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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

СТАБИЛИТРОНЫ

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

Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными – от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми – доли секунды.

И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.

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

Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона

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

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

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

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

Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора

1) Снятие вольтамперной характеристики

Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона

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

Соберём схему по рисунку 3.

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

2) Построение вольтамперной характеристики

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

Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики

Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора

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

Порядок выполнения работы

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

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

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

Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор. 

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

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

   Форум

Стабилитроны — Диоды — Основы электроники

Диоды

Когда диод с PN-переходом смещен в обратном направлении, основные носители (дырки в P-материале и электроны в N-материале) удаляются от соединения. Барьер или область истощения становится шире, и протекание тока большинства носителей становится очень трудным через высокие сопротивление широкой области истощения. Наличие миноритарных перевозчиков вызывает небольшой ток утечки, который остается почти постоянным для всех обратное напряжение до определенного значения. Как только это значение будет превышено, происходит резкое увеличение обратного тока.

Напряжение, при котором внезапное увеличение тока называется напряжение пробоя . При пробое обратный ток нарастает очень быстро с небольшим увеличение обратного напряжения. Любой диод можно сместить в обратном направлении до точки пробоя, но не каждый диод может безопасно рассеять мощность, связанную с с поломкой. Стабилитрон представляет собой PN-переход, предназначенный для работы в область пробоя обратного смещения.

Существуют две различные теории, используемые для объяснения поведения PN-переходов. во время пробоя: один эффект Зенера и другой лавинный эффект . Оба эффекта присутствуют в диодах Зенера. Эффект Зенера преобладает при более низких напряжениях; тогда как при более высоких напряжениях пробой вызывается в основном лавинный эффект.

Эффект Зенера был впервые предложен доктором Карлом Зенером в 1934 году. Согласно теории доктора Зинера, электрический пробой в твердых диэлектриках происходит в результате процесса, называемого квантово-механическим туннелированием.

Истинный эффект Зенера в полупроводниках можно описать в терминах энергетические полосы; однако интерес представляют только две верхние энергетические полосы. Две верхние полосы, показанные на рисунке ниже, вид А, называются зона проводимости и валентная зона.

Энергетическая диаграмма стабилитрона.

Зона проводимости представляет собой зону, в которой уровень энергии электронов достаточно высока, чтобы электроны могли легко двигаться под влияние внешнего поля. Поскольку текущий поток – это движение электронов легко подвижными электронами в зоне проводимости являются способен поддерживать ток, когда внешнее поле в форме приложено напряжение. Поэтому твердые материалы, имеющие много электроны в зоне проводимости называются проводниками.

Валентная полоса — это полоса, в которой уровень энергии такой же, как у энергия валентных электронов атомов. Поскольку электроны в этих уровни связаны с атомами, электроны не могут свободно перемещаться, поскольку – электроны зоны проводимости. Однако при надлежащем количестве добавленной энергии электроны в валентной зоне могут быть подняты в зону проводимости уровень энергии. Для этого электроны должны пересечь существующую щель. между энергетическим уровнем валентной зоны и энергетическим уровнем зоны проводимости. Этот разрыв известен как запрещенная зона энергии или запрещенная зона . Разница энергий в этом зазоре определяет, будет ли твердый материал действовать как проводник, полупроводник или изолятор.

Проводник – это материал, в котором запрещенная зона настолько узка, что его можно считать несуществующим. Полупроводник – твердое тело, содержащее запрещенный промежуток, как показано на рисунке выше, вид А. Обычно полупроводник не имеет электронов на энергетическом уровне зоны проводимости. Однако энергии, обеспечиваемой теплом комнатной температуры, достаточно для преодолеть силу связи нескольких валентных электронов и поднять их на энергетический уровень зоны проводимости. Добавление примесей к полупроводниковому материалу увеличивается как количество свободных электронов в зона проводимости и число электронов в валентной зоне, можно перевести в зону проводимости. Изоляторы – это материалы, запрещенная щель настолько велика, что практически никакие электроны не могут получить достаточно энергии, чтобы преодолеть разрыв. Поэтому, если только крайне доступно большое количество тепловой энергии, эти материалы будут не проводить электричество.

Вид B на рисунке выше представляет собой энергетическую диаграмму стабилитрона с обратным смещением. диод. Энергетические зоны материалов P и N естественно на разных уровнях, но обратное смещение приводит к тому, что валентная зона материал P для перекрытия энергетического уровня зоны проводимости в материал Н. При этом условии валентные электроны материала P могут пересечь чрезвычайно тонкую область соединения в точке перекрытия, не получая любой дополнительной энергии. Это действие называется туннелированием. Когда сбой достигнута точка PN-перехода, большое количество неосновных носителей «туннель» через переход для формирования тока, возникающего при пробое. Явление туннелирования имеет место только в сильно легированных диодах, таких как как стабилитроны.

Вторая теория эффекта обратного пробоя в диодах известна как лавина поломка. Механизм лавинного срыва отличается от механизма Эффект Зинера. В обедненной области PN-перехода тепловая энергия отвечает за образование электронно-дырочных пар. Ток утечки вызвано движением неосновных электронов, которое ускоряется в электрическое поле в области барьера. Так как обратное напряжение через область обеднения увеличивается, обратное напряжение в конечном итоге достигает критического значения. Как только критическое напряжение или напряжение пробоя достигнута, достаточная энергия приобретается термически выделяемой неосновные электроны, чтобы позволить электронам разрывать ковалентные связи при столкновении с атомами решетки. Освободившиеся электроны также ускоряется электрическим полем, что приводит к высвобождению дополнительных электронов и т. д. в цепном или лавинном эффекте.

При обратном напряжении немного выше пробивного лавинный эффект высвобождает почти неограниченное количество носителей, так что диод по существу становится короткое замыкание. Течение в этом районе ограничено. только внешним последовательным токоограничивающим резистором.

Эксплуатация диода в области пробоя не повреждает его, пока максимальная рассеиваемая мощность диода не превышена. Удаление обратное напряжение позволяет всем носителям вернуться к своему нормальному состоянию. значения энергии и скорости.

Некоторые символы, используемые для обозначения диодов Зенера, показаны на рис. виды от A до E на рисунке ниже. Обратите внимание, что маркировка полярности указать поток электронов с символом стрелки, а не против него как в обычном диоде с PN-переходом. Это связано с пробойными диодами. работают в режиме обратного смещения, что означает ток осуществляется миноритарными текущими перевозчиками.

Схематические обозначения стабилитронов.

Стабилитроны различных типов используются для многих целей, но их наиболее широкое использование в качестве регуляторов напряжения. Как только напряжение пробоя достигается стабилитрон, напряжение на диоде остается практически не зависит от напряжения питания. Поэтому они держат напряжение на нагрузке на постоянном уровне.

На электрической схеме ток через стабилитрон равен:\n \n \n \n \n A. 10 мА B. 3,33 мА переменного тока. 6,67 мА D. 0ma

Последняя обновленная Дата: 24 марта 2023 г.

•

Всего просмотров: 281,1K

•

Просмотры сегодня: 8,58K

Ответ

. : Этот вопрос основан на основном свойстве стабилитрона, поскольку мы знаем, что он может работать непрерывно, не повреждаясь в области обратного смещения, где он может действовать как регулятор напряжения, а при прямом смещении он действует как обычный диод. Итак, нам нужно найти разность потенциалов на \[{R_1}\] и разность потенциалов на \[{R_2}\], через которую мы можем найти ток между \[{R_1}\] и \[{R_2}\], который поможет нам в нахождении необходимого тока.

Полный пошаговый ответ:
Поскольку мы видим, что сопротивление ${R_2}$ и стабилитроны соединены параллельно, поэтому напряжение на них равно, поэтому разность потенциалов на ${R_2} $ также 10 вольт.
Разница потенциалов между \[{R_2}\]=10.
Пусть, Разность потенциалов между \[{R_1}\]будет ${V_1}$.
Теперь применим простой K.V.L в первом контуре нашей схемы,
$15 — {V_1} — 10 = 0$
Теперь упростим это
$ \Rightarrow {V_1} = 15 — 10 = 5$ Вольт
Поскольку мы знаем разность потенциалов резистора \[{R_1}\] и \[{R_2}\]
Найдем ток между \[{R_1}\] и \[{R_2}\]
Итак ,применяя закон Ома (V=IR) имеем,
Ток, проходящий через \[{R_1}\], ${I_1}$ \[ = \dfrac{{{V_1}}}{{{R_1}}} = \ dfrac{5}{{500}} = \dfrac{1}{{100}}A\]
Ток, проходящий через \[{R_2}\], ${I_2}$ = \[\dfrac{{{V_2} }}{{{R_2}}} = \dfrac{{10}}{{1500}} = \dfrac{1}{{150}}A\]
Теперь нам нужно найти ток через стабилитрон, который — разница рассчитанных выше токов,
Ток через стабилитрон = \[\dfrac{1}{{100}} — \dfrac{1}{{150}} = \dfrac{{3 — 2}}{{300}} = \dfrac{1} {{300}}\]= \[3,3 мА\]
Следовательно, ток через диоды Зенера будет \[3,3 мА\].

Примечание. Стабилитроны производятся с широким диапазоном стабилитронов, а некоторые из них также являются переменными.