Применение специального диода - стабилитрона

1. Цель работы:

Изучить работу стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

2. Литература:

2.1. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Произвести расчет параметров параметрического стабилизатора напряжения.

3.3. Изучить схемы стабилизатора по материалу, представленному в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Расчетные формулы, расчетные схемы включения стабилитрона.

4.4. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. В чем состоит суть применения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

5.2. Какие свойства стабилитрона используются при построении стабилизаторов.

5.3. Какими факторами ограничивается ток через стабилитрон.

5.4. В каких схемах кроме стабилизатора применяется стабилитрон.

5.5. Как обозначается на принципиальных схемах стабилитрон.

5.6. Основные параметры стабилитрона.

6. Приложение:

6.1 Специальные диоды - стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д.

При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока рисунок 8. Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (тепловой пробой). Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

Для стабилитронов рабочим является участок пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рисунок 8). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении обратного тока диода.

Стабилитрон характеризуется:

– напряжение стабилизации U _СТ – напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

– минимальный ток стабилизации I _{СТ min} – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

– максимально допустимый ток стабилизации I _{СТ max} – наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы;

– дифференциальное сопротивление

r_СТ – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации r_СТ = ∆ U _СТ/∆ I _СТ;

– максимально допустимая рассеиваемая мощность Р _mах = U _СТ∙ I _{СТ max}.

К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток I _max, максимально допустимый
импульсный ток I _{пр.и mах}.

 

 

 

6.2 Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах показано на рисунке 9.

Если к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду - отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U _ПР и течет ток I _ПР = I _Д.

Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включен в обратном направлении и закрыт, если U _ОБР < U _СТ. В цепи течет обратный ток насыщения. Если приложенное обратное напряжение больше напряжения стабилизации, то стабилитрон открывается, его сопротивление уменьшается до единиц Ом и в цепи потечет ток I _СТ.

 

6.3 В параметрическом стабилизаторе используется свойство вольт-амперной характеристики стабилитрона, имеющей участок с малоизменяющимся напряжением в довольно широком интервале изменения токов (рисунок 8). При включении такого прибора параллельно нагрузке и наличии ограничивающего ток сопротивления R ₀ изменения входного напряжения вызывают изменения тока стабилитрона, но не тока нагрузки. При изменении тока нагрузки I _Н происходит перераспределение тока между нагрузкой и стабилитроном. В обоих случаях напряжение на стабилитроне остается неизменным.

Стабилизатор как источник питания характеризуется основными параметрами.

1. Коэффициент стабилизации

К _СТ = (Δ Е _П/ Е _П)·(U _СТ/Δ U _СТ) (4)

Для параметрического стабилизатора
К _СТ = (U _СТ/ Е _П)·(R ₀/r_Д). (5)

Здесь U _СТ = U _Н = U _ВЫХ, Е _П – напряжение питания на входе стабилизатора,
Δ Е _П - изменение входного напряжения, Δ U _СТ – изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением напряжения Δ Е _П,
r_Д - дифференциальное сопротивление диода-стабилитрона.

2.Выходное сопротивление

R _ВЫХ = Δ U _СТ/Δ I _Н. (6)

Для параметрического стабилизатора R _ВЫХ = R ₀ // r_Д - параллельное соединение сопротивлений R ₀ и r_Д.

3. Коэффициент температурной нестабильности ТКН

ТКН = (Δ U _ВЫХ/ U _ВЫХ)·(1/Δt) 100% [%/град], (7)
Δt – изменение температуры.

4. Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД = η = Р _Н/ Р _ВХ = (U _Н· I _Н)/(Е _П· I _ВХ). (8)

6.4 Пример расчета

Для стабилизации напряжения на нагрузке (рисунок 10) используется стабилитрон, напряжение стабилизации которого U _СТ = 7.5 В.

Справочные данные стабилитронов приведены в таблице 7.

Таблица 7. Исходные данные для проведения расчета.

Вариант
R 0, кОм	0.1	0.2	0.3	0.2	0.4	0.25	0.3	0.15	0.1	0.2	0.3	0.2
U СТ В	5.6	8.2	9.1	6.2	6.8	6.2	9.1	6.8	7.5	8.2	8.2	7.5
R Н, Ом
∆t^0C
rД Ом	0.02	0.04	0.05	0.03	0.02	0.02	0.04	0.02	0.03	0.04	0.03	0.03
P доп Вт	2.4	4.2	5.4	3.6	3.6	3.6	5.4	3.6	4.2	4.2	4.2	4.2
ТКН	0.03	0.04	0.05	0.04	0.04	0.04	0.05	0.04	0.04	0.05	0.05	0.04
I min мA
Тип стаби-литро-на	BZV49-С5V6	BZV49-C8V2	BZV49-С9V1	BZV49-C6V2	BZV49-C6V8	BZV55-C6V2	BZV55-C9V1	BZV55-C6V8	BZV55-C7V5	BZV49-C8V2	BZV55-C8V2	BZV49-C7V5

 

Температурный коэффициент напряжения ТКН в таблице указан в [ % / ^оС].

Максимальный ток для приведенных стабилитронов I _max составляет 0.6 Ампера.

			I H
				U H = U CT =7.5 В

 

Рис. 10. Расчетная схема параметрического стабилизатора

Определить допустимые пределы изменения питающего напряжения Е _П, если максимальный ток стабилитрона I _{СТ mах} = 0.6 А, минимальный ток стабилитрона
I _{СТ min} = 7 мА, сопротивление нагрузки R _Н = 50 Ом и сопротивление ограничительного резистора R ₀ = 0.2 кОм.

 

Решение.

Напряжение источника питания

Е _П = U _СТ + R ₀(I _Н + I _СТ).

Ток нагрузки I _Н = U _СТ / R _Н = 7.5/50 = 150 мА.

Таким образом, Е _П = U _СТ (1 + R ₀/ R _Н) + R ₀ I _СТ.

Подставляя в эту формулу минимальное и максимальное значение тока через стабилитрон, получим

Е _Пmin = 7.5·(1+4)+200·0,007 = 38.9 В, Е _Пmax = 7.5·(1 + 4) + 200·0,6 = 157.5 В.

Определим коэффициент стабилизации для среднего значения Е _П.

Среднее значение Е _П ≈ 100 В, для данного типа стабилитрона r_д = 0.03 Ом.
К _СТ = (U _СТ/ Е _Пср)·(R ₀/r_д).

К _СТ = (7.5/100)·(200/0.03) ≈ 500.

Оценим влияние температуры на напряжение стабилизации, если температурный коэффициент напряжения стабилитрона (ТКН) составляет
0.04 [%/^оС], а температура изменяется на 50^оС.

[%] = 0.04·50^оС = 2.5%. Напряжение U _СТ = 7.5 В изменяется на 2.5 %, что составляет 0.18 В.

Проверить, не превышает ли мощность рассеяния на диоде допустимую при максимальном токе стабилизации Р _Д = U _СТ· I _{СТ max}.

Вычислить КПД стабилизатора для среднего значения напряжения питания

КПД = η = Р _Н/ Р _ВХ = (U _Н· I _Н)/(Е _Пср· I _ВХ).

Мощность, выделяющаяся в нагрузке Р _Н = (U _Н· I _Н) = 7.5(7.5/50) = 1.12 Вт.

Мощность, отнимаемая от источника (Е _Пср· I _ВХ).

I _ВХ = (Е _Пср – U _СТ)/ R ₀ = (100 – 7.5)/200 = 0.46 A.
P _ВХ = Е _Пср I _ВХ = 100∙0.46 = 46 Вт.

КПД = η = Р _Н/ Р _ВХ = 1.12/46∙100% = 2.43%.

6.4 Моделирование работы стабилизатора

6.4.1 Подготовка к работе

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB).

В закладке диодов выбрать стабилитрон и вывести его на наборное поле. Вывести все остальные элементы схемы, произвести их соединение рисунок 11.

Для выбора конкретного диода выполнить ЛКМ двойной щелчок по изображению диода и в открывшемся окне выбрать в списке библиотек (слева) библиотеку моделей Philips 1, а в этой библиотеке (список справа) заданный диод.

На вкладке Display активизировать значения Show values для отображения на схеме типа диода и его номера.

Нажать кнопку ОК.

Закройте библиотеку моделей стабилитрона.

Установить величину сопротивления R ₀ и R _H согласно варианту таблицы 7.

(Не забудьте активизировать вкладку Display).

Установить внутреннее сопротивление амперметров М1 и М3 равным 1 mOm. Эти амперметры измеряют ток стабилитрона и ток нагрузки. Вольтметр М2 измеряет напряжение стабилизации и напряжение на нагрузке.

Установить напряжение источника питания равным среднему значению, полученному в результате расчета.

Включить моделирование.

6.4.2 Измерение параметров стабилизатора

- Записать в протокол ведения измерений напряжение Е _Пср, U _СТ, ток нагрузки I _H, ток стабилитрона I _СТ.

- Уменьшить сопротивление нагрузки вдвое. Вновь записать напряжение U _СТ,
ток нагрузки I _H.

- Увеличить напряжение Е _П на 40 вольт. Записать напряжение U _СТ.

- Повысить температуру стабилитрона до 77^оС. Записать напряжение U _СТ.

6.4.3 Вычисление параметров стабилизатора

Выходное сопротивление R _ВЫХ = Δ U_СТ/ Δ I_Н.

Здесь Δ U_СТ иΔ I_Н изменения напряжения стабилизации и тока нагрузки при изменении сопротивления нагрузки (Δ U_СТ = 5.312 – 5.310 = 0.002 В,
Δ I_Н = 178 – 88 = 90 мА, R _ВЫХ = 0.002/0.090 = 0.022 Ом).

Коэффициент стабилизации К _СТ = (Δ Е _П/ Е _Пср)·(U _СТ/Δ U _СТ).

Здесь Δ Е _П= 40 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации

t

ТКН = ( Δ U _СТ /U _СТ )· ( 1 / Δ t)· 100%.

Здесь Δt– разница температур (27 и 77 ⁰С), Δ U_СТ – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вычислить КПДКПД = Р _Н/ Р _ВХ = (U _Н· I _Н)/(Е _Пср· I _ВХ). I _ВХ = (I _Н + I _СТ).

6.4.5 Подготовить отчёт по работе

Содержание отчета указано в пункте 4.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4