2.2.2. Принцип стабилизации напряжения
Принцип стабилизации напряжения с помощью стабилитрона удобно пояснить с помощью схемы простейшего параметрического стабилизатора напряжения (рис.3) и обратной ветви ВАХ стабилитрона, представленной на рис.4.
Стабилитроны, в отличие от других диодов, имеют свое графическое изображение в схемах, показанное на рис.3.
При
входном напряжении
стабилитрон
пропускает лишь пренебрежимо малый
обратный ток, поэтому ток в цепи
определяется суммой сопротивлений.
Еслипревыситнаступает режим пробояp
– n
перехода и при малых изменениях
напряжения на стабилитроне и нагрузке
ток через стабилитрон изменяется весьма
значительно. Ток через балластное
сопротивление
равен сумме токов стабилитронаи нагрузки.
Так, если входное напряжение повысилось,
то это приведет к росту тока стабилитрона
и тока через сопротивление.
Наиболее важными параметрами стабилитрона являются следующие:
Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при протекании через него заданного (номинального) тока стабилизации. Напряжение пробоя, т.е. и напряжение стабилизации зависит от толщиныp – n перехода или удельного сопротивления базы (см.(2.1)). Чем выше степень легирования базы, тем меньше ее удельное сопротивление, и тем ниже будет напряжение стабилизации.
Максимально – допустимая мощность рассеяния
(2.5)
где: — максимальный ток стабилитрона,- номинальное напряжение стабилизации. По величинестабилитроны делятся на три группы:
— стабилитроны малой мощности Вт;
— стабилитроны средней мощности Вт;
— стабилитроны большой мощности Вт;
Минимальный имаксимальный токи стабилизации (рис.
4).
4).Эти токи ограничивают область вольт – амперной характеристики стабилитрона, в которой он способен выполнять свои функции при обеспечении заданной надежности работы.
Начало рабочего участка ВАХ в точке А (рис.4), который и соответствует значению тока . При меньших значениях тока дифференциальное сопротивление стабилитронаеще велико и зависит от величины тока достаточно резко. Кроме того, в стабилитронах с лавинным пробоем при меньших токах процесс ударной ионизации крайне неустойчив, поэтому в выходном сигнале возникают значительные шумы. Они исчезают, когда процесс ударной ионизации становится устойчивым, т.е. при токах, больших, чем. У маломощных стабилитроновможет быть 1…3 мА.
Точка B на ВАХ стабилитрона ограничивает рабочий ток по величине сверху и соответствует току ; Этот ток определяется значением максимально допустимой мощности рассеяния(см.(2.5)):
(2.
6)
Превышение тока над приводит к разогревуp – n перехода, к лавинному пробою добавляется тепловой, ток растет еще быстрее и стабилитрон выходит из строя.
Значение для разных типов стабилитронов может лежать в пределах от 10 мА до 2 А.
(2.7)
и определяет тангенс угла наклона обратной ветви ВАХ к оси тока. В рабочей области ВАХ (участок AB) практически линейна, поэтому дифференциальное сопротивление можно находить как:
(2.8)
Значение — изменяется от долей Ома до десятков Ом для различных типов стабилитронов. Если же, то дифференциальное сопротивление резко возрастает, поэтому при таких токах стабилитрон перестает выполнять свои функции.
Значение
определяет качество стабилитрона. Чем
меньше изменения напряжения стабилизациипри заданном изменении тока стабилитрона,
тем выше качество стабилитрона.
Статическое сопротивление илисопротивление стабилитрона постоянному току в рабочей точке определяется:
(2.9)
Добротность стабилитрона определяют как
(2.10)
Из рис.4 видно, что , поэтому. Чем больше это отношение, тем лучше стабилизирующее действие прибора. Как правило,.
Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)
; [%/], (2.11)
где: — отклонение напряжения стабилизацииот номинального при изменении температуры на.
Из
(2.11) следует, что
определяется отношением относительного
изменения напряжения стабилизации ()
к абсолютному изменению температуры
окружающей средыпри постоянном токе стабилизации.
Типичный график зависимости от напряжения стабилизации показан на рис.5. Как видно из графика ТКН изменяется по величине и знаку, что объясняется различными механизмами пробоя, обсужденными в п.2.2.1.
У стабилитронов с пробоем лавинного типа . Для компенсации температурного дрейфа напряжения стабилизации используют последовательное включение с основным стабилитроном одного или нескольких диодов в прямом направлении, прямые ветви ВАХ которых имеют отрицательный ТКН. Таким образом суммарный ТКН может быть сведен практически к нулю. Например, в прецизионных стабилитронах Д 818 и КС 191 используют три последовательно соединенныхp – n перехода, размещенных в одном корпусе. Один из них включен в обратном направлении и работает как стабилизирующий, а два других, компенсирующих, — в прямом. У них ТКН очень мал: %/.
Лабораторная работа № На тему Исследование стабилитронов № Качество выполнения работ
Лабораторная работа № На тему Исследование стабилитронов № Качество выполнения работ
1 2 3
1 2 3 ©emirsaba.org 2023 | Басты бет Lessons Curriculum vitae Documents |
55 Mb.
Практический пример стабилитрона как источника напряжения…
Опубликовано
ТРАНСКРИПТ
Итак, мы рассмотрели стабилитроны, как они работают и некоторые концепции в регулировании напряжения мы рассмотрели это концептуально, рассмотрели математически, мы рассмотрели двухполупериодные и двухполупериодные выпрямители и показали, как они могут создавать определенное напряжение, которое вам нужно, и как мы можем даже сгладить его. Но мы еще не говорили о том, как стабилитрон работает в качестве регулятора напряжения в реальной жизни.
Впервые я услышал о стабилитроне и о том, как его можно включить в обратное смещение, и тогда он будет давать именно то напряжение, которое вы хотите, это как… это почти похоже на волшебство. Это фантастика. Это круто. Но чем больше я узнавал об этом, да, это все еще потрясающе. Но это сложно. Есть много вещей, которые нужно учитывать. Итак, прямо сейчас в этой очень, очень простой настройке у нас есть четыре вещи, о которых нам нужно беспокоиться, чтобы убедиться, что все работает правильно.
И поэтому я собираюсь просмотреть их очень быстро, а затем мы собираемся возиться с вещами и показать, почему это такая сложная задача.
Итак, первое, что у нас есть, это подача напряжения. Таким образом, независимо от того, какое напряжение приходит, это переменная, о которой вам нужно беспокоиться. Во-вторых, сам стабилитрон и то, на что он рассчитан, в данном случае он рассчитан на 5,1 вольта. И затем у нас есть наша нагрузка, которая находится где-то между нагрузкой с нулевым сопротивлением и нагрузкой 1000 Ом. И еще у нас есть резистор, единственная цель которого в жизни — сделать так, чтобы диод Зенера не взорвался, когда нет никакой нагрузки и напряжение становится слишком высоким. В данном случае это резистор на 100 Ом.
Теперь, в идеальных условиях, этот резистор на 100 Ом был бы довольно мощным. Это может быть что-то около пяти ватт или 10 ватт или что-то в этом роде. К сожалению, у меня не так много резисторов, которые не лежат в основном на четверть ватта или даже на восемь ватт.
А я искал и ничего не нашел. Таким образом, мы застряли с резистором на четверть ватта, 100 Ом, который действует как защитный барьер. И это будет означать, что мы не можем слишком сильно повышать входное напряжение, пока тестируем его. Но в том-то и дело. Вот в чем дело. Это одна из проблем, связанных со всем этим, поскольку у вас есть эти четыре переменные, и по мере изменения одной из них все остальное должно двигаться. Вы потеряете эффективность, или у вас возникнут другие проблемы. Итак, давайте углубимся в это. И давайте посмотрим, смогу ли я быть последовательным, когда я прохожу здесь различные испытания.
Итак, главная цель всего этого — добиться, чтобы напряжение на стабилитроне было 5,1 вольта. Это главная цель всего. Теперь оно должно быть 5,1 вольта при любых обстоятельствах. Теперь этого никогда не произойдет. Если ваш вклад ниже определенного порога. Если ваш вход составляет пять вольт, вы не получите волшебным образом 5,1 вольта на стабилитроне. И на самом деле, как вы это измеряете, давайте начнем.
Итак, прямо сейчас, если я упаду ниже примерно 5,7 вольт, вы увидите, что мое напряжение на стабилитроне падает. Так что вам нужно не только 5,1 вольта, вам нужно немного больше 5,1 вольта, чтобы он оставался там, где должен, и это мигает повсюду, потому что я не держу его должным образом. Но затем, как только вы подниметесь выше этих 5,7 вольт, вы увидите, что оно стабилизировалось и все, что выше этого, и я все еще получаю эти 5,1 вольта. Так что это первое, о чем нам нужно беспокоиться.
Второе, о чем вам нужно побеспокоиться, это вот этот резистор (последовательный резистор стабилитрона). Этот резистор, как я уже сказал, в основном для того, чтобы вы не потеряли все прямо здесь (диод Зенера). Так что просто представьте, что у нас есть нагрузка без нагрузки, поэтому бесконечное сопротивление на нагрузке, а затем у меня там есть восемь вольт (от источника питания), и это будет 5,1 вольта. Если бы у меня не было этого резистора, на нем (диоде Зенера) было бы восемь вольт, он просто в основном будет проводить в идеальном мире бесконечный ток, а это не идеальная вещь.
Поэтому мы поставили этот резистор так же, как вы делаете это со светодиодом, чтобы через него не протекал какой-то сумасшедший ток, когда на диоде есть более высокое напряжение, чем вы хотите.
Отлично, но в то же время весь ток, протекающий через него, превращается в отработанное тепло. Это просто полностью потраченная впустую рассеиваемая мощность, и это не идеально. Таким образом, вы хотите, чтобы это было как можно ниже. Но тогда, если вы собираетесь получить 15 вольт, и у вас есть резистор в один Ом, этого будет недостаточно для защиты диода. И если у вас есть огромный резистор, то он сделает так, что если у вас очень большая нагрузка, любой ток, который хочет пройти через вашу нагрузку, должен пройти через это, и он будет сжигать мощность, когда он падает. вот этот высокоомный резистор.
Итак, это интересная задача, в которой вам нужно точно определить, какой будет ваша ожидаемая нагрузка, чтобы сделать так, чтобы она могла работать как без нагрузки, так и в основном с огромной нагрузкой.
Так что где-то, я не знаю, от одного микроампера до ампера или что-то в этом роде. Это действительно где вы должны сделать эти расчеты, чтобы понять это. И опять же, мы не будем здесь заниматься математикой. У нас есть еще одно видео в том и в том, в котором мы проходим математику и говорим об этом, а также, вероятно, действительно рекомендуем вам перейти на Стабилитрон в качестве регулятора напряжения — концептуальный обзор
Но двигаемся дальше, у нас есть это прямо сейчас. Я настроил его так, чтобы это была нагрузка 1000 Ом, и я делаю это, потому что, сижу здесь, я беспокоюсь о том, чтобы сжечь этот 100-омный резистор. Итак, прямо сейчас это 0,6 вольта на 100 Ом, что составляет около шести миллиампер, и если я не могу сделать эту простую математику в уме, вот почему я не люблю делать математику перед камерой, если только это полностью заскриптовано, потому что я просто собираюсь опозориться. Но это при нагрузке 1000 Ом.
Итак, давайте отключим здесь сопротивление.
Таким образом, мы в основном увеличиваем нашу нагрузку. И вы можете видеть это, когда мы идем. И у нас в основном есть больше нагрузки через саму нагрузку, чем только через диод, так как на этом резисторе происходит все большее и большее падение напряжения. И это не только означает, что мы тратим больше энергии на этот резистор, но и то, что здесь не будет такого большого падения напряжения.
Итак, теперь это не будет 5.1, потому что наше входное напряжение недостаточно велико. Так что теперь у нас только 4,6 вольта, потому что он пытается потреблять такой большой ток, что он должен пройти здесь. И это слишком большое падение напряжения на этом резисторе, что теперь вы не получаете достаточного напряжения для того, чтобы стабилитрон мог работать в своей емкости. Итак, теперь вам нужно немного увеличить напряжение, чтобы иметь возможность поддерживать правильную нагрузку на… какой бы ни была нагрузка.
Итак, я надеюсь, что это дает вам приблизительное представление о сложностях и фактических компромиссах, которые у вас есть.
Я думаю, что это идеальный микрокосм того, что такое инженерия. Потому что вы не можете просто сказать: «Ну, давайте просто делать столько, сколько мы хотим, столько, сколько мы хотим, и все такое, потому что, если вы сделаете вещи такими большими, как вы хотите, это будет невероятно неэффективно». Но если вы сделаете вещи слишком маленькими и будете работать исключительно ради эффективности, то он не сможет справиться с широким диапазоном нагрузок. И ты будешь О, теперь, когда я переключил нагрузку, я должен изменить все эти вещи. И это тоже не идеально.
Настолько, насколько это сводит меня с ума, потому что это похоже на странное жонглирование. Это действительно прекрасный пример того, что значит быть инженером и пытаться понять, каковы ваши требования. И посмотрите, как я собираюсь сделать это таким образом, чтобы оно отвечало всем этим требованиям, было недорогим и надежным, и делало все, что нужно?
Вот и все. Таким образом, регулирование напряжения с помощью стабилитрона, как я полагаю, является сложной задачей, но оно того стоит, потому что это основа всех современных источников питания.
Это, в двухполупериодном выпрямителе, импульсных источниках питания, у вас есть много разных подходов к этому. Но это один из ключевых способов регулирования напряжения большинства устройств прямо сейчас, и это интересно. Так что я надеюсь, что это было полезно. Надеюсь, я вас не напугал. Надеюсь, это было больше похоже на «Эй, это вызов, я собираюсь пойти и подойти к этому и посмотреть, что я могу с этим поделать». И если вам это нравится, вы нашли это интересным, пожалуйста, оставьте нам лайк, подпишитесь на наш канал, оставьте любые комментарии или вопросы в комментариях ниже, и мы поймаем вас на следующем.
Автор:
Джош Бишоп
Интересуясь встраиваемыми системами, туризмом, кулинарией и чтением, Джош получил степень бакалавра электротехники в Университете штата Бойсе. Проработав несколько лет офицером CEC (Seabee) в ВМС США, Джош уволился и в конце концов начал работать над CircuitBread с кучей замечательных людей. В настоящее время Джош живет на юге Айдахо с женой и четырьмя детьми.
Часто задаваемые вопросы по EE
Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.
Физика твердого тела. Определение обратного напряжения пробоя стабилитрона графически
$\begingroup$
Я измерял ВАХ обратного смещения стабилитрона BZX (2,7 В) при трех различных температурах: -196,2 °С (температура жидкого азота), 22,0 °С (комнатная температура) и 99,0 °С. Теперь мне нужно определить напряжения пробоя при указанных температурах. Ниже приведен график моих результатов, которые я обработал на питоне с помощью matplotlib. 9{-kx}$, но тогда я не уверен, какой параметр экспоненты будет соответствовать напряжению пробоя. Возможно, тогда я мог бы (численно) взять вторую производную данных, установить ее равной 0, что дало бы мне напряжение, при котором наклон является самым крутым (и, таким образом, соответствует области пробоя?). Есть ли другой метод? м отсутствует, что может быть точнее?
Кроме того, мой следующий шаг — рассчитать температурный коэффициент для стабилитрона.
