Zeneri dioodi valimiseks joonisel fig. 3, peate teadma sisendpinge U1 vahemikku ja koormuse muutuste vahemikku R N.
Riis. 3. Zeneri dioodi ühendusahel.
Näiteks arvutame takistuse R ja valime joonisel fig. 3 järgmiste nõuetega:
Niisiis, kõigepealt arvutame takistuse R väärtuse. Minimaalne sisendpinge on 11 V. Selle pinge korral peame andma voolu vähemalt 100 mA (või 0,1 A) koormusele. Ohmi seadus võimaldab teil määrata takisti takistuse:
R C = U1 MIN / I N.MAX = 11 / 0,1 = 110 oomi See tähendab, et koormusele antud voolu andva vooluahela takistus ei tohi olla suurem kui 110 oomi.
Zeneri dioodi pingelangused on 9 V (meie puhul). Siis on voolutugevusel 0,1 A ekvivalentne koormus: R E = U2 / I N.MAX = 9 / 0,1 = 90 oomi Seejärel, et anda koormusele 0,1 A vool, peab kustutustakistil olema takistus: R = R C – R E = 110 – 90 = 20 Ohm Võttes arvesse asjaolu, et zeneri diood ise tarbib ka voolu, saate valida tavalisest E24 seeriast veidi madalama takistuse). Kuid kuna zeneri diood tarbib väikest voolu, võib selle väärtuse enamikul juhtudel tähelepanuta jätta.
Nüüd määrame Zener-dioodi kaudu maksimaalse sisendpinge maksimaalse voolu ja koormus on välja lülitatud. Arvutamine tuleb läbi viia lahtiühendatud koormuse korral, sest isegi kui teie koormus on alati ühendatud, ei saa välistada võimalust, et mõni juhtmed joodetakse lahti ja koormus lülitub välja.
Niisiis, arvutame takisti R pingelanguse maksimaalse sisendpinge korral:
U R.MAX = U1 MAX – U2 = 15 – 9 = 6 VA Nüüd määrame sama Ohmi seaduse alusel takistit R läbiva voolu: I R.MAX = U R.MAX / R = 6 / 20 = 0,3 A = 300 mA Kuna takisti R ja zeneri diood VD on ühendatud järjestikku, on takistit läbiv maksimaalne vool võrdne zeneri dioodi läbiva maksimaalse vooluga (väljalülitatud koormuse korral), st I R.MAX = I VD. MAX = 0,3 A = 300 mA Arvutage rohkem võimsuse hajumine takisti R. Kuid me ei tee seda siin, kuna seda teemat kirjeldatakse üksikasjalikult artiklis Takistid.
Kuid arvutame Zeneri dioodi hajumisvõimsuse:
P MAX = I VD.MAX * U ST = 0,3 * 9 = 2,7 W = 2700 mW Hajumisvõimsus on väga oluline parameeter, mida sageli unustatakse arvesse võtta. Kui selgub, et zeneri dioodi võimsuse hajumine ületab maksimaalselt lubatud, põhjustab see zeneri dioodi ülekuumenemist ja selle rikke. Kuigi vool võib olla normi piires. Seetõttu tuleb alati arvutada nii summutustakisti R kui ka zeneri dioodi VD võimsuse hajumine.
Jääb valida zeneri diood vastavalt saadud parameetritele:
U ST = 9 V – nimistabiliseerimispinge
I ST.MAX = 300 mA – maksimaalne lubatud vool zeneri dioodi kaudu
P MAX = 2700 mW – zeneri dioodi hajumise võimsus I ST.MAX juures
Neid parameetreid kasutades leiame teatmeraamatust sobiva zeneri dioodi. Meie eesmärkidel sobib näiteks D815V zeneri diood.
Peab ütlema, et see arvutus on üsna konarlik, kuna see ei võta arvesse mõningaid parameetreid, näiteks temperatuurivigu. Kuid enamikul praktilistel juhtudel on siin kirjeldatud meetod zeneri dioodi valimiseks üsna sobiv.
D815 seeria Zeneri dioodidel on stabiliseerimispinge levik. Näiteks D815V pingevahemik on 7,4...9,1 V. Seega, kui teil on vaja saada täpne koormuse pinge (näiteks täpselt 9 V), peate empiiriliselt valima zeneri dioodi mitu sama tüüpi partii. Kui te ei soovi jännata juhusliku valikuga, võite valida Zener dioodid mõnest teisest seeriast, näiteks KS190 seeriast. Tõsi, need ei sobi meie juhtumiks, kuna nende hajumisvõimsus ei ületa 150 mW. Pinge stabilisaatori väljundvõimsuse suurendamiseks saab kasutada transistori. Aga sellest mõni teine kord lähemalt...
Ja veel üks asi. Meie puhul oli zeneri dioodi hajumisvõimsus üsna kõrge. Ja kuigi D815V omaduste kohaselt on maksimaalne võimsus 8000 mW, on radiaatorile soovitatav paigaldada zeneri diood, eriti kui see töötab rasketes tingimustes (kõrge temperatuur keskkond, halb ventilatsioon jne).
Vajadusel saate allpool teha oma juhtumi jaoks ülalkirjeldatud arvutused
Stabilisaatorid on parameetrilised ja kompenseerivad. Parameetriliste tööpõhimõte seisneb selles, et nad kasutavad elementide eriomadusi, mille parameetrid, nimelt takistus, muutuvad nii, et stabiliseerumine muutub võimalikuks.
Allpool on toodud tavalise transistori (a) ja räni Zener-dioodi (b) omadused:
Praegune stabilisaator
Neist esimeses muutub elemendi takistus nii, et elementide pingemuutuste olulistes piirides on vool selles peaaegu konstantne. Teises, vastupidi, voolu oluliste muutustega on pinge peaaegu konstantne. Seetõttu saab voolu stabiliseerimiseks kasutada transistorit (või muid sarnase karakteristikuga pooljuhtseadmeid) ja pinge stabiliseerimiseks Zener-dioodi. Allpool on voolu stabiliseerimise ahel:
Selle arvutamiseks valige esmalt sobiva karakteristiku ja voolutugevusega I st stabiliseeriv element CE (vt ülaltoodud joonist A). Sellele elemendile rakendatav pinge on defineeritud kui keskmine pinge stabiliseerimise alguse ja lõpu vahel:
Sel juhul on koormuse pinge I st R n. Nende andmete põhjal arvutatakse Uin väärtused, mida tuleb stabilisaatorile rakendada:
See lõpetab praeguse stabilisaatori arvutamise.
Pinge stabilisaator
Alloleval diagrammil näidatud pinge stabilisaator arvutatakse sarnaselt:
U st etteantud väärtuse alusel valitakse sobiv zeneri diood ning selle karakteristikute järgi määratakse I min ja I max. Neid andmeid kasutades arvutatakse vool I st = (I min + I max)/2. Koguvool I in võrdub I st + U st / R n. toe andmiseks koormusel U st = I st R n, kui pinge võrgus väheneb, valitakse sisendis U in toidetav pinge 20 protsenti kõrgemaks kui U st. Seda ülejääki kasutatakse liiteseadme takistil R b, mille väärtus leitakse järgmise valemi abil:
Stabilisaatori kvaliteedi määramiseks on kasutusele võetud stabiliseerimiskoefitsient, mis on võrdne sisendpinge suhteliste hälvete ja pinge suhteliste hälvete suhtega koormusel:
Kui K st = 1, siis stabiliseerumist ei toimu. Mida rohkem Kst erineb ühtsusest, seda tõhusam on stabiliseerimine.
Parameetriliste stabilisaatorite puhul pole stabiliseerimiskoefitsient kuigi suur. Kvaliteetse stabiliseerimise jaoks kasutatakse nn kompensatsioonistabilisaatoreid. Stabiliseerivaks elemendiks neis on tavalised transistorid, mida juhitakse automaatselt nii, et nende kollektori pinge muutub ja kompenseerib sissetuleva pinge hälbe.
Väikese võimsusega elektroonikatoodete toiteks kasutatakse endiselt parameetrilisi pingeregulaatoreid, seega on vaja neid arvutada.
Sageli tuleb valmiskonstruktsioonide kordamisel, mille töötingimused erinevad arendaja soovitatutest, analüüsida parameetrilise pinge stabilisaatori tööd, et selgitada liiteseadis takisti takistuse väärtust.
Need probleemid lahendati autori poolt välja töötatud Microsoft Exceli faili abil. Esitatakse kaks võimalust parameetrilise pingestabilisaatori arvutamiseks ja arvutus zeneri dioodi töötingimuste analüüsimiseks valmis vooluringis.
Näidetes on arvutus- ja analüüsiobjektideks kahe tuntud helisagedusliku võimsusvõimendi disaini parameetrilised stabilisaatorid. See on Interlavkast ja pärit Andrei Zelenin A.
Parameetrilise stabilisaatori arvutamise põhilised seosed zeneri dioodi abil
Joonisel fig. Joonisel 1 on kujutatud parameetrilise stabilisaatori skemaatiline diagramm: Uin – sisendi stabiliseerimata pinge, Uout=Ust – väljundi stabiliseeritud pinge, Ist – vool läbi zeneri dioodi, In – koormusvool, R 0 – liiteseadis (piirav, summutav) takisti.Uin=Ust+(In+Ist)R 0 =Ust+IR 0, (1)
I=In+Ist – liiteseadis takistit R0 läbiv vool.
Riis. 1. Parameetrilise pinge stabilisaatori skeem zeneri dioodi abil
Nagu näha jooniselt fig. 1, räni zeneri dioodil põhinev parameetriline stabilisaator on pingejagur, mis koosneb lineaarse voolu-pinge karakteristikuga (VC) liiteseadistakistist R0 ja zeneri dioodist VD1, mida võib pidada järsult mittelineaarse I- takistiks. V iseloomulik.
Kui pinge Uin muutub, muutub jagurit läbiv vool, mis põhjustab takisti R0 pingelanguse ja zeneri dioodi pinge muutumise, mistõttu koormuse Rн praktiliselt ei muutu.
Väike pinge muutus koormuse ulatuses vahemikus Ust min kuni Ust max vastab zeneri dioodi läbiva voolu muutusele Ist min-lt Ist max-ni. Veelgi enam, zeneri dioodi läbiv minimaalne vool vastab minimaalsele sisendpingele ja maksimaalsele koormusvoolule, mis saavutatakse liiteseadme takisti takistusega
R 0 =(Uin min-Ust min)/(In max+Ist min). (2)
Zener-dioodi läbiv maksimaalne vool omakorda voolab minimaalse koormusvoolu ja maksimaalse sisendpingega.
Stabilisaatori töötingimusi on lihtne leida:
ΔUin=ΔUst+R 0 (ΔIst-ΔIn), (3)
kus ΔUin=Uin max-Uin min, ΔUst= Ust max-Ust min, ΔIst=Ist max-Ist min, ΔIn= In max-In min.
Lihtsuse huvides määrame ΔUst = 0 ja analüüsime avaldist (3).
Koormusvoolu vahemik ei saa olla suurem Zeneri dioodi vooluvahemikust, kuna sel juhul muutub avaldise parem pool negatiivseks ja vooluahel ei tööta pingeregulaatorina.
Kui koormusvoolu muutus on ebaoluline, lihtsustatakse stabilisaatori töötingimuste avaldist:
ΔUin= ΔIstR 0. (4)
Parameetrilise stabilisaatori efektiivsus määratakse järgmise avaldise põhjal:
Tõhusus=Ust In /(Uin (In + Ist)=1/(Nst(1+ Ist/In)), (5)
kus Nst=Uin/Ust – stabilisaatori ülekandetegur; tavaliselt Nst=1,4…2.
Avaldisest (5) järeldub, et mida madalam on stabilisaatori ülekandetegur ja mida madalam on zeneri dioodi läbiva voolu ja koormusvoolu suhe, seda suurem on efektiivsus.
Pinge stabilisaatori peamine parameeter, mille abil hinnatakse selle jõudluse kvaliteeti, on stabiliseerimiskoefitsient:
Kst=(ΔUin/Uin)/(ΔUout/Uout)= R 0 Ust/rdUin=R 0 /Nst-d=Kefficiency, (6)
kus rd on zeneri dioodi dünaamiline takistus; Kf – filtratsioonikoefitsient.
Esimene võimalus parameetrilise stabilisaatori arvutamiseks
Teeme seda juhul, kui toitepinge on ebastabiilne ja koormustakistus suhteliselt konstantne.
Arvutamise lähteandmed on: Uout, In, ΔIn, Uin, ΔUin.
Nõutava väljundpinge saamiseks vastavalt teatmeraamatule valige zeneri diood parameetritega: Ust = Uout, Ist max, Ist min, rd.
Vajaliku sisendpinge arvutame stabilisaatori äärmuslike optimaalsete ülekandekoefitsientide Nst = 1,4...2 alusel, mida saab ka kasutaja valida mis tahes vajalikus vahemikus Nst:
Ist р=0,5(Ist min+Ist max)>In.
Arvutame liiteseadis takisti takistuse:
R 0 =(Uin - Ust)/(Ist p+ In).
Arvutame kahekordse varuga liiteseadme takisti võimsuse:
Po=2(Ist p+ In) 2 R 0 .
Kontrollime stabilisaatori valitud töörežiimi.
Arvutamine on õige, kui Uin samaaegsel muutumisel ΔUin ja In suuruse ΔIn võrra ei ületa zeneri dioodi vool Ist max ja Ist min piire:
Ist r max=(Uin+ ΔUin- Ust)/(R 0 -(In- ΔIn))<0,8 Iст max;
Ist r min=(Uin- Ust)/(R0-(In+ ΔIn))>1,2 Ist min.
See võtab arvesse zeneri dioodi usaldusväärseks tööks vajalikku 20% varu. Arvutustes aktsepteeritud zeneri dioodi läbiva voolu maksimaalne tööväärtus ei ületa seadme töökindluse tõttu viitest Ist max 0,8, nii et zeneri dioodi hajutatud võimsus on väiksem maksimum. Nõutava stabiliseerimiskoefitsiendi tagamiseks võetakse zeneri dioodi Ist p min läbiva voolu minimaalseks tööväärtuseks 1,2 korda suurem kui Ist min.
Kui saadud vooluväärtused Ist p max ja Ist p min on väljaspool lubatud väärtusi, siis on vaja valida Ist p jaoks erinev väärtus, muuta takistust R 0 või asendada zeneri diood.
Arvutame ka stabilisaatori parameetrid, mis määravad selle kvaliteedi ja efektiivsuse - stabiliseerimiskoefitsient Kst = (ΔUin/Uin)/(ΔUout/Uout)= R 0 /(rdNst),
tõhususe tegur efektiivsus=Ust In /(Uin (In + Ist))=1/(Nst(1+ Ist/In)),
ja filtratsioonikoefitsient Kf=Kst/efektiivsus.
Arvutusnäide nr 1
Arvutame parameetrilise pingestabilisaatori, millel on järgmised omadused: stabiliseeritud koormuse pinge Un=9 V; koormusvool In = 10 mA; koormusvoolu muutus ΔIn=2 mA; sisendpinge muutus ΔUin=10%.Valime D814B tüüpi zeneri dioodi, mille puhul Ust= Un=9 V; rd = 10 oomi; Ist max = 36 mA; Ist min = 3 mA.
Sisestame ülaltoodud teabe Microsoft Exceli tabeli "Parameetrilise pingestabilisaatori töö arvutamine ja analüüs.xlsx" lehe "Esimene arvutusvõimalus" lähteandmete vastavatesse lahtritesse (helesinise täidisega esile tõstetud) ja hankige kohe arvutustulemused arvutuslahtrites, mis on esile tõstetud helepruuni täidisega:
sisendpinge Uin=15,0 V; liiteseadis takisti takistus R 0 =240 Ohm, liiteseadis takisti võimsus topeltreserviga Po=0,3 W; Kst=15,0, efektiivsus=24%, Kf=62,5 (vt joonis 2).
Riis. 2. Prindi arvutusnäite nr 1 ekraanilt
Valime takisti, mille takistus on 240 oomi ja võimsus 0,5 W.
Oletame, et stabilisaatori sisendis on vahelduvpinge pulsatsioonid amplituudiga Upin = 0,1 V = 100 mV. Pulsatsiooni amplituud stabilisaatori väljundis on Upst = Upin/Kph=100/62.5=1.6 mV.
Arvutusnäide nr 2
Arvutame parameetrilise stabilisaatori toitepingetele Up=Uin=±25 V; ±35 V ja ±45 V.Arvutamine viiakse läbi positiivse polaarsusega parameetrilise stabilisaatori (R5, VD1, C2) jaoks, kuna teine negatiivse polaarsusega stabilisaator (R6, VD2, C4) erineb ainult zeneri dioodi sisselülitamise suunas.
Valmistame ette lähteandmed: stabiliseeritud koormuse pinge Un=12 V, koormusvool In=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 mA, ΔIn=0,115 mA, sisendpinge muutus ΔUin=10 %.
Valime zeneri dioodi BZX55C12, millel on järgmised parameetrid: Ust= Un=12 V; rd = 20 oomi; Ist max = 32 mA; Ist min = 5 mA.
Arvutustulemused on näidatud joonisel fig. 3; üles = ± 25 V R5 = R6 = 1,3 kOhm (0,25 W); Up=±35 V R5=R6=2,4 kOhm (0,5 W); Up=±45 V R5=R6=3,6 kOhm (1 W).
Riis. 3. “Green Lanzar” võimendi parameetriliste stabilisaatorite arvutamine
Teine võimalus parameetrilise stabilisaatori arvutamiseks
kasutab lähteandmetena koormusvoolu In min ja In max piirväärtusi, mis, kui In min = 0, võimaldab ette näha stabilisaatori tühikäigu režiimi. Pideva koormuse jaoks valige In max = In min.
Seega on lähteandmed: stabiliseeritud koormuse pinge Uout, koormusvoolud In min, In max, nimisisendpinge Uin ja selle kõrvalekalded ΔUin n ja ΔUin in.
Zeneri dioodi parameetrid on samad, mis eelmises arvutuses: Ust = Uout, Ist max, Ist min, rd.
Arvutame zeneri dioodi töövoolu maksimaalsed ja minimaalsed väärtused:
Ist p max = 0,8 Ist max,
Ist p min = 1,2 Ist min.
Kui stabilisaator peab töötama tühikäigurežiimis (In min=0), valige Ist p min=Ist min.
Kontrollime stabiliseerimispinge jaoks valitud zeneri dioodi sobivust koormusvoolu ja toitepinge määratud piirides:
(Ist p max+ In min)(1- ΔUin n)-(Ist min+ In max) (1+ ΔUin in)>0,
kus ΔUin n=(Uin-Uin min)/ Uin, ΔUin in=(Uin max-Uin)/ Uin.
Kui ebavõrdsus ei kehti, vajate:
kasutage võimsamat zeneri dioodi;
seadistada väiksematele väärtustele ΔUin n ja ΔUin in;
vähendada In max või suurendada In min.
Nimipinge Uin, mille alaldi peab tagama, arvutatakse järgmise valemi abil:
Uin= Ust [(Ist p max+I n min)- (Ist p min+ I n max)]/[(Ist p max+I n min)(1- ΔUinn)- (Ist p min+I n max) ( 1+ΔUin in)].
Liiteseadisega takisti takistus:
R 0 = Uin(ΔUin in+ΔUin n)/[(Ist p max+ In min)- (Ist p min+ In max)].
Arvutame ka takisti võimsuse kahekordse varuga:
Po=2(Uin(1+ ΔUin n) - Ust) 2 /R 0 .
Arvutuse esimeses versioonis toodud valemeid kasutades leiame Kst, efektiivsuse ja Kf.
Arvutusnäide nr 3
Arvutame parameetrilise pingestabilisaatori, millel on järgmised omadused: stabiliseeritud koormuse pinge Un=9 V; vool In min =0, In max =10 mA; sisendi muutus ΔUin n=10%, ΔUin v=15%.Valime D814B tüüpi zeneri dioodi, mille jaoks Ust = Un; rd = 10 oomi; Ist max = 36 mA, Ist min = 3 mA.
Pärast algandmete sisestamist tabelilehele “Teine arvutusvõimalus” saame järgmised tulemused (joonis 4):
Uin = 14 V, R 0 = 221 oomi, Po = 0,45 W, Kst = 14,2.
Riis. 4. Parameetrilise stabilisaatori ekraanipilt ooterežiimis
Valime takisti, mille takistus on 220 oomi ja võimsus 0,5 W.
Parameetrilise stabilisaatori töö analüüs
Analüüsi lähteandmed on järgmised: Un, In, ΔIn, ΔUin, R 0 .Samuti on analüüsiks vaja zeneri dioodi parameetreid: Ust = Un, rd, Ist max ja Ist min.
Analüüs taandub zeneri dioodi töövoolu arvutamisele Ist p=(Uin-Ust)/R 0 -In; ülekandetegur Nst = Uin/Ust; liiteseadis takisti võimsus Po, stabilisatsioonitegur Kst, kasutegur ja filtreerimistegur Kf.
Oluline on kontrollida zeneri dioodi töörežiimi stabilisaatori ahelas, mis viiakse läbi valemite abil, mis on sarnased esimeses arvutusvalikus toodud valemitega.
Analüüsi näide nr 1
Analüüsime Lanzari võimendi kompensatsioonipinge stabilisaatorite liiteseadme takistite R3 ja R4 väärtusi sõltuvalt kasutatavast toitepingest.Võimendi toitepinge deklareeritud vahemik on vahemikus Up=±30 V kuni ±65 V, kui see on sisse lülitatud skemaatiline diagramm liiteseadis takistite takistus on näidatud R 0 =R3=R4=2,2 kOhm (1 W).
Teises väljaandes on soovitatav valida liiteseadis takistite takistuse väärtus sõltuvalt võimendi toitepingest valemiga R 0 = (Up-15)/I, kus I = 8...10 mA. Tabelis 1 on näidatud arvutus, kasutades võimendi toitepinge vahemiku määratud valemit 5 V sammuga.
Analüüsi lähteandmed: stabiliseeritud koormuse pinge Un=15 V, koormusvool In=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 mA, ΔIn=0,213 mA, sisendpinge muutus ΔUin=10%.
Valime zeneri dioodi 1N4744A, millel on järgmised parameetrid: Ust= Un=15 V; rd = 14 oomi; Ist max = 61 mA; Ist min = 5 mA.
Lanzari võimendi parameetriliste stabilisaatorite töö analüüs näitas, et minimaalne stabilisaatori vool Ist p min valiti piiril vaid 3...14% varuga nõutava 20% asemel (joon. 5).
Riis. 5. Lanzari võimendi stabilisaatorite töörežiimid sõltuvalt valitud toitepingest
Kasutades Microsoft Exceli tabeliandmete analüüsi tööriista “Parameter Selection”, selgitame liiteseadis takistite takistust. Selleks minge lahtrisse valemiga Ist p min (lahter C26) ja valige menüüst Andmed -> « Mis-kui-analüüs»-> Parameetrite valik.
Määrake see lahtrisse C26 väärtus 6,0 (marginaal 20% Ist min-st), muutes selle elemendi väärtust, millesse on sisestatud liiteseadme takisti takistus ( 15 C$).
Saame R 0 = 1,438 kOhm. Sisestame sellesse lahtrisse lähima takistuse väärtuse standardseeriast R 0 =1,3 kOhm.
Pärast tabelis näidatud toimingut kõigi toitepinge väärtuste jaoks saame järgmise tulemuse (joonis 6).
Riis. 6. Lanzari võimendi parameetriliste stabilisaatorite töörežiimide selgitamine
Analüüsi tulemused on kokku võetud ka tabelis 2.
Võimendi toitepingetel ±30 V kuni ±40 V on takistite võimsus 0,5 W, muude pingete korral 1 W.
Alumine rida
On vaja arvutada isegi selline lihtne seade nagu parameetriline pinge stabilisaator. Liiteseadisega takisti väärtuse valimine "silma järgi" võib põhjustada projekteerimisvigu, mida kohe ei märgata.Enne teile meeldiva kujunduse kokkupanemist on soovitatav analüüsida ja vajadusel selgitada parameetrilise stabilisaatori zeneri dioodi töörežiimi, kasutades Microsoft Excelis pakutud arvutustabeleid.
Piisab paljude elektriahelate ja ahelate jaoks lihtne plokk toiteallikas, millel pole stabiliseeritud pingeväljundit. Sellised allikad hõlmavad kõige sagedamini madalpingetrafot, dioodsildalaldit ja kondensaatorit, mis toimib filtrina.
Pinge toiteallika väljundis sõltub trafo sekundaarmähise pöörete arvust. Tavaliselt on majapidamisvõrgu pinge keskpärane stabiilsus ja võrk ei tooda vajalikku 220 volti. Pinge väärtus võib kõikuda vahemikus 200 kuni 235 V. See tähendab, et ka pinge trafo väljundis ei ole stabiilne ja standardse 12 V asemel on tulemuseks 10 kuni 14 volti.
Stabilisaatori ahela töö
Elektriseadmed, mis ei ole tundlikud väikeste toitepinge muutuste suhtes, võivad kasutada tavalist toiteallikat. Ja kapriissemad seadmed ei saa enam ilma stabiilse toiteallikata töötada ja võivad lihtsalt läbi põleda. Seetõttu on vaja väljundpinge võrdsustamisahelat.
Vaatleme vooluahelat, mis võrdsustab alalispinget transistori ja zeneri dioodi abil, mis mängib põhielemendi rolli, määrab ja võrdsustab pinge toiteallika väljundis.
Liigume edasi konkreetse kaalutluse juurde elektriskeem tavapärane stabilisaator alalispinge ühtlustamiseks.
- Olemas on 12V muutuva väljundpingega astmeline trafo.
- See pinge antakse vooluahela sisendisse ja täpsemalt dioodi alaldi sillale, samuti kondensaatoril valmistatud filtrile.
- Dioodsilla baasil valmistatud alaldi muundab vahelduvvoolu alalisvooluks, kuid saadakse järsk pingeväärtus.
- Pooljuhtdioodid peavad töötama suurima vooluga 25% reserviga. Seda voolu saab genereerida toiteallikas.
- Pöördpinge ei tohiks langeda vähem kui väljundpinge.
- Omamoodi filtri rolli täitev kondensaator ühtlustab need võimsuse kõikumised, muutes pinge lainekuju peaaegu ideaalseks graafikukujuks. Kondensaatori mahtuvus peaks olema vahemikus 1-10 tuhat mikrofaradi. Pinge peab olema ka suurem kui sisendväärtus.
Me ei tohi unustada järgmist efekti: pärast elektrolüütkondensaatorit (filtrit) ja dioodi alaldi silda suureneb vahelduvpinge umbes 18%. See tähendab, et tulemus ei ole väljundis 12 V, vaid umbes 14,5 V.
Zeneri dioodi tegevus
Järgmine tööetapp on zeneri dioodi töö alalispinge stabiliseerimiseks stabilisaatori konstruktsioonis. See on peamine funktsionaalne lüli. Me ei tohi unustada, et zeneri dioodid võivad teatud piirides säilitada stabiilsuse teatud konstantse pinge juures, kui nad on vastupidises ühenduses. Kui rakendate zeneri dioodile pinget nullist stabiilse väärtuseni, suureneb see.
Kui see saavutab stabiilse taseme, jääb see konstantseks, veidi tõustes. See suurendab seda läbiva voolu tugevust.
Tavapärase stabilisaatori vaadeldavas vooluringis, mille väljundpinge peaks olema 12 V, on zeneri diood määratletud pinge väärtuseks 12,6 V, kuna 0,6 V on pingekadu transistori emitter-baasi üleminekul. Seadme väljundpinge on täpselt 12 V. Ja kuna seadsime zeneri dioodi väärtuseks 13 V, on seadme väljund umbes 12,4 volti.
Zeneri diood vajab voolupiirangut, et kaitsta seda liigse kuumenemise eest. Diagrammi järgi otsustades täidab seda funktsiooni takistus R1. See on jadamisi ühendatud zeneri dioodiga VD2. Zeneri dioodiga paralleelselt on ühendatud veel üks kondensaator, mis toimib filtrina. See peab võrdsustama saadud pingeimpulsse. Kuigi ilma selleta saab täiesti hakkama.
Diagramm näitab transistor VT1, mis on ühendatud ühise kollektoriga. Selliseid ahelaid iseloomustab märkimisväärne voolu suurenemine, kuid pingevõimendus puudub. Sellest järeldub, et transistori väljund tekitab sisendis püsiva pinge. Kuna emitteri ristmik neelab 0,6 V, on transistori väljund ainult 12,4 V.
Transistori avanemiseks on vaja takistit, et tekitada eelpinge. Seda funktsiooni täidab takistus R1. Kui muudate selle väärtust, saate muuta transistori väljundvoolu ja sellest tulenevalt stabilisaatori väljundvoolu. Katsena saate takisti R1 asemel ühendada 47 kOhm muutuva takisti. Seda reguleerides saate muuta toiteallika väljundvoolu.
Pinge stabilisaatori ahela lõpus on ühendatud veel üks väike elektrolüütkondensaator C3, mis võrdsustab pingeimpulsse stabiliseeritud seadme väljundis. Selle külge joodetud paralleellülitus takisti R2, mis sulgeb emitteri VT1 ahela negatiivse pooluse külge.
Järeldus
See ahel on kõige lihtsam, sisaldab väikseimat arvu elemente ja loob stabiilse väljundpinge. Sellest stabilisaatorist piisab paljude elektriseadmete tööks. Selline transistor ja zeneri diood on ette nähtud maksimaalseks vooluks 8 A. See tähendab, et sellise voolu jaoks on pooljuhtidest soojuse eemaldamiseks vaja jahutusradiaatorit.
Kõige sagedamini kasutatakse Zeneri dioode, transistore ja stabilisaatoreid. Nende efektiivsus on vähenenud, seetõttu kasutatakse neid ainult väikese võimsusega ahelates. Kõige sagedamini kasutatakse neid pingestabilisaatorite kompensatsiooniahelates peamise pingeallikana. Sellised parameetrilised stabilisaatorid on sild, mitmeastmelised ja üheastmelised. See on kõige rohkem lihtsad vooluringid Zener-dioodi ja muude pooljuhtelementide baasil ehitatud stabilisaatorid.
Sisu:Nõrkvooluahelates, mille koormus on kuni 20 mA, kasutatakse madala efektiivsusega seadet, mida tuntakse parameetrilise pingeregulaatorina. Nende seadmete disain sisaldab transistore, stabilisaatoreid ja zeneri dioode. Neid kasutatakse peamiselt kompenseerivates stabiliseerimisseadmetes võrdluspingeallikatena. Olenevalt tehnilised omadused, parameetrilised stabilisaatorid võivad olla üheastmelised, mitmeastmelised ja sillalised.
Disaini osaks olev zeneri diood meenutab pöördühendusega dioodi. Zener-dioodile iseloomulik pöördpinge purunemine on aga selle normaalse toimimise aluseks. Seda omadust kasutatakse laialdaselt erinevate vooluahelate jaoks, milles on vaja luua sisendsignaali pingepiirang. Parameetrilised stabilisaatorid on kiired seadmed, mis kaitsevad ahelate tundlikke piirkondi impulssmüra eest. Nende elementide kasutamine kaasaegsetes vooluahelates on muutunud nende kõrge kvaliteedi näitajaks, tagades seadmete stabiilse töö erinevates režiimides.
Parameetrilise stabilisaatori ahel
Parameetrilise stabilisaatori aluseks on zeneri dioodi lülitusahel, mida kasutatakse võrdluspinge allikana ka teist tüüpi stabilisaatorites.
Standardahel koosneb, mis omakorda sisaldab liiteseade takistit R1 ja zeneri dioodi VD. Koormustakistus RH on ühendatud paralleelselt zeneri dioodiga. See konstruktsioon stabiliseerib väljundpinget muutuva toitepinge Up ja koormusvooluga In.
Ahel töötab järgmises järjekorras. Stabilisaatori sisendis suurenev pinge põhjustab takistit R1 ja zeneri dioodi VD läbiva voolu suurenemist. Zeneri dioodi pinge jääb selle voolu-pinge karakteristiku tõttu muutumatuks. Sellest lähtuvalt ei muutu pinge koormuse takistusel. Selle tulemusena antakse kogu muudetud pinge takistile R1. Ahela tööpõhimõte võimaldab arvutada kõik vajalikud parameetrid.
Parameetrilise stabilisaatori arvutamine
Pingestabilisaatori töö kvaliteeti hinnatakse selle stabiliseerimiskoefitsiendi järgi, mis määratakse valemiga: KstU= (ΔUin/Uin) / (ΔUout/Uout). Järgmisena arvutatakse zeneri dioodi parameetriline pinge stabilisaator vastavalt liiteseadise takisti Ro takistusele ja kasutatud zeneri dioodi tüübile.
Zeneri dioodi arvutamiseks kasutatakse järgmisi elektrilisi parameetreid: Ist.max - zeneri dioodi maksimaalne vool voolu-pinge karakteristiku tööosas; Ist.min - zeneri dioodi minimaalne vool voolu-pinge karakteristiku tööosas; Rd - diferentsiaaltakistus voolu-pinge karakteristiku tööosas. Arvutusprotseduuri võib käsitleda konkreetse näite abil. Algandmed on järgmised: Uout= 9 V; In = 10 mA; ΔIн= ± 2 mA; ΔUin= ± 10%Uin.
Kõigepealt valitakse kataloogis D814B kaubamärgi zeneri diood, mille parameetrid on: Ust = 9 V; Ist.max = 36 mA; Ist.min = 3 mA; Rd = 10 oomi. Pärast seda arvutatakse sisendpinge valemiga: Uin=nstUout, milles nst on stabilisaatori ülekandetegur. Stabiliseerimisseadme töö on kõige tõhusam, kui nst on 1,4–2,0. Kui nst = 1,6, siis Uin = 1,6 x 9 = 14,4 V.
Järgmine samm on liiteseadme takisti (Ro) takistuse arvutamine. Selleks kasutatakse järgmist valemit: Ro= (Uin-Uout) / (Ist+In). Praegune väärtus Ist valitakse vastavalt põhimõttele: Ist ≥ In. Kui Uin muutub samaaegselt väärtusega ΔUin ja In väärtusega ΔIn, ei tohiks zeneri dioodi vool ületada Ist.max ja Ist.min väärtusi. Sellega seoses võetakse Ist selle vahemiku keskmiseks lubatud väärtuseks ja see on 0,015 A.
Seega on liiteseadme takisti takistus võrdne: Ro = (14,4 - 9) / (0,015 + 0,01) = 216 oomi. Lähim standardtakistus on 220 oomi. Soovitud tüüpi takisti valimiseks peate arvutama selle korpusel hajutatud võimsuse. Kasutades valemit P = I2Ro, saame väärtuse P = (25·10-3)2x220 = 0,138 W. See tähendab, et takisti standardne võimsuse hajumine on 0,25 W. Seetõttu sobib vooluringi jaoks kõige paremini MLT-0,25-220 oomi ± 10% takisti.
Pärast kõigi arvutuste tegemist peate kontrollima, kas zeneri dioodi töörežiim on parameetrilise stabilisaatori üldises vooluringis õigesti valitud. Esiteks määratakse selle minimaalne vool: Ist.min = (Uin-ΔUin-Uout) / Ro - (In+ΔIn), reaalsete parameetritega saadakse väärtus Ist.min = (14,4 - 1,44 - 9) x 103/ 220 - (10 + 2) = 6 mA. Maksimaalse voolu määramiseks tehakse samad toimingud: Ist.max = (Uin+ΔUin-Uout) / Ro - (In-ΔIn). Algandmete kohaselt on maksimaalne vool: Ist.max = (14,4 + 1,44 - 9) · 103/ 220 - (10 - 2) = 23 mA. Kui saadud minimaalse ja maksimaalse voolu väärtused on väljaspool lubatud piire, siis on sel juhul vaja muuta Ist või Ro. Mõnel juhul tuleb Zeneri diood välja vahetada.
Parameetriline pinge stabilisaator zeneri dioodil
Iga raadioelektroonilise vooluahela jaoks on vaja toiteallikat. Need võivad olla alalis- ja vahelduvvoolud, stabiliseeritud ja stabiliseerimata ning lineaarsed, resonants- ja kvaasiresonantsed. See mitmekesisus võimaldab valida erinevate vooluahelate jaoks toiteallikaid.
Kõige lihtsamas elektroonilised ahelad, kus toitepinge kõrge stabiilsus või kõrge väljundvõimsus pole nõutud, kasutatakse kõige sagedamini lineaarseid pingeallikaid, mida iseloomustab töökindlus, lihtsus ja madal hind. Nende komponendid on parameetrilised pinge- ja voolustabilisaatorid, mille konstruktsioon sisaldab elementi, millel on mittelineaarne voolu-pinge karakteristik. Selliste elementide tüüpiline esindaja on zeneri diood.
See element kuulub spetsiaalsesse dioodide rühma, mis töötavad rikkepiirkonna voolu-pinge karakteristiku pöördharu režiimis. Kui diood lülitatakse sisse anoodilt katoodile (plussist miinusesse) pingega Uthr, hakkab elektrivool sellest vabalt läbi voolama. Kui vastupidine suund miinusest plussile on sisse lülitatud, siis läbib dioodi ainult vool Irev, mille suurus on vaid mõni μA. Dioodi pöördpinge tõus teatud tasemeni põhjustab selle elektrilise rikke. Kui vool on piisav, siis diood ebaõnnestub termilise rikke tõttu. Dioodi kasutamine rikkepiirkonnas on võimalik, kui dioodi läbiv vool on piiratud. Erinevates dioodides võib läbilöögipinge olla vahemikus 50 kuni 200 V.
Erinevalt dioodidest on zeneri dioodi voolu-pinge karakteristikul pideva läbilöögipinge tingimustes suurem lineaarsus. Seega kasutatakse selle seadme abil pinge stabiliseerimiseks voolu-pinge karakteristiku pöördharu. Otseharu sektsioonis toimub zeneri dioodi töö täpselt samamoodi nagu tavalise dioodi puhul.
Vastavalt oma voolu-pinge karakteristikule on zeneri dioodil järgmised parameetrid:
- Stabiliseerimispinge - Ust. Sõltub zeneri dioodi pingest voolu Ist kulgemise ajal. Kaasaegsete zeneri dioodide stabiliseerimisvahemik on vahemikus 0,7 kuni 200 volti.
- Maksimaalne lubatud D.C. stabiliseerimine - Ist.max. Seda piirab maksimaalne lubatud võimsuse hajumine Pmax, mis omakorda on tihedalt seotud ümbritseva õhu temperatuuriga.
- Minimaalne stabiliseerimisvool - Ist.min. Sõltub zeneri dioodi läbiva voolu minimaalsest väärtusest. Selle voolu korral peaks seadme funktsionaalsus täielikult säilima. Zener-dioodi voolu-pinge karakteristik parameetrite Ist.max ja Ist.min vahel on kõige lineaarsema konfiguratsiooniga ning stabiliseerimispinge muutus on väga ebaoluline.
- Zeneri dioodi diferentsiaaltakistus - rst. Seda väärtust määratletakse kui seadme stabiliseerimispinge suurenemise ja selle pinge põhjustanud stabiliseerimisvoolu väikese suurenemise suhet (ΔUCT/ ΔiCT).
Parameetriline transistori stabilisaator
Transistoride abil parameetrilise stabilisaatori töö ei erine peaaegu üldse sarnasest Zener-dioodi kasutavast seadmest. Igas vooluringis jääb pinge väljunditel stabiilseks, kuna nende voolu-pinge omadused mõjutavad piirkondi, kus pingelangus on nõrgalt sõltuv voolust. See tähendab, et nagu ka teistes parameetrilistes stabilisaatorites, saavutatakse komponentide sisemiste omaduste tõttu stabiilsed voolu- ja pingenäitajad.
Koormuse pingelangus on sama, mis Zeneri dioodi ja pingelanguse erinevus r-n üleminek transistor. Pingelangus sõltub mõlemal juhul nõrgalt voolust, millest saame järeldada, et ka väljundpinge on konstantne.
Stabilisaatori normaalset tööd iseloomustab pinge olemasolu vahemikus Ust.max kuni Ust.min. Selleks on vajalik, et zeneri dioodi läbiv vool oleks vahemikus Ist.max kuni Ist.min. Seega toimub zeneri dioodi läbiv maksimaalne vool minimaalse transistori baasvoolu ja maksimaalse sisendpinge tingimustes. Seetõttu on transistori stabilisaatoril tavapärase seadme ees märkimisväärsed eelised, kuna väljundvoolu väärtus võib laias vahemikus varieeruda.
