Схемы стабилитронов, характеристики, расчеты

Стабилитроны, названные в честь своего изобретателя доктора Карла Зенера, в основном используются в электронных схемах для генерации точных опорных напряжений. Это устройства, которые способны создавать практически постоянное напряжение на них 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 минусом 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 выходного сигнала точно при постоянном значении напряжения стабилитрона.

Эта характеристика графически выделена на рисунке ниже, который показывает, что выше «напряжения стабилитрона» обратное напряжение продолжает оставаться почти постоянным даже при изменении обратного тока. В результате диоды Зенера часто используются для получения капли постоянного 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.)

Базовая схема работы стабилитрона

Стандартная схема регулятора напряжения, использующая единственный 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 моментами:

При отсутствии нагрузки на выходе стабилитрона на стабилитроне можно увидеть падение 4,7 Вольт, а на резисторе R.

Теперь, в случае изменения входного напряжения, давайте представим, что при изменении напряжения от 8,0 до 9,0 В 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 вычисления изменения напряжения стабилитрона заключается в умножении динамического сопротивления стабилитрона на изменение тока стабилитрона.

Резистор R1 в указанной 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 Rs будет выше, чем ток, поступающий в нагрузку, величина тока будет продолжать проходить через стабилитрон, обеспечивая идеально постоянное напряжение на стабилитроне и нагрузке.

Указанный последовательный резистор Rs следует определять таким образом, чтобы наименьший ток, поступающий на 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 ее можно реализовать с помощью следующих инструкций:

1. Определите максимальный и минимальный ток нагрузки (Li), например 10 мА и 0 мА.
2. 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).
3. Как указано в базовой конструкции регулятора, требуемое выходное напряжение, которое эквивалентно напряжению стабилитрона Vz = 4,7 В, и выбранное наименьший ток стабилитрона 100 мкА . Это означает, что максимальный предполагаемый ток стабилитрона здесь составляет 100 микроампер плюс 10 миллиампер, что составляет 10,1 миллиампер.
4. Последовательный резистор Rs должен обеспечивать минимальную величину тока 10,1 мА, даже если входное напряжение имеет самый низкий заданный уровень, который на 1,5 В выше, чем выбранное значение стабилитрона Vz, и может быть рассчитан с использованием закона Ома как: Rs = 1,5 / 10,1 х 10^-3= 148,5 Ом. Ближайшее стандартное значение составляет 150 Ом, поэтому Rs может составлять 150 Ом.
5. Если напряжение питания повышается до 12 В, падение напряжения на Rs будет Iz x Rs, где Iz = ток через стабилитрон. Следовательно, применяя закон Ома, получаем Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 мА.
6. Выше указан максимальный ток, который может проходить через стабилитрон. Другими словами, максимальный ток, который может протекать при максимальной выходной нагрузке или 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 конечном итоге она 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 на следующей диаграмме.

На схеме показана мостовая схема, построенная с использованием пары резисторов и пары стабилитронов с идентичными характеристиками. Один из стабилитроны работает как генератор опорного напряжения, а другой стабилитрон используется для восприятия изменений в уровнях 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 отдельный 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 настраиваемого значения стабилитрона, как показано ниже:

В этом примере многие настраиваемые нестандартные значения стабилитрона могут быть получены через различные терминалы, как описано в следующем списке:

Вы можете использовать другие значения в указанных позициях, чтобы получить множество других настраиваемых наборов выходных сигналов стабилитрона.

Стабилитроны с питанием от сети 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 немедленно начнет 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 стабилизатора, как показано на схеме ниже.

Подавление шума стабилитрона

Хотя стабилитроны обеспечивают быстрый и простой способ создания стабилизированных выходов с фиксированным напряжением, у них 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 составлять от 0,01 мкФ до 0,1 мкФ, что позволяет подавить шум в 10 раз и поддерживать наилучшую возможную стабилизацию напряжения.

На следующем графике показано влияние конденсатора на снижение шума стабилитрона.

Использование стабилитрона для фильтрации пульсаций напряжения

Стабилитроны также могут применяться в качестве эффективных фильтров напряжения пульсаций, так же как они используются для стабилизации переменного напряжения.

Благодаря крайне 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, накладываемых на выход постоянного тока.

Как увеличить допустимую мощность стабилитрона

Простой способ увеличить пропускную способность стабилитрона - это, вероятно, 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, Пропускную способность мощность может быть увеличена путем подключения стабилитронов параллельно, значительно улучшен подход может быть, чтобы добавить шунтирующий BJT в сочетании с стабилитроном сконфигурирован 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 значительное количество тока при отсутствии нагрузки.

Для еще лучших результатов последовательный транзистор Тип регулятора, показанный ниже, выглядит лучше и предпочтительнее.

В этой схеме диод Зенера создает опорное напряжение для серии проход транзистора, который, по существу, работает как эмиттер-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 такого типа конфигурации полностью определяется стоимостью и спецификацией транзисторов, а также зависит от эффективности и качества используемого радиатора.

Превосходное регулирование может быть достигнуто с помощью вышеуказанной конструкции с использованием резистора серии 1 кОм. Регулировку можно увеличить в 10 раз, заменив нормальный стабилитрон специальным малодинамичным стабилитроном, таким как 1N1589).

Если вы хотите, чтобы вышеуказанная схема обеспечивала регулируемый выходной сигнал с переменным напряжением, этого можно легко добиться, используя потенциометр 1K на стабилитроне. Это позволяет переменное опорное напряжение, чтобы быть скорректировано на основе серии транзистора.

Однако эта модификация может привести к снижению эффективности регулирования из-за некоторого шунтирующего эффекта, создаваемого потенциометром.

Схема стабилитрона постоянного тока

Простой стабилизируемый стабилитроном источник постоянного тока может быть выполнен на одном транзисторе в виде 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.

Если ток отклоняется 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, чтобы набор реле переключался последовательно одно за другим 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 низким номиналом. При включении питания стабилитроны работают 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 значения сопротивления катушки реле.

Схема стабилитрона для защиты от перенапряжения

Благодаря их характеристикам, чувствительным к напряжению, можно комбинировать стабилитроны с характеристиками чувствительных к току предохранителей для защиты критически важных компонентов схемы от скачков высокого напряжения, а также для предотвращения частого срабатывания предохранителя, что может произойти, особенно при номинальном значении предохранителя. очень близок к рабочему току схемы.

Путем присоединения к нагрузке стабилитрона с правильным номиналом можно использовать предохранитель, рассчитанный на выдерживание заданного тока 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 отключения при низком или пониженном напряжении 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 отключения по низкому напряжению, то выбор стабилитрона в качестве устройства 10 В отключит работу реле всякий раз, когда входной переменный ток падает ниже 180 В.