Диод Зенера — схема стабилизатора напряжения


Диод Зенера-01

Представляем диод Зенера установленного в схеме стабилизатора напряжения, который может использоваться в различных электронных устройствах, а также расскажем о некоторых методах исправления ошибок в электросистемах. Дело в том, что батареи, трансформаторы, блоки питания и преобразователи постоянно подвержены потерям энергии.

То есть на нагрузке, в результате падения напряжения, выходное значение будет более низким. Еще одна немаловажная характеристика производительности — температура. Поэтому, чтобы попытаться избавится от таких проблем, можно попытаться создать систему усиления ошибок, благодаря которой появится возможность стабилизировать выходное напряжение с любым типом нагрузки.

Диод Зенера в схемах стабилизаторов напряжения

Использование силового транзистора с функциями усилителя тока позволяет создавать и строить схемы стабилизаторов, в которые включен диод Зенера, при этом конструкции обеспечивают высокий рабочий ток, и вместе с тем сохраняя постоянное выходное напряжение и очень низкий ток на стабилитроне. Одна из таких схем, в которой установлен диод Зенера, показана на рисунке 1, она является одной из версий стабилизации и может также использоваться для очень больших мощностей.

К сожалению, КПД не самый лучший, поскольку большая часть тепла рассеивается транзистором, выполняя свою функцию по снижению напряжения. Конструкция характеризуется следующими параметрами и компонентами:

  • входное напряжение 12 В, поступающее от автомобильного аккумулятора с внутренним сопротивлением около 0,07 Ом, чтобы приблизить его поведение к реальному компоненту;
    требуемое выходное напряжение 7,5 В для питания силовой лампы, стереосистемы или другой нагрузки при этом напряжении;
  • в качестве силового транзистора используется классический 2N3055, который должен быть установлен на соответствующим алюминиевым радиаторе, если потребляемый ток превышает определенные уровни;
  • используемый стабилитрон рассчитан 8,2 В. На выходе получается немного меньшее напряжение, так как переход BE транзистора вызывает уменьшение примерно на 0,7 В;
    нагрузка схемы имеет импеданс 100 Ом, но ее можно без проблем повышать или понижать;
  • электролитические конденсаторы имеют функцию дальнейшего улучшения стабилизации, делая выходной сигнал чище.

Диод Зенера-1
Рисунок 1: типичная схема стабилизатора напряжения

Выходное напряжение схемы больше не соответствует номинальному напряжению диоду Зенера, однако необходимо учитывать падение напряжения между базой и эмиттером (обычно равное примерно 0,7 В), которое снижает его на определенное значение. Следовательно, выходное Vout схемы равно:

формула-1

Очевидно, что ток, протекающий через базу транзистора, зависит от тока, протекающего через нагрузку, деленного на «бета» самого компонента. Этот ток очень мал. Стабилизация схемы очень хорошая, а выходное напряжение достаточно стабильное. Фактически, изменения тока на диоде Зенера (IZ) уменьшаются в «бета» раз. Если выходное напряжение должно соответствовать напряжению стабилитрона, вы можете подключить кремниевый диод последовательно с стабилитроном, чтобы подавить Vbe.

Таким образом, падение напряжения на кремниевом диоде компенсирует падение напряжения на транзисторе. Как упоминалось ранее, эффективность не является сильной стороной схемы. Производительность увеличивается, когда входное напряжение приближается к выходному напряжению. Сильная разница приводит к значительной мощности, рассеиваемой неиспользованным теплом. Давайте рассмотрим статические значения схемы, чтобы вычислить эффективность ее работы:

  • V (вход): 11,993 В (есть небольшое падение напряжения из-за внутреннего сопротивления батареи);
  • V (выход): 7,8 В;
  • I (аккумулятор): 90,98 мА;
  • I (нагрузка): 78,05 мА;
  • I (стабилитрон): 12,93 мА;
  • P (аккумулятор): 1,09 Вт;
  • P (нагрузка): 609,20 мВт.
Читайте также:  Схемы включения транзисторов в ключевых и усилительных каскадах

Из этого следует, КПД очень низкий, около 55,89%. При понижении напряжения транзистор рассеивает мощность, равную 322,6 мВт, и это значение слишком велико. Пожалуйста, помните, что для этого типа приложений рекомендуется использовать новые методы коммутационного преобразования.

Улучшенная стабилизация и усилитель ошибок

Схемы стабилизаторов напряжения, в частности упомянутый диод Зенера имеет следующее преимущество: он очень прост и состоит из малого количества компонентов, но имеет определенный запас нестабильности и невозможность изменить выходное напряжение, поскольку оно блокируется напряжением диода Зенера. Чтобы решить эту проблему, вы можете использовать схему, в которой есть дополнительный транзистор и несколько потенциометров.

Новый транзистор Q3 работает как усилитель ошибки постоянного тока, воздействуя на проводимость транзистора Q2. Таким образом, регулирование выходного напряжения может быть дополнительно улучшено, чтобы ненормальное изменение выходной нагрузки, входного напряжения или температуры не влияло на выходное напряжение.

Чтобы получить лучшую стабилизацию, можно реализовать схему отрицательной обратной связи, с функцией автоматического регулирования любых изменений рабочих значений. На схеме ( рисунок 2) показано теоретическое, но полностью работающее устройство регулятора выходного напряжения с усилением погрешности. Схема характеризуется следующими параметрами и компонентами:

  • V (вход): 11,993 В (есть небольшое падение напряжения из-за внутреннего сопротивления батареи);
  • V (выход): 8 В;
  • I (аккумулятор): 87,83 мА;
  • I (нагрузка): 80,08 мА;
  • I (стабилитрон): 7,09 мА. Значение стабилитрона на этот раз составляет 4,7 В.
  • P (аккумулятор): 1,05 Вт;
  • P (нагрузка): 641,31 мВт.

Диод Зенера-2
Рисунок 2: схема регулятора через усиление ошибки

Транзистор Q2 работает, как будто это переменный резистор, управляемый током Q3, который сравнивает опорное напряжение стабилитрона с напряжением делителя R5-R6. Эта разница усиливается, и выходное напряжение становится нормальным, благодаря отрицательной обратной связи схемы.

Таким образом, часть выходного напряжения сравнивается с опорным напряжением VZ. Разница между двумя напряжениями действует на транзистор Q2, который функционирует как элемент управления для стабилизации Vout. Выходное напряжение зависит от соотношения значений сопротивлений делителя R5-R6, стабилитрона и мощности VBE Q3 согласно следующей формуле.

формула-2

Это решение также способствует небольшому увеличению КПД схемы, который в рассматриваемом случае достигает 61,07%. Чтобы определить значение сопротивления R4 (того, которое питает стабилитрон), можно использовать следующее уравнение:

формула-3

Значение делителя R5-R6 крайне критично. Резисторы должны быть точно подобраны и отрегулированы с помощью подключенных потенциометров или подстроечных резисторов. Чтобы делитель подавал правильный ток на транзистор Q3, через него должен протекать ток, достаточно большой, чтобы обеспечить хорошую термическую стабильность, но не слишком большой, чтобы перегрузить выход схемы. Следующие уравнения помогут рассчитать сопротивление двух делителей.

Читайте также:  Усилители TDA 2050 с выходной мощностью 32Вт

формула-4
формула-5

Давайте измерим скачки напряжения как функцию температуры

Второй контур значительно улучшает характеристики схемы стабилизаторов напряжения и делает его почти невосприимчивым к колебаниям температуры. Теперь давайте проверим тепловые эффекты в обеих цепях, исследуя изменения напряжения на выходе. На рисунке 3 показана статическая работа двух схем в условиях, показанных выше.

Моделирование проводится в диапазоне температур от 0°C до +50°C. Как видно из двух графиков, выходное напряжение двух стабилизаторов может изменяться в зависимости от тепловых условий. В частности, измерения на графике показывают следующие детали:

  • красный график представляет собой выход первой цепи с нагрузкой 100 Ом при переменной рабочей температуре от 0°C до 50°C. Мы можем здесь наблюдать постепенное и линейное увеличение выходного напряжения до 0°C 7,61 В и 50°C при 7,96 В для максимального общего отклонения 0,35 В. Таким образом, первая цепь в значительной степени зависит от температуры;
  • синий график представляет собой выходной сигнал второй цепи с нагрузкой 100 Ом при переменной рабочей температуре от 0°C до 50°C. Постепенное и линейное уменьшение выходного напряжения можно увидеть при 0°C, равном 8,08 В, и при 50°C 7,94 В для максимального общего отклонения 0,14 В. Из этого следует, вторая цепь совершенно невосприимчива к температуре и гораздо меньше подвержена тепловым колебаниям.

Диод Зенера-3
Рисунок 3: график зависимости выходного напряжения от рабочих температур

Возможная реализация

Разработчик может создать настоящую печатную плату для создания практической схемы стабилизаторов напряжения, как показано на рисунке 4. Интересно будет измерить и сравнить значения напряжения, тока и мощности в различных точках схемы.

Диод Зенера-4
Рисунок 4: Пример печатной платы схемы стабилизатора напряжения с исправлением ошибок

Выводы

Важно помнить, что температура влияет на поведение полупроводников, и что параметры VBE и VZ особенно подвержены тепловым изменениям. Напряжение VBE снижается примерно на 2,5 мВ/°C, при этом для VZ необходимо различать тип стабилитрона. Для моделей, характеризующихся VZ 5V, температурный коэффициент положительный, и повышение температуры определяет увеличение дифференциального сопротивления.

Для моделей с VZ 5V температурный коэффициент отрицательный, и повышение температуры соответствует уменьшению дифференциального сопротивления. В любом случае, если вам нужна система преобразования с КПД более 90%, необходимо подумать о разработке системы коммутации понижающего типа.

Усилитель ошибки — для чего нужно усиливать ошибку?

Не нашли что искали? Смотрите еще: