Как включается стабилитрон в схемах – Стабилитрон — это НЕ сложно

Содержание

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения | HomeElectronics

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

ПоказательЛинейный источник питанияИмпульсный источник питания
СтоимостьНизкаяВысока
МассаБольшаяНебольшая
ВЧ-шумОтсутствуетВысокий
КПД35 — 50 %70 — 90 %
Несколько выходовНетЕсть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является

параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.


Вольт-амперная характеристика диодаВольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе

на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом


Обозначение стабилитронаОбозначение стабилитрона
Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.


Вольт-амперная характеристика стабилитронаВольт-амперная характеристика стабилитрона
Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой

параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.


Схема включения стабилитронаСхема включения стабилитрона
Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы

данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

выходной ток IH = IST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U

st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:


Схема включения стабилитронаСхема включения стабилитрона

3. Определяем коэффициент стабилизации:


Схема включения стабилитронаСхема включения стабилитрона

4. Определяем коэффициент полезного действия


Схема включения стабилитронаСхема включения стабилитрона

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор


Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистораСхема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора
Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно


Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора
Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h

21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен


Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистораСхема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя


Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора
Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.


Схема стабилизатора с последовательным включением транзистораСхема стабилизатора с последовательным включением транзистора
Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:


Схема стабилизатора с последовательным включением транзистораСхема стабилизатора с последовательным включением транзистора

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы


Схема стабилизатора с последовательным включением транзистораСхема стабилизатора с последовательным включением транзистора

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно kST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.


Схема стабилизатора напряжения с составным транзисторомСхема стабилизатора напряжения с составным транзистором
Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

www.electronicsblog.ru

1.10.1. Схемы включения стабилитронов

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

Рис. 18

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно UН = Uст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = Uст + Rст (Iст – IН).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а RН – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать RСТ. Обычно RСТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что Emin  E  Emax, то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем UCT, а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Рис. 19

Все изменения напряжения поглощаются RCT, поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а RН изменяется в пределах от RНmin до RНmax, в этом случае: ,;.

Так как RCT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−UCT также постоянно, то и ток через RCT ICP+IНCP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации ICP и IН изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, RCT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, RCTнеобходимо уменьшать (уменьшать RCT– не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение Rдоб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки RCTдолжно быть постоянным.

UН=UCT─IНRдоб

Рис. 20

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

UCT=UCT1+UCT2

Рис. 21

Для компенсации температурного дрейфа UCT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления RT, имеющее ТКRТ обратный по закону ТКUCT.

Рис. 22

Для стабилитронов с ТКUCT>0 в качестве RT можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое rб и малое значение Rдиф. Слабая зависимость UПР от IПР на

Рис. 23

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

studfile.net

1.10.1. Схемы включения стабилитронов

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

Рис. 18

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно UН = Uст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = Uст + Rст (Iст – IН).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а RН – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать RСТ. Обычно RСТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что Emin  E  Emax, то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем UCT, а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Рис. 19

Все изменения напряжения поглощаются RCT, поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а RН изменяется в пределах от RНmin до RНmax, в этом случае: ,;.

Так как RCT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−UCT также постоянно, то и ток через RCT ICP+IНCP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации ICP и IН изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, RCT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, RCTнеобходимо уменьшать (уменьшать RCT– не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение Rдоб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки RCTдолжно быть постоянным.

UН=UCT─IНRдоб

Рис. 20

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

UCT=UCT1+UCT2

Рис. 21

Для компенсации температурного дрейфа UCT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления RT, имеющее ТКRТ обратный по закону ТКUCT.

Рис. 22

Для стабилитронов с ТКUCT>0 в качестве RT можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

1.10.2. Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое rб и малое значение Rдиф. Слабая зависимость UПР от IПР на

Рис. 23

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

studfile.net

Как работает стабилитрон. » Хабстаб

Стабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.
Как работает стабилитрон.
Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.
Как работает стабилитрон.
Для лучшего понимания его работы, можно представить его как два диода, включённых встречно-параллельно, но с разным падением напряжения.
Как работает стабилитрон.
Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.

Как работает стабилитрон.
Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.

Как работает стабилитрон.
Давайте соберём её, подключив осциллограф вместо нагрузки и подадим на вход треугольный сигнал амплитудой 10 вольт. Напряжение генератора — первый канал, напряжение на стабилитроне — второй канал.
Как работает стабилитрон.
На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.

Как работает стабилитрон.
При обратном включении стабилитрона, когда на аноде минус, на катоде плюс.
Как работает стабилитрон.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

Как работает стабилитрон.
  • Vzнапряжение стабилизации, обычно указывается минимальное и максимальное значение
  • Iz и Zzминимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
  • Izk и Zzk — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
  • Ir и Vr — обратный ток и напряжение при заданной температуре
  • Tc — температурный коэффициент
  • Izrm — максимальный ток стабилизации

Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку?
Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки.
Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

Как работает стабилитрон.
  • Uin — входное напряжение
  • Uz — напряжение стабилизации
  • Iz — минимальный ток стабилизации
  • I — ток нагрузки

hubstub.ru

Стабилитрон | Volt-info

Стабилитрон, это диод, имеющий пороговое значение напряжения обратного смещения, при котором происходит обратимый пробой p-n перехода. Что это значит?

Работа стабилитрона

При прямом включении стабилитрон работает как обычный диод, т.е. открывается, проводя электрический ток. При обратном включении до определённого значения напряжения стабилитрон заперт, как обычный диод, а при достижении и превышении этого порогового значения в некоторых пределах происходит обратимый пробой p-n перехода, через стабилитрон начинает протекать ток, сильно зависящий от величины превышения напряжения пробоя. Если последовательно стабилитрону подключить резистор, то на нём при протекании тока будет падать часть приложенного напряжения, а напряжение на стабилитроне будет находиться практически на одном уровне. В таком режиме работы стабилитрон как бы пытается удержать напряжение на своём переходе в определённом узком диапазоне, стабилизировать его, от чего и получил своё название. Последовательный резистор принимает на себя часть избыточного напряжения, снижая ток стабилитрона и позволяя использовать его при более широких колебаниях напряжения. Называется он балластным сопротивлением.

Вольтамперная характеристика стабилитрона

Вольтамперную характеристику стабилитрона можно условно разбить на два участка – характеристика прямого и обратного включения. Характеристика прямого включения стабилитрона идентична характеристике прямого включения выпрямительного диода. Рассмотрим характеристику обратного включения (рисунок), которая для стабилитрона является рабочей.

При обратном напряжении на стабилитроне не достигшим значения напряжения стабилизации Uст.мин., он ведёт себя как обычный выпрямительный диод, через него протекает незначительный ток, обусловленный токами утечки через p-n переход.

Как только обратное напряжение достигает значения минимального напряжения стабилизации Uст.мин., происходит лавинный пробой p-n перехода, и стабилитрон начинает проводить ток в обратном направлении.

В некоторых пределах, от минимального тока стабилизации Iст.мин. до предельно допустимого значения обратного тока IПДО, на p-n переходе выделяется некоторое количества тепла, отводимое через корпус стабилитрона. Отвод тепла не позволяет p-n переходу перегреться, что предотвращает его термическое разрушение. Как только величина напряжения на стабилитроне снижается до значений меньше минимального напряжения стабилизации, лавинная проводимость прекращается, p-n переход восстанавливается и прекращает проводить электрический ток, за исключением тока утечки. На этом участке характеристики напряжение стабилизации может варьироваться от некоторого минимального до максимального значений: Uст.минUст.макс..

Если обратный ток стабилитрона превысит значение предельно допустимого, отвод выделяемого тепла на p-n переходе может оказаться не достаточным, при этом переход «спекается», лавинный пробой становится необратимым, стабилитрон выходит из строя. При проверке такого стабилитрона мульметром может наблюдаться как обрыв цепи стабилитрона, так и короткое замыкание.

Основные параметры стабилитрона

Для расчета параметров схем с применением стабилитронов требуется знать три основных его параметра: Напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и предельно-допустимый обратный ток. В некоторых случаях может потребоваться величина предельно допустимого прямого тока стабилитрона, если он используется в цепи переменного напряжения и должен проводить ток в оба полупериода.

Напряжение стабилизации

Напряжение стабилизации, это усреднённое значение между минимальным и максимальным напряжениями стабилизации. В справочниках приводится как основной параметр. Дополнительно может указываться погрешность этого напряжения, а также минимальное и максимальное значение напряжения стабилизации.

Минимальный ток стабилизации

Минимальным током стабилизации является значение тока, при котором начинается обратимый лавинный пробой p-n перехода. Это значение тока соответствует минимальному напряжению стабилизации.

Максимально допустимый ток стабилизации

Это максимальное значение обратного тока, при котором p-n переход может быть подвержен длительное время обратимому пробою, без термического разрушения и изменения параметров стабилизации.

Максимально допустимый прямой ток

Максимальное значение прямого тока стабилитрона, которое длительное время может выдержать его p-n переход без термического разрушения и ухудшения параметров проводимости.

Применение стабилитронов

Стабилитроны используются в различных схемах. Наиболее часто они используются в схемах стабилизации напряжения, в схемах сравнения в качестве источника эталонного напряжения.

Обозначение

volt-info.ru

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 стабилитронаСхема 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 стабилитронаГрафик 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 стабилитрономПростая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

www.kipiavp.ru

Блок питания на стабилитроне и транзисторе своими руками

Рассмотренный далее стабилизированный блок питания является одним из первых устройств, которые собираются начинающими радиолюбителями. Это очень простой, но весьма полезный прибор. Для его сборки не нужны дорогостоящие компоненты, которые достаточно легко подобрать новичку в зависимости от требуемых характеристик блока питания.
Материал будет также полезен тем, кто желает более детально разобраться в назначении и расчете простейших радиодеталей. В том числе, вы подробно узнаете о таких компонентах блока питания, как:
  • силовой трансформатор;
  • диодный мост;
  • сглаживающий конденсатор;
  • стабилитрон;
  • резистор для стабилитрона;
  • транзистор;
  • нагрузочный резистор;
  • светодиод и резистор для него.

Также в статье детально рассказано, как подобрать радиодетали для своего блока питания и что делать, если нет нужного номинала. Наглядно будет показана разработка печатной платы и раскрыты нюансы этой операции. Несколько слов сказано конкретно о проверке радиодеталей перед пайкой, а также о сборке устройства и его тестировании.

Типовая схема стабилизированного блока питания


Всевозможных схем блоков питания со стабилизацией напряжения существует сегодня очень много. Но одна из самых простых конфигураций, с которой и стоит начинать новичку, построена всего на двух ключевых компонентах – стабилитроне и мощном транзисторе. Естественно, в схеме присутствуют и другие детали, но они вспомогательные.
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Схемы в радиоэлектронике принято разбирать в том направлении, в котором по ним протекает ток. В блоке питания со стабилизацией напряжения все начинается с трансформатора (TR1). Он выполняет сразу несколько функций. Во-первых, трансформатор понижает сетевое напряжение. Во-вторых, обеспечивает работу схемы. В-третьих, питает то устройство, которое подключено к блоку.
Диодный мост (BR1) – предназначен для выпрямления пониженного сетевого напряжения. Если говорить другими словами, то в него заходит переменное напряжение, а на выходе получается уже постоянное. Без диодного моста не будет работать ни сам блок питания, ни устройства, которые будут к нему подключаться.
Сглаживающий электролитический конденсатор (C1) нужен для того, чтобы убирать пульсации, присутствующие в бытовой сети. На практике они создают помехи, которые отрицательно сказываются на работе электроприборов. Если для примера взять усилитель звука, запитанный от блока питания без сглаживающего конденсатора, то эти самые пульсации будут отчетливо слышны в колонках в виде постороннего шума. В других приборах помехи могут привести к некорректной работе, сбоям и прочим проблемам.
Стабилитрон (D1) – это компонент блока питания, который стабилизирует уровень напряжения. Дело в том, что трансформатор будет выдавать желаемые 12 В (например) только тогда, когда в сетевой розетке будет ровно 230 В. Однако на практике таких условий не бывает. Напряжение может как просаживаться, так и повышаться. То же самое трансформатор будет давать и на выходе. Благодаря своим свойствам стабилитрон выравнивает пониженное напряжение независимо от скачков в сети. Для корректной работы этого компонента нужен токоограничивающий резистор (R1). О нем более детально сказано ниже.
Транзистор (Q1) – нужен для усиления тока. Дело в том, что стабилитрон не способен пропускать через себя весь потребляемый прибором ток. Более того, корректно он будет работать только в определенном диапазоне, например, от 5 до 20 мА. Для питания каких-либо приборов этого откровенно мало. С данной проблемой и справляется мощный транзистор, открывание и закрывание которого управляется стабилитроном.
Сглаживающий конденсатор (C2) – предназначен для того же, что и вышеописанный C1. В типовых схемах стабилизированных блоков питания присутствует также нагрузочный резистор (R2). Он нужен для того, чтобы схема сохраняла работоспособность тогда, когда к выходным клеммам ничего не подключено.
В подобных схемах могут присутствовать и другие компоненты. Это и предохранитель, который ставится перед трансформатором, и светодиод, сигнализирующий о включении блока, и дополнительные сглаживающие конденсаторы, и еще один усиливающий транзистор, и выключатель. Все они усложняют схему, однако, повышают функциональность устройства.

Расчет и подбор радиокомпонентов для простейшего блока питания


Трансформатор подбирается по двум основным критериям – напряжению вторичной обмотки и по мощности. Есть и другие параметры, но в рамках материала они не особо важны. Если вам нужен блок питания, скажем, на 12 В, то трансформатор нужно подбирать такой, чтобы с его вторичной обмотки можно было снять чуть больше. С мощностью все то же самое – берем с небольшим запасом.
Основной параметр диодного моста – это максимальный ток, который он способен пропускать. На эту характеристику и стоит ориентироваться в первую очередь. Рассмотрим примеры. Блок будет использоваться для питания прибора, потребляющего ток 1 А. Это значит, что диодный мост нужно брать примерно на 1,5 А. Допустим, вы планируете питать какой-либо 12-вольтовый прибор мощностью 30 Вт. Это значит, что потребляемый ток будет около 2,5 А. Соответственно, диодный мост должен быть, как минимум, на 3 А. Другими его характеристиками (максимальное напряжение и прочее) в рамках такой простой схемы можно пренебрегать.
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Дополнительно стоит сказать, что диодный мост можно не брать уже готовый, а собрать его из четырех диодов. В таком случае каждый из них должен быть рассчитан на ток, проходящий по схеме.
Для расчета емкости сглаживающего конденсатора применяются достаточно сложные формулы, которые в данном случае ни к чему. Обычно берется емкость 1000-2200 мкФ, и этого для простого блока питания будет вполне достаточно. Можно взять конденсатор и побольше, но это существенно удорожит изделие. Другой важный параметр – максимальное напряжение. По нему конденсатор подбирается в зависимости от того, какое напряжение будет присутствовать в схеме.
Здесь стоит учитывать, что на отрезке между диодным мостом и стабилитроном после включения сглаживающего конденсатора напряжение будет примерно на 30% выше, чем на выводах трансформатора. То есть, если вы делаете блок питания на 12 В, а трансформатор выдает с запасом 15 В, то на данном участке из-за работы сглаживающего конденсатора будет примерно 19,5 В. Соответственно, он должен быть рассчитан на это напряжение (ближайший стандартный номинал 25 В).
Второй сглаживающий конденсатор в схеме (C2) обычно берется небольшой емкости – от 100 до 470 мкФ. Напряжение на этом участке схемы будет уже стабилизированным, например, до уровня 12 В. Соответственно, конденсатор должен быть рассчитан на это (ближайший стандартный номинал 16 В).
А что делать, если конденсаторов нужных номиналов нет в наличии, и в магазин идти неохота (или банально нет желания их покупать)? В таком случае вполне возможно воспользоваться параллельным подключением нескольких конденсаторов меньшей емкости. При этом стоит учесть, что максимальное рабочее напряжение при таком подсоединении суммироваться не будет!
Стабилитрон подбирается в зависимости от того, какое напряжение нам нужно получить на выходе блока питания. Если подходящего номинала нет, то можно соединить несколько штук последовательно. Стабилизируемое напряжение, при этом, будет суммироваться. Для примера возьмем ситуацию, когда нам надо получить 12 В, а в наличии есть только два стабилитрона на 6 В. Соединив их последовательно мы и получим желаемое напряжение. Стоит отметить, что для получения усредненного номинала параллельное подключение двух стабилитронов не сработает.
Максимально точно подобрать токоограничивающий резистор для стабилитрона можно только экспериментально. Для этого в уже рабочую схему (например, на макетной плате) включается резистор номиналом примерно 1 кОм, а между ним и стабилитроном в разрыв цепи ставится амперметр и переменный резистор. После включения схемы нужно вращать ручку переменного резистора до тех пор, пока через участок цепи не потечет требуемый номинальный ток стабилизации (указывается в характеристиках стабилитрона).
Усиливающий транзистор подбирается по двум основным критериям. Во-первых, для рассматриваемой схемы он обязательно должен быть n-p-n структуры. Во-вторых, в характеристиках имеющегося транзистора нужно посмотреть на максимальный ток коллектора. Он должен быть немного больше, чем максимальный ток, на который будет рассчитан собираемый блок питания.
Нагрузочный резистор в типовых схемах берется номиналом от 1 кОм до 10 кОм. Меньшее сопротивление брать не стоит, так как в случае, когда блок питания не будет нагружен, через этот резистор потечет слишком большой ток, и он сгорит.

Разработка и изготовление печатной платы


Теперь вкратце рассмотрим наглядный пример разработки и сборки стабилизированного блока питания своими руками. В первую очередь, необходимо найти все присутствующие в схеме компоненты. Если нет конденсаторов, резисторов или стабилитронов нужных номиналов – выходим из ситуации вышеописанными путями.
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Далее нужно будет спроектировать и изготовить печатную плату для нашего прибора. Начинающим лучше всего использовать для этого простое и, самое главное, бесплатное программное обеспечение, например, Sprint Layout.
Размещаем на виртуальной плате все компоненты согласно выбранной схемы. Оптимизируем их расположение, корректируем в зависимости от того, какие конкретно детали есть в наличии. На этом этапе рекомендуется перепроверять реальные размеры компонентов и сравнивать их с добавляемыми в разрабатываемую схему. Особое внимание обратите на полярность электролитических конденсаторов, расположение выводов транзистора, стабилитрона и диодного моста.
Если вы заходите добавить в блок питания сигнальный светодиод, то его можно будет включить в схему как до стабилитрона, так и после (предпочтительнее). Чтобы подобрать для него токоограничивающий резистор, необходимо выполнить следующий расчет. Из напряжения участка цепи вычитаем падение напряжения на светодиоде и делим результат на номинальный ток его питания. Пример. На участке, к которому мы планируем подключать сигнальный светодиод, имеется стабилизированные 12 В. Падение напряжения у стандартных светодиодов около 3 В, а номинальный ток питания 20 мА (0,02 А). Получаем, что сопротивление токоограничивающего резистора R=450 Ом.

Проверка компонентов и сборка блока питания


После разработки платы в программе переносим ее на стеклотекстолит, травим, лудим дорожки и удаляем излишки флюса.
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
После этого выполняем установку радиокомпонентов. Здесь стоит сказать, что не лишним будет сразу же перепроверить их работоспособность, особенно, если они не новые. Как и что проверять?
Обмотки трансформатора проверяются омметром. Где сопротивление больше – там первичная обмотка. Далее его нужно включить в сеть и убедиться, что он выдает требуемое пониженное напряжение. При его измерении соблюдайте предельную осторожность. Также учтите, что напряжение на выходе переменное, потому на вольтметре включается соответствующий режим.
Резисторы проверяются омметром. Стабилитрон должен «звониться» только в одном направлении. Диодный мост проверяем по схеме. Встроенные в него диоды должны проводить ток только в одном направлении. Для проверки конденсаторов потребуется специальный прибор для измерения электрической емкости. В транзисторе n-p-n структуры ток должен протекать от базы к эмиттеру и к коллектору. В остальных направлениях он протекать не должен.
Начинать сборку лучше всего с мелких деталей – резисторов, стабилитрона, светодиода. Затем впаиваются конденсаторы, диодный мост.
Особое внимание обращайте на процесс установки мощного транзистора. Если перепутать его выводы – схема не заработает. Кроме того, этот компонент будет достаточно сильно греется под нагрузкой, потому его необходимо устанавливать на радиатор.
Последним устанавливается самая большая деталь – трансформатор. Далее к выводам его первичной обмотки припаивается сетевая вилка с проводом. На выходе блока питания тоже предусматриваются провода.
Блок питания на стабилитроне и транзисторе
Осталось только хорошенько перепроверить правильность установки всех компонентов, смыть остатки флюса и включить блок питания в сеть. Если все сделано правильно, то светодиод будет светиться, а на выходе мультиметр покажет желаемое напряжение.

sdelaysam-svoimirukami.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о