стабілітрони

Якщо ми підключимо діод і резистор послідовно з джерелом постійної напруги так, щоб діод був зміщений в прямому напрямку (як показано на малюнку нижче (a)), падіння напруги на діоді буде залишатися досить постійним в широкому діапазоні напруг джерела живлення.

Відповідно до доданими рівнянням Шоклі, струм через прямо-зміщений PN перехід пропорційний e, зведеному в ступінь прямого падіння напруги. Оскільки це експоненціальна функція, ток зростає досить швидко при помірному збільшенні падіння напруги. Інший спосіб розглянути це: сказати що напруга, падаюче на прямо-зміщеному діод, слабо змінюється при великих змінах струму, що протікає через діод. На схемі, показаної на малюнку нижче (a), струм обмежений напругою джерела живлення, послідовно включеним резистором і падінням напруги на діоді, яке, як ми знаємо, не сильно відрізняється від 0,7 вольта. Якщо напруга в мережі буде збільшено, падіння напруги на резисторі збільшиться майже на таке ж значення, а падіння напруги на діоді збільшиться дуже слабо. І навпаки, зменшення напруги джерела живлення призведе до майже рівному зменшення падіння напруги на резисторі і невеликого зменшення падіння напруги на діоді. Одним словом, ми могли б узагальнити цю поведінку, сказавши, що діод стабілізує падіння напруги на рівні приблизно 0,7 вольта.

Управління напругою - це дуже корисна властивість діода. Припустимо, що ми зібрали якусь схему, яка не допускає змін напруги джерела живлення, але яку необхідно живити від батареї гальванічних елементів, напруга яких змінюється протягом усього терміну служби. Ми могли б зібрати схему, як показано на малюнку, і підключити схему, що вимагає стабілізованої напруги, до діода, де вона отримає незмінні 0,7 вольта.

Це, безумовно, спрацює, але для більшості практичних схем будь-якого типу для правильної роботи потрібна напруга живлення понад 0,7 вольта. Одним із способів збільшення рівня нашого стабілізованого напруги може бути послідовне з'єднання декількох діодів, оскільки падіння напруги на кожному окремому діоді, рівне 0,7 вольта, збільшить підсумкове значення на цю величину. Наприклад, якби у нас було десять послідовно включених діодів, стабілізовану напругу було б в десять разів більше 0,7 вольта, тобто 7 вольт (малюнок нижче (b)).

Пряме зміщення Si діодів: (a) одиночний діод, 0,7 В, (b) 10 діодів, включених послідовно, 7,0В.

До тих пір, поки напруга не впаде нижче 7 вольт, на 10-диодном «стеку» падатиме приблизно 7 вольт.

Якщо потрібні великі стабілізовані напруги, ми можемо або використовувати більшу кількість діодів, включених послідовно, (на мою думку, не самий витончений спосіб), або спробувати принципово інший підхід. Ми знаємо, що пряме напруга діода є досить постійною величиною в широкому діапазоні умов, також як і зворотна напруга пробою, яке, як правило, значно більше прямого напруги. Якщо ми поміняємо полярність діода в нашій схемі однодіодного стабілізатора і збільшимо напруга джерела живлення до того моменту, коли відбудеться «пробою» діода (діод не може протистояти прикладеному до нього напрузі зворотного зсуву), діод буде стабілізувати напругу аналогічним чином в цій точці пробою, не дозволяючи йому збільшуватися далі, як показано на малюнку нижче.

Пробій назад зміщеного Si діода при напрузі приблизно 100 В.

На жаль, коли звичайні випрямляючі діоди «пробиваються», вони зазвичай руйнуються. Проте, можна створити спеціальний тип діода, який може обробляти пробою без повного руйнування. Цей тип діода називається стабілітроном, і його умовне графічне позначення наведено на малюнку нижче.

Умовне графічне позначення стабілітрона

При прямому зміщенні стабілітрони поводяться так само, як стандартні випрямні діоди: вони мають пряму падінням напруги, яке відповідає «діодному рівняння» і становить приблизно 0,7 вольта. У режимі зворотного зсуву вони не проводять струм до тих пір, поки прикладена напруга не досягне або не перевищить так званого напруги стабілізації, і в цей момент стабілітрон здатний проводити значний струм і при цьому буде намагатися обмежити напруга, падаюче на ньому, до значення напруги стабілізації . Поки потужність, що розсіюється цим зворотним струмом, не перевищує теплових обмежень стабилитрона, стабілітрон НЕ буде пошкоджений.

Стабілітрони виготовляються з напругою стабілізації в діапазоні від декількох вольт до сотень вольт. Ця напруга стабілізації незначно змінюється в залежності від температури, і його похибка може становити від 5 до 10 відсотків від характеристик, зазначених виробником. Однак, ця стабільність і точність зазвичай достатні для використання стабилитрона як стабілізатор напруги в загальній схемі живлення, показаної на малюнку нижче.

Схема стабілізатора напруги на стабілітроні, напруга стабілізації = 12,6 В

Будь ласка, зверніть увагу на напрямок включення стабілітрона на поступовим зниженням дози: стабілітрон зміщений у зворотному напрямку, і це зроблено навмисно. Якби ми включили стабілітрон «звичайним» способом, щоб він був зміщений в прямому напрямку, то на ньому падало б тільки 0,7 вольта, як на звичайному випрямному діоді. Якщо ми хочемо використовувати властивості зворотного пробою стабілітрона, то ми повинні використовувати його в режимі зворотного зсуву. Поки напруга харчування залишається вище напруги стабілізації (12,6 вольт в цьому прикладі), напруга, падаюче на стабілітроні, залишиться приблизно на рівні 12,6 вольт.

Як і будь-який напівпровідниковий прилад, стабілітрон чутливий до температури. Занадто висока температура зруйнує стабілітрон, і оскільки він і знижує напругу, і проводить струм, то він виділяє тепло відповідно до закону Джоуля (P = IU). Тому необхідно бути обережним при проектуванні схеми стабілізатора напруги, щоб не перевищувалася номінальна потужність розсіювання стабилитрона. Цікаво відзначити, що коли стабілітрони виходять з ладу через високу потужності розсіювання, вони зазвичай замикаються накоротко, а не розриваються. Діод, що вийшов з ладу з такої ж причини, легко виявити: на ньому падіння напруги практично дорівнює нулю, як на шматку проводу.

Розглянемо схему стабілізатора напруги на стабілітроні математично, визначаючи все напруги, струми і розсіюється потужності. Взявши ту ж схему, що була показана раніше, ми виконаємо обчислення, приймаючи, що напруга стабілітрона одно 12,6 вольт, напруга живлення дорівнює 45 вольт, а сопротівненіе послідовно включеного резистора дорівнює 1000 Ом (ми вважатиме, що напруга стабілітрона складає рівно 12 , 6 вольт, щоб уникнути необхідності оцінювати все значення як «приблизні» на малюнку (a) нижче).

Якщо напруга стабілітрона складає 12,6 вольт, а напруга джерела живлення становить 45 вольт, падіння напруги на резисторі буде складати 32,4 вольта (45 вольт - 12,6 вольт = 32,4 вольта). 32,4 вольта, що падають на 1000 Ом, дають в ланцюзі струм 32,4 мА (малюнок (b) нижче).

(A) Стабілізатор напруги на стабілітроні з резистором 1000 Ом. (B) Розрахунок падінь напруги і струму.

Потужність розраховується шляхом множення струму на напругу (P = IU), тому ми можемо легко розрахувати розсіювання потужності як для резистора, так і для стабілітрона:

\ [P_ {резистор} = (32,4 мА) (32,4 В) \]

\ [P_ {резистор} = 1,0498 Вт \]

\ [P_ {стабілітрон} = (32,4 мА) (12,6 В) \]

\ [P_ {стабілітрон} = 408,24 мВт \]

Для цієї схеми було б досить стабилитрона з номінальною потужністю 0,5 вата і резистора з потужністю розсіювання 1,5 або 2 вати.

Якщо надмірна розсіює потужність шкідлива, то чому б не спроектувати схему з найменшим можливим кількістю розсіювання? Чому б просто не встановити резистор з дуже високим опором, тим самим сильно обмежуючи струм і зберігаючи показники розсіювання дуже низькими? Візьмемо цю ж схему, наприклад, з резистором 100 кОм, замість резистора 1 кОм. Зверніть увагу, що і напруга живлення, і напруга стабілітрона не змінилися:

Стабілізатор напруги на стабілітроні з резистором 100 кОм

При 1/100 від значення струму, який був у нас раніше (324 мкА, замість 32,4 мА), обидва значення розсіюваною потужності повинні зменшитися в 100 разів:

\ [P_ {резистор} = (324 мкА) (32,4 В) \]

\ [P_ {резистор} = 10,498 мВт \]

\ [P_ {стабілітрон} = (324 мкА) (12,6 В) \]

\ [P_ {стабілітрон} = 4,0824 мВт \]

Здається ідеальним, чи не так? Менша розсіює потужність означає нижчу робочу температуру і для стабілітрона, і для резистора, а також менші втрати енергії в системі, вірно? Більш високе значення опору зменшує рівні потужності, що розсіюється в схемі, але на жаль, створює іншу проблему. Пам'ятайте, що мета схеми стабілізатора - забезпечити стабільну напругу для іншої схеми. Іншими словами, ми в кінцевому підсумку збираємося живити щось напругою 12,6 вольт, і це щось буде володіти власним споживанням струму. Розглянемо нашу першу схему стабілізатора, на цей раз з навантаженням 500 Ом, підключеної паралельно стабілітрону, на малюнку нижче.

Стабілізатор напруги на стабілітроні з послідовно включеним резистором 1 кОм і навантаженням 500 Ом

Якщо 12,6 вольт підтримуються при навантаженні 500 Ом, навантаження буде споживати струм 25,2 мА. Для того, щоб «знижувальний» резистор знизив напругу на 32,4 вольта (зниження напруги джерела живлення 45 вольт до 12,6 вольт на стабілітроні), він все одно повинен проводити струм 32,4 мА. Це призводить до того, що через стабілітрон буде протікати струм 7,2 мА.

Тепер розглянемо нашу «енергозберігаючу» схему стабілізатора із знижуючим резистором 100 кОм, підключивши до неї таке ж навантаження 500 Ом. Передбачається, що вона повинна підтримувати на навантаженні 12,6 вольт, як і попередня схема. Однак, як ми побачимо, вона не може виконати це завдання (малюнок нижче).

Нестабілізатор напруги на стабілітроні з послідовно включеним резистором 100 кОм і навантаженням 500 Ом

При великому номіналі понижуючого резистора на навантаженні 500 Ом буде напруга близько 224 мВ, що набагато менше очікуваного значення 12,6 вольт! Чому так? Якби у нас насправді було на навантаженні 12,6 вольт, то був би і ток 25,2 мА, як і раніше. Цей струм навантаження мав би пройти через послідовний понижуючий резистор, як це було раніше, але з новим (набагато більшим!) Знижувальним резистором падіння напруги на цьому резисторі з протікає через нього струмом 25,2 мА склало б 2 520 вольт! Оскільки у нас, очевидно, немає такого великого напруги, що подається з акумулятора, то цього не може бути.

Ситуацію легше зрозуміти, якщо ми тимчасово видалимо стабілітрон зі схеми і проаналізуємо поведінку тільки двох резисторів на малюнку нижче.

Нестабілізатор з віддаленим стабілітроном

І понижуючий резистор 100 кОм, і опір навантаження 500 Ом включені послідовно, забезпечуючи загальний опір схеми 100,5 кОм. При повному напрузі 45 В і загальному опорі 100,5 кОм, закон Ома (I = U / R) говорить нам, що струм складе 447,76 мкА. Розрахувавши падіння напруги на обох резисторах (U = IR), ми отримаємо 44,776 вольта і 224 мВ, відповідно. Якби в цей момент ми повернули стабілітрон, він також «побачив» 224 мВ на ньому, будучи включеним паралельно опору навантаження. Це набагато нижче напруги пробою стабілітрона, і тому він не буде «пробитий» і не буде проводити струм. В цьому відношенні, при низькій напрузі стабілітрон не працюватиме, навіть якщо він буде зміщений в прямому напрямку. По крайней мере, на нього має надходити 12,6 вольт, щоб його «активувати».

Аналітична методика видалення стабилитрона зі схеми і спостереження наявності або відсутності достатньої напруги для його провідності є обґрунтованою. Тільки те, що стабілітрон включений в схему, не гарантує, що повне напруга стабілітрона завжди дійде до нього! Пам'ятайте, що стабілітрони працюють, обмежуючи напругу до деякого максимального рівня; вони не можуть компенсувати недолік напруги.

Таким чином, будь-яка схема стабілізатора на стабілітроні буде працювати до тих пір, поки опір навантаження буде дорівнює або більше деякого мінімального значення. Якщо опір навантаження занадто низька, це призведе до занадто великого струму, що призведе до занадто великого напруження на що знижує резистори, що залишить на стабілітроні напруга недостатнє, щоб змусити його проводити струм. Коли стабілітрон перестає проводити струм, він більше не може регулювати напругу, і напруга на навантаженні буде нижче точки регулювання.

Однак, наша схема стабілізатора із знижуючим резистором 100 кОм повинна підходити для деякого значення опору навантаження. Щоб знайти це відповідне значення опору навантаження, ми можемо використовувати таблицю для розрахунку опору в ланцюзі з двох послідовно включених резисторів (без стабілітрона), ввівши відомі значення загальної напруги і опору понижуючого резистора, і розрахувавши для очікуваного на навантаженні напруги 12,6 вольт:

При 45 вольтах загальної напруги і 12,6 вольтах на навантаженні, ми повинні отримати 32,4 вольта на що знижує резистори Rпоніж:

При 32,4 вольтах на що знижує резистори і його опорі 100 кОм струм, що протікає через нього, складе 324 мкА:

При послідовному включенні струм, що протікає через все компоненти, однаковий:

Розрахувати опір навантаження тепер досить просто відповідно до закону Ома (R = U / I), що дасть нам 38,889 кОм:

Таким чином, якщо опір навантаження становить точно 38,889 кОм, на ньому буде 12,6 вольт і зі стабілітроном, і без нього. Будь-який опір навантаження менше 38,889 кОм призведе до напруження на навантаженні менше 12,6 вольт і зі стабілітроном, і без нього. При використанні стабілітрона напруга на навантаженні буде стабілізуватися до 12,6 вольт для будь-якого опору навантаження більш 38,889 кОм.

При первісному значенні 1 кОм понижуючого резистора схема нашого стабілізатора змогла б адекватно стабілізувати напругу навіть при опорі навантаження до 500 Ом. Те, що ми бачимо, є компромісом між розсіюванням потужності і допустимим опором навантаження. Більш високий опір понижуючого резистора дає нам менше розсіювання потужності за рахунок підвищення мінімально допустимого значення опору навантаження. Якщо ми хочемо стабілізувати напругу для низьких значень опору навантаження, схема повинна бути підготовлена ​​для роботи з розсіюванням великої потужності.

Стабілітрони регулюють напругу, діючи як додаткові навантаження, споживаючи в залежності від необхідності більшу або меншу величину струму, щоб забезпечити постійне падіння напруги на навантаженні. Це аналогічно регулюванню швидкості автомобіля шляхом гальмування, а не зміною положення дросельної заслінки: це не тільки марнотратно, але і гальма повинні бути побудовані так, щоб управляти всією потужністю двигуна тоді, як умови водіння не вимагають цього. Незважаючи на цю фундаментальну неефективність, схеми стабілізаторів напруги на стабілітронах широко використовуються через свою простоту. У потужних додатках, де неефективність неприйнятна, застосовуються інші методи управління напругою. Але навіть тоді невеликі схеми на стабілітронах часто використовуються для забезпечення «опорного» напруги для управління більш ефективною схемою, яка контролює основну потужність.

Стабілітрони виготовляються для стандартних номіналів напруг, перерахованих в таблиці нижче. Таблиця «Основні напруги стабілітронів» перераховує основні напруги для компонентів потужністю 0,5 і 1,3 Вт. Вати відповідають потужності, яку компонент може розсіяти без пошкодження.

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

Обмежувач напруги на стабілітронах: схема обмежувача, яка відсікає піки сигналу приблизно на рівні напруги стабілізації стабілітронів. Схема, показана на малюнку нижче, має два стабілітрона, з'єднаних послідовно, але спрямованих протилежно один одному, щоб симетрично обмежувати сигнал приблизно на рівні напруги стабілізації. Резистор обмежує споживаний стабілітронами ток до безпечного значення.

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

Напруги пробою стабілітрона встановлюється на рівень 10 В с помощью параметра bv = 10 моделі діода в списку з'єднань spice, наведення вищє. Це змушує стабілітрони обмежувати напруга на рівні близько 10 В. Зустрічно включені стабілітрони обмежують обидва піку. Для позитивного напівперіоду, верхній стабілітрон зміщений у зворотному напрямку, пробиває стабілітрон при напрузі 10 В. На нижньому стабілітроні падає приблизно 0,7 В, так як він зміщений в прямому напрямку. Таким чином, більш точний рівень відсічення становить 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогічно відсічення при негативному напівперіоді відбувається на рівні -10,7 В. Малюнок нижче показує рівень відсічення трохи більше ± 10 В.

Діаграма роботи обмежувача напруги на стабілітронах: вхідний сигнал v (1) обмежується до сигналу v (2)

• Стабілітрони призначений для роботи в режимі зворотного зсуву, забезпечуючи відносно низький, стабільний рівень пробою, тобто напруга стабілізації, при якому вони починають проводити значний зворотний струм.
• Стабілітрон може працювати як стабілізатор напруги, діючи в якості допоміжної навантаження, яка споживає більший струм від джерело, якщо його напруга занадто велике, або менший струм, якщо напруга занадто низька.