В.
Когда источник переменного тока проходит через положительную половину цикла, стабилитрон не проводит ток, пока переменный ток не поднимется до уровня напряжения стабилитрона.Когда сигнал переменного тока пересекает напряжение стабилитрона, стабилитрон проводит и стабилизирует выходной сигнал до уровня 4,7 В, пока цикл переменного тока не упадет обратно до нуля.
Помните, что при использовании стабилитрона с входом переменного тока убедитесь, что Rs рассчитывается в соответствии с пиковым напряжением переменного тока.
В приведенном выше примере выход не симметричный, а пульсирующий 4,7 В постоянного тока. Чтобы получить на выходе симметричное 4,7 В переменного тока, можно подключить два стабилитрона, как показано на схеме ниже
Подавление шума стабилитрона
Хотя стабилитроны обеспечивают быстрый и простой способ создания стабилизированных выходов с фиксированным напряжением. , у него есть один недостаток, который может повлиять на чувствительные звуковые цепи, такие как усилители мощности.
Стабилитроны создают шум во время работы из-за лавинного эффекта перехода при переключении, в диапазоне от 10 мкВ до 1 мВ. Это можно подавить, добавив конденсатор параллельно стабилитрону, как показано ниже:
Емкость конденсатора может быть между 0,01 мкФ и 0,1 мкФ, что позволит подавить шум в 10 раз и будет поддерживать наилучшая стабилизация напряжения.
На следующем графике показано влияние конденсатора на снижение шума стабилитрона.
Использование стабилитрона для фильтрации пульсаций напряжения
Стабилитроны могут также применяться в качестве эффективных фильтров пульсаций напряжения, так же как они используются для стабилизации переменного напряжения.
Благодаря чрезвычайно низкому динамическому сопротивлению стабилитроны могут работать как фильтр пульсаций точно так же, как и конденсатор фильтра.
Очень впечатляющую фильтрацию пульсаций можно получить, подключив стабилитрон через нагрузку к любому источнику постоянного тока. Здесь напряжение должно быть таким же, как и уровень пульсации.
В большинстве схемных приложений он может работать так же эффективно, как и типичный сглаживающий конденсатор емкостью несколько тысяч микрофарад, что приводит к значительному снижению уровня пульсаций напряжения, накладываемого на выход постоянного тока.
Как увеличить допустимую мощность стабилитрона
Простой способ увеличить допустимую мощность стабилитрона, вероятно, состоит в том, чтобы просто подключить их параллельно, как показано ниже:
Однако на практике это может быть не так просто, как кажется, и может работать не так, как задумано.Это связано с тем, что, как и любое другое полупроводниковое устройство, стабилитроны никогда не имеют точно идентичных характеристик, поэтому один из стабилитронов может проводить перед другим, протягивая через себя весь ток, в конечном итоге разрушаясь.
Быстрый способ решения этой проблемы может заключаться в добавлении последовательных резисторов низкого номинала к каждому стабилитрону, как показано ниже, что позволит каждому стабилитрону равномерно распределять ток за счет компенсации падений напряжения, создаваемых резисторами R1 и R2:
Несмотря на то, что пропускная способность по мощности может быть увеличена путем параллельного подключения стабилитронов, гораздо более совершенным подходом может быть добавление шунтирующего BJT в сочетании с стабилитроном, настроенным в качестве опорного источника.См. Следующий пример схемы.
Добавление шунтирующего транзистора не только увеличивает пропускную способность стабилитрона в 10 раз, но и дополнительно улучшает уровень стабилизации выходного напряжения, который может достигать указанного коэффициента усиления по току транзистора.
Этот тип стабилизатора стабилитрона на шунтирующих транзисторах может использоваться в экспериментальных целях, поскольку схема имеет 100% защиту от короткого замыкания. Тем не менее, конструкция довольно неэффективна, поскольку транзистор может рассеивать значительный ток при отсутствии нагрузки.
Для получения еще лучших результатов, стабилизатор с последовательным транзистором, показанный ниже, выглядит лучшим и предпочтительным вариантом.
В этой схеме стабилитрон создает опорное напряжение для последовательного транзистора, который, по сути, работает как эмиттерный повторитель. В результате напряжение эмиттера поддерживается в пределах нескольких десятых вольта от напряжения базы транзистора, создаваемого стабилитроном. Следовательно, транзистор работает как последовательный компонент и позволяет эффективно контролировать колебания напряжения питания.
Теперь весь ток нагрузки проходит через этот последовательный транзистор. Пропускная способность этого типа конфигурации полностью определяется стоимостью и спецификацией транзисторов, а также зависит от эффективности и качества используемого радиатора.
Превосходное регулирование может быть достигнуто за счет вышеупомянутой конструкции с использованием резистора серии 1 кОм. Регулировку можно увеличить в 10 раз, заменив нормальный стабилитрон на специальный низкодинамичный стабилитрон, такой как 1N1589).
В случае, если вы хотите, чтобы вышеуказанная схема обеспечивала регулируемый выходной сигнал с переменным напряжением, это может быть легко достигнуто с помощью потенциометра 1K на стабилитроне. Это позволяет регулировать переменное опорное напряжение на базе последовательного транзистора.
Однако эта модификация может привести к снижению эффективности регулирования из-за некоторого эффекта шунтирования, создаваемого потенциометром.
Схема стабилитрона постоянного тока
Простой стабилизируемый стабилитроном источник постоянного тока может быть спроектирован на одном транзисторе в качестве последовательного переменного резистора.На рисунке ниже показана основная принципиальная схема.
Здесь вы можете увидеть пару проходов схемы, один через стабилитрон, подключенный последовательно с резистором смещения, а другой путь через резисторы R1, R2 и последовательный транзистор.
В случае отклонения тока от исходного диапазона он вызывает пропорциональное изменение уровня смещения R3, что, в свою очередь, вызывает пропорциональное увеличение или уменьшение сопротивления последовательного транзистора.
Эта регулировка сопротивления транзистора приводит к автоматической корректировке выходного тока до желаемого уровня.Точность управления током в этой конструкции будет около +/- 10% в зависимости от выходных условий, которые могут варьироваться от короткого замыкания до нагрузки до 400 Ом.
Схема последовательного переключения реле с использованием стабилитрона
Если у вас есть приложение, в котором требуется последовательно переключать набор реле на выключателе питания, а не все вместе, тогда следующая конструкция может оказаться весьма удобной.
Здесь последовательно увеличивающиеся стабилитроны устанавливаются последовательно с группой реле вместе с отдельными последовательными резисторами с малым номиналом.При включении питания стабилитроны проводят один за другим последовательно в порядке возрастания их значений стабилитрона. Это приводит к последовательному включению реле в соответствии с требованиями приложения. Значения резисторов могут составлять 10 Ом или 20 Ом в зависимости от величины сопротивления катушки реле.
Схема стабилитрона для защиты от перенапряжения
Благодаря их характеристикам чувствительности к напряжению, можно комбинировать стабилитроны с характеристиками чувствительных к току предохранителей для защиты важных компонентов схемы от скачков высокого напряжения и, кроме того, устраняя проблемы с предохранителями. частое сгорание, что может произойти, особенно когда номинал предохранителя очень близок к рабочему току схемы.
При подключении стабилитрона с правильным номиналом поперек нагрузки можно использовать предохранитель, рассчитанный на работу с заданным током нагрузки в течение продолжительных периодов времени. В этой ситуации предположим, что входное напряжение увеличивается до такой степени, что превышает напряжение пробоя стабилитрона — это заставит стабилитрон проводить ток. Это вызовет внезапное увеличение тока и почти мгновенно сгорит предохранитель.
Преимущество этой схемы состоит в том, что она предотвращает частое и непредсказуемое срабатывание предохранителя из-за его близкого значения предохранителя к току нагрузки.Вместо этого предохранитель перегорает только тогда, когда напряжение и ток действительно поднимаются выше указанного опасного уровня.
Схема защиты от пониженного напряжения с использованием стабилитрона
Реле и правильно подобранный стабилитрон достаточно для создания точной схемы защиты от пониженного или пониженного напряжения для любого желаемого применения. Принципиальная схема представлена ниже:
Операция на самом деле очень проста, напряжение Vin, получаемое от сети трансформаторного моста, изменяется пропорционально в зависимости от изменений входного переменного тока.Это означает, что если предположить, что 220 В соответствует 12 В от трансформатора, то 180 В должно соответствовать 9,81 В и так далее. Следовательно, если предполагается, что 180 В является порогом отсечки низкого напряжения, то выбор стабилитрона в качестве устройства на 10 В отключит работу реле всякий раз, когда входной переменный ток падает ниже 180 В.
Цепи стабилизатора транзистора-стабилитрона
Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.
, автор — Льюис Лофлин
Обновлено, отредактировано в октябре 2016 г.Здесь будут рассмотрены основные принципы работы стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения. Они будут использоваться вместе с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями для реальных регуляторов напряжения. Нижеследующее предназначено только для информационных целей и не дает никаких гарантий.
Связанные — Эксперименты с шунтирующим стабилизатором TL431A типа регулируемого стабилитрона.
Видео на YouTube: Учебное пособие по стабилитронам.
Стабилитрон — это твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении будет проводить и действовать как любой другой кремниевый диод. В режиме обратного смещения всегда используются стабилитроны, предназначенные для пробоя при определенном напряжении. На рис.1 показано базовое подключение стабилитрона.
Z1 и Rs включены последовательно, а нагрузочный резистор RL на 200 Ом параллельно Z1. Наш общий ток (Is) протекает через Rs и делится через Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 В поддерживает постоянное напряжение на RL, когда Vin изменяется в определенном диапазоне. Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL.Если Vin увеличивается, скажем, до 18 вольт, то ток стабилитрона Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.
В любое время падение напряжения на Z1 плюс Rs всегда равно напряжению питания Vin, в то время как напряжение на RL, таким образом, IL постоянно. Если Rs слишком мало, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1. Если Rs слишком велико, нам не хватает минимального тока Iz для поддержания регулирования напряжения. Обратите внимание на следующее:
Is = Iz + IL = 24 мА + 51 мА = 75 мА; Rs = VRs / Is = 5,8 В / 75 мА = 77 Ом.
Возникает следующий вопрос: какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.
Рис. 2
На Рис. 2 мы видим исправно работающую схему стабилизации стабилитрона при Z1 = 5,1 В при напряжении питания 10 В. Но что происходит, если мы увеличиваем нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.
Рис. 3
На рис. 3 мы понизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL.Хотя общий ток Rs остается неизменным, часть тока для Z1 (Iz) идет в RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.
Рис. 4
На Рис. 4 RL теперь составляет 100 Ом и потреблял такой большой ток от Z1, что у нас больше нет никакого регулирования напряжения. Эта установка практически бесполезна как источник питания, за исключением малых токов. Вот почему мы используем транзисторы вместе со стабилитронами.
Рис. 5
Чтобы обойти ограничения мощности, мы используем транзистор с последовательным проходом.На рис. 5 NPN-транзистор с коэффициентом усиления Hfe или постоянного тока, равным 100, фактически «умножает» 1 мА из цепи стабилитрона до 100 мА. Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, заключается в том, чтобы компенсировать падение 0,6 В на переходе B-E Q1. Да, вам нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем. По мере того, как мы потребляем больше тока нагрузки, 99% тока происходит из Q1.
Рис. 6
На Рис. 6 мы используем два NPN-транзистора в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.Мне пришлось использовать стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах B-E.
Рис. 7
На Рис. 7 мы используем Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.
Рис. 8
На Рис. 8 показан стабилизатор на стабилитроне для источника питания с отрицательной полярностью. Транзистор NPN был заменен транзистором PNP, а полярность стабилитрона и конденсатора 100 мкФ была изменена. Все текущие потоки также были почитаемы.
На этом завершается введение в регулирование напряжения на основе стабилитронов.
Учебное пособие: Схемы стабилизатора на транзисторе-стабилитроне

Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX

Базовое руководство по устранению неисправностей источника питания
Стабилитрон — что это такое, как работает и это история
Что такое диод и как он работает?
Диод — это компонент схемы, который позволяет току течь только в одном направлении.Диоды бывают разных размеров и обычно имеют черный цилиндрический корпус с двумя выводами, идущими по бокам (анод и катод), и полосой на конце катода. Диоды похожи на улицы с односторонним движением. Ток может двигаться только от конца катода к концу анода через диод. Это происходит потому, что диод предотвращает протекание тока в противоположном направлении от анодной стороны. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда он пропускает ток. Анод и катод диода — это два его вывода.Диоды используются в цепях для ограничения напряжения и преобразования переменного тока в постоянный. Полупроводники, такие как кремний и германий, используются для получения максимальной отдачи от диодов. Несмотря на то, что они оба передают власть в одном направлении, они делают это по-разному. Диоды бывают разных форм и размеров, каждый со своим набором приложений, таких как стабилитроны. Переключатели, модуляторы сигналов, смесители сигналов, выпрямители, ограничители сигналов, регуляторы напряжения и т. Д. — все это примеры применения диодов.
Чем стабилитрон отличается от обычного диода?
Стабилитрон
— это один из диодов, используемых для определенных целей.За исключением одного ключевого различия, стабилитроны работают так же, как обычные диоды. Напряжение обратного пробоя стабилитронов известно как «напряжение стабилитрона». Это означает, что стабилитроны могут только остановить прохождение тока через цепь до определенного напряжения. Если напряжение обратного пробоя стабилитрона составляет 10 В, а ток составляет всего 5 В, стабилитрон блокирует прохождение тока. В другом сценарии, если ток в цепи составляет 11 В, стабилитрон пропускает ток.
Какая точка диода проводит в обоих направлениях? вы можете задаться вопросом. Стабилитрон пригодится при создании стабилизаторов напряжения, схем защиты от перенапряжения и других схем. Его можно использовать для перемещения частичного протекания тока в другом направлении в цепи. Конструкция стабилитронов также отличается от конструкции обычных диодов. Эти диоды изготавливаются из сильно легированных полупроводников N и P-типа с различным количеством легирования для достижения различных напряжений пробоя.В результате разные уровни напряжения стабилитронов имеют разную емкость напряжения.
Таким образом, стабилитроны предназначены для использования в режиме обратного смещения с низким постоянным напряжением пробоя или стабилитроном. Они начинают проводить значительные обратные токи. Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, работая как вспомогательная нагрузка, отбирая больше тока от источника, когда напряжение слишком высокое, и меньше тока, когда напряжение слишком низкое.
Ранняя история стабилитрона
Кларенс Мелвин Зинер был первым, кто описал преимущества этого диода.Кларенс Зинер был профессором факультета физики Университета Карнеги-Меллона. Его исследовательские интересы были в области физики твердого тела. Он окончил Стэнфордский университет в 1926 году и получил докторскую степень в том же институте в 1929 году. В 1950 году он изобрел стабилитрон, который сейчас используется в современных компьютерных схемах. В 1934 году Кларенс Зенер опубликовал статью о пробое электрического изолятора. Он был известен во всем мире как пионер в области науки, называемой «внутреннее трение», которая была в центре большинства его исследований.
Как защитить вашу схему от повреждения при перенапряжении с помощью стабилитрона?
Вы можете столкнуться с неизвестными или загадочными сбоями в своих проектах при использовании в цепи двигателей, чувствительных к напряжению, или других компонентов. Компоненты, чувствительные к напряжению, иногда могут гореть, потому что они просто не могут справиться с величиной напряжения в токе. Давайте посмотрим на схемы. Схема 1 имеет источник питания 12 В с обратным смещением стабилитрона. Напряжение стабилитрона 10 Вольт; Следовательно, напряжение пробоя было превышено источником питания 12 В и не допускает превышения напряжения более 10 Вольт на вольтметре.Если мы увеличим напряжение источника питания до 90 В, как показано на схеме 2, то стабилитрон все равно позволит току проходить мимо него. Однако ток, который идет на вольтметр, по-прежнему составляет около 10 вольт. Следовательно, стабилитрон можно использовать для создания стабилизатора напряжения, использующего эту логику в схеме.
Характеристики стабилитронов
Номинальное напряжение, рассеиваемая мощность, прямой ток возбуждения, прямое напряжение, тип упаковки и максимальный обратный ток — это атрибуты, которые используются для классификации различных стабилитронов.Давайте познакомимся с некоторыми из этих атрибутов.
Номинальное напряжение
Напряжение пробоя стабилитрона также называется номинальным рабочим напряжением. Это один из важных параметров при выборе стабилитрона.
Рассеиваемая мощность
Наибольшее количество энергии, которое может разрядить ток Зенера, представлено этим значением. Превышение этой номинальной мощности приводит к перегреву стабилитрона, потенциально повреждая его и вызывая выход из строя компонентов, подключенных к нему в цепи.В результате при выборе диода для конкретного применения следует учитывать этот элемент.
Максимальный ток стабилитрона
При напряжении стабилитрона это максимальный ток, который может пройти через стабилитрон, не повредив его.
Минимальный ток стабилитрона
Это минимальный ток, необходимый стабилитрону для входа в зону пробоя и начала работы.
Другие параметры, которые действуют как спецификации диодов, должны быть тщательно изучены, прежде чем принимать решение о типе стабилитрона, необходимого для какой-либо конкретной конструкции.
Магазинные переменные резисторы
Ознакомьтесь с другими статьями из нашего блога
Стабилитрон
— MATLAB и Simulink
В этом примере показана модель стабилитрона, используемого в стабилизаторе напряжения.
Описание
Блок стабилитронов, смоделированный в этом примере, представляет собой практическую реализацию, в которой используются параметры, обычно указанные в таблицах данных. Эти параметры:
(1) Напряжение стабилитрона Vz
(2) Динамическое сопротивление Zzt
(3) Импеданс колена Zzk
(4) Максимальный непрерывный ток Izm 94000195
) Прямое падение напряжения Vf
(6) На сопротивлении Ron
Этот блок может эффективно моделировать три области работы ВАХ стабилитрона — прямое смещение, обратное смещение до пробоя и обратное смещение после пробоя .За пределами максимального обратного постоянного тока Izm предполагается, что стабилитрон сгорает и рассматривается как разомкнутая цепь.
Реализацию стабилитрона можно увидеть, заглянув под маску блока, и он основан на [1].
Стабилитроны обычно используются в качестве стабилизаторов напряжения. На схеме показан источник переменного тока, подключенный к понижающему трансформатору. Затем выходной сигнал трансформатора выпрямляется с помощью диодного моста и сглаживается с помощью емкостного фильтра.Затем стабилитрон регулирует выходное напряжение до напряжения стабилитрона 10 В. Входной ток в стабилитрон ограничивается резистором Rlimit до допустимых значений.
Программируемый источник напряжения настроен на увеличение выходного напряжения на 0,1 с. По мере увеличения выходной мощности источника увеличивается и напряжение на входе стабилитрона. Однако стабилитрон может регулировать выход только до тех пор, пока его входной ток ниже максимального заданного значения. Этот ток увеличивается, когда мы увеличиваем напряжение источника, и стабилитрон в конечном итоге выходит из строя примерно при 0.112с.