Graude-msk.ru

Ремонт бытовой техники
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает стабилитрон и для чего он нужен

Как работает стабилитрон и для чего он нужен?

Основой надежной и продолжительной работы электронной аппаратуры является стабильное напряжение питания. Для этого применяют стабилизированные источники питания. Можно сказать, что основным элементом, который определяет уровень выходного напряжения блока питания, это полупроводниковый прибор – стабилитрон. Он может быть как основой линейного стабилизатора, так и пороговым элементом в цепи обратной связи импульсного источника питания. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик про устройство и принцип работы стабилитрона.

Типы регуляторов напряжения

Существует два основных типа доступных регуляторов напряжения:

  • Линейные регуляторы напряжения
  • Переключающие Регуляторы Напряжения

Их можно далее классифицировать на более специфические регуляторы напряжения, как описано ниже.

Линейный Регулятор Напряжения

Этот тип регулятора напряжения выполняет функцию делителя напряжения. Он использует FET в омической области. Устойчивая выходная мощность поддерживается изменением сопротивления регулятора напряжения по отношению к нагрузке. Как правило, эти типы регуляторов напряжения бывают двух типов:

  • Последовательный регулятор напряжения
  • Шунтирующий регулятор напряжения

Последовательный Регулятор Напряжения

Он реализует переменный элемент, расположенный последовательно с подключенной нагрузкой. Устойчивый выход поддерживается изменением сопротивления этого элемента относительно нагрузки. Они бывают двух типов, которые кратко описаны ниже.

Дискретный транзисторный Последовательный Регулятор Напряжения

Здесь, на блок-схеме, мы видим, что нерегулируемый вход сначала подается в контроллер. Он фактически контролирует величину входного напряжения и подает его на выход. Этот выход подается на цепь обратной связи. Он отбирается схемой дискретизации и передается в компаратор. Там он сравнивается с опорным напряжением и возвращается обратно на выход.

Здесь схема компаратора будет подавать управляющий сигнал контроллеру всякий раз, когда происходит увеличение или уменьшение выходного напряжения. Таким образом, контроллер уменьшит или увеличит напряжение до приемлемого диапазона, так что в качестве выходного сигнала будет получено устойчивое напряжение.

Стабилитрон как Регулятор напряжения

Когда стабилитрон используется в качестве регулятора напряжения, он известен как стабилитронный транзисторный последовательный регулятор напряжения или эмиттерный последовательный регулятор напряжения. Здесь используется транзистор-эмиттерный повторитель (см. Клеммы эмиттера и коллектора используемого здесь транзистора с последовательным проходом расположены последовательно по отношению к нагрузке. Переменный элемент-это транзистор, а стабилитрон будет подавать опорное напряжение.

Шунтирующий Регулятор Напряжения

Шунтирующий регулятор напряжения обеспечивает путь от питающего напряжения до земли с помощью переменного сопротивления. От нагрузки ток шунтируется от нагрузки к земле. Можно просто сказать, что этот регулятор может поглощать ток и он менее эффективен по сравнению с последовательным регулятором напряжения. Применения включают усилители ошибки, контроль напряжения тока, ограничители тока точности, etc. Они бывают двух типов, которые кратко описаны ниже.

Читайте так же:
Синхронизация с мобильными устройствами andy

Дискретный транзисторный шунтирующий регулятор напряжения

Здесь ток шунтируется в сторону от нагрузки. Контроллер будет шунтировать часть общего тока, вырабатываемого нерегулируемым входом, подаваемым на нагрузку. Регулирование напряжения происходит по всей нагрузке.

Здесь схема компаратора будет подавать управляющий сигнал контроллеру всякий раз, когда происходит увеличение или уменьшение выходного напряжения из-за изменения нагрузки. Таким образом, контроллер будет шунтировать дополнительный ток от нагрузки, чтобы получить устойчивое напряжение в качестве выходного сигнала.

Интегральный стабилизатор и диод

Есть также другой подобный способ, но здесь используются диоды. Может быть Вам известно, что падение напряжение на прямом переходе кремниевого диода составляет 0,6-0,7 Вольт, а германиевого диода — 0,3-0,4 Вольта? Именно этим свойством диода и воспользуемся ;-).

Итак, схему в студию!

Как получить нестандартное напряжение

Собираем по схеме данную конструкцию. Нестабилизированное входное постоянное напряжение также и осталось 9 Вольт. Стабилизатор 7805.

Как получить нестандартное напряжение

Итак, что на выходе?

Как получить нестандартное напряжение

Почти 5.7 Вольт ;-), что и требовалось доказать.

Если два диода соединять последовательно, то на каждом из них будет падать напряжение, следовательно, оно будет суммироваться:

Как получить нестандартное напряжение

На каждом кремниевом диоде падает по 0,7 Вольт, значит, 0,7+0,7=1,4 Вольта. Также и с германиевыми. Можно соединить и три, и четыре диода, тогда нужно суммировать напряжения на каждом. На практике более трех диодов не используют. Диоды можно ставить даже малой мощности, так как в этом случае ток через них все равно будет мал.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

Схема стабилизатора напряжения

  1. U вх – необработанное напряжение входа;
  2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Схема стабилизатора напряжения

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Обычный твердотельный диод пропускает значительный ток, если он смещен в обратном направлении. выше его обратного напряжения пробоя. Когда напряжение пробоя обратного смещения превышено, обычный диод подвергается воздействию высокого тока из-за лавинного пробоя. Если этот ток не ограничен схемами, диод может быть необратимо поврежден из-за перегрева. Стабилитрон демонстрирует почти те же свойства, за исключением того, что устройство специально разработано так, чтобы иметь пониженное напряжение пробоя, так называемое напряжение Зенера. В отличие от обычного устройства, стабилитрон с обратным смещением демонстрирует управляемый пробой и позволяет току поддерживать напряжение на стабилитроне близким к напряжению пробоя стабилитрона. Например, диод с напряжением пробоя стабилитрона 3,2 В демонстрирует падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов.Поэтому стабилитрон идеально подходит для таких приложений, как генерация опорное напряжение (например , для усилителя стадии), или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных применений. [2]

Читайте так же:
Регулировка деревянных окон на прижим

Другой механизм, вызывающий аналогичный эффект, — это лавинный эффект, как в лавинном диоде . [2] Два типа диодов фактически сконструированы одинаково, и оба эффекта присутствуют в диодах этого типа. В кремниевых диодах напряжением примерно до 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим и демонстрирует заметный отрицательный температурный коэффициент . При напряжении выше 5,6 вольт лавинный эффект становится преобладающим и имеет положительный температурный коэффициент. [3]

В диоде на 5,6 В эти два эффекта возникают вместе, а их температурные коэффициенты практически компенсируют друг друга, поэтому диод на 5,6 В полезен в приложениях с критическими температурами. Альтернатива, которая используется для опорного напряжения , которые должны быть очень стабильными в течение длительных периодов времени, чтобы использовать диод Зенера с температурным коэффициентом (TC) от +2 мВ / ° C (пробивного напряжения 6,2-6,3 V) , подключенного последовательно с кремниевым диодом, смещенным в прямом направлении (или транзисторным BE-переходом), изготовленным на одном кристалле. [4] Диод с прямым смещением имеет температурный коэффициент -2 мВ / ° C, что приводит к отключению ТС.

Современные технологии изготовление произвели устройства с напряжением , чем снизить 5.6 V с коэффициентами пренебрежимо мало температур, [ править ] , но , как устройства высокого напряжения встречается, температурный коэффициент резко возрастает. Диод на 75 В имеет в 10 раз больший коэффициент, чем диод на 12 В. [ необходима цитата ]

Стабилитроны и лавинные диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим термином «стабилитрон».

При напряжении 5,6 В, где преобладает эффект Зенера, ВАХ вблизи пробоя имеет более округлую форму, что требует большей осторожности при нацеливании на условия смещения. ВАХ для стабилитронов выше 5,6 В (преобладает лавина) при пробое намного резче.

Микросхема стабилитрон TL431 может использоваться не только в схемах питания. На базе TL431 можно сконструировать всевозможные световые и звуковые сигнализаторы. При помощи таких конструкций возможно контролировать множество разнообразных параметров. Самый основной параметр — контроль напряжения.

Читайте так же:
Самодельный реостат для регулировки напряжения

Переведя какой-нибудь физический показатель при помощи различных датчиков в показатель напряжения, возможно изготовить прибор, отслеживающий, например, температуру, влажность, уровень жидкости в емкости, степень освещенности, давление газа и жидкости. ниже приведем несколько схем включения управляемого стабилитрона TL431.

Стабилизатор тока на TL431

Данная схема является стабилизатором тока. Резистор R2 выполняет роль шунта, на котором за счет обратной связи устанавливается напряжения 2,5 вольт. В результате этого на выходе получаем постоянный ток равный I=2,5/R2.

Индикатор повышения напряжения

Работа данного индикатора организована таким образом, что при потенциале на управляющем контакте TL431 (вывод 1) меньше 2,5В, стабилитрон TL431 заперт, через него проходит только малый ток, обычно, менее 0,4 мА. Поскольку данной величины тока хватает для того чтобы светодиод светился, то что бы избежать этого, нужно просто параллельно светодиоду подсоединить сопротивление на 2…3 кОм.

В случае превышения потенциала, поступающего на управляющий вывод, больше 2,5 В, микросхема TL431 откроется и HL1 начнет гореть. Сопротивление R3 создает нужное ограничение тока, протекающий через HL1 и стабилитрон TL431. Максимальный ток проходящий через стабилитрон TL431 находится в районе 100 мА. Но у светодиода максимально допустимый ток составляет всего 20 мА. Поэтому в цепь светодиода необходимо добавить токоограничивающий резистор R3. Его сопротивление можно рассчитать по формуле:

R3 = (Uпит. – Uh1 – Uda)/Ih1

где Uпит. – напряжение питания; Uh1 – падение напряжения на светодиоде; Uda – напряжение на открытом TL431 (около 2 В); Ih1 – необходимый ток для светодиода (5…15мА). Также необходимо помнить, что для стабилитрона TL431 максимально допустимое напряжение составляет 36 В.

Величина напряжения Uз при котором срабатывает сигнализатор (светится светодиод), определяется делителем на сопротивлениях R1 и R2. Его параметры можно подсчитать по формуле:

R2 = 2,5 х Rl/(Uз — 2,5)

Если необходимо точно выставить уровень срабатывания, то необходимо на место сопротивления R2 установить подстроечный резистор, с бОльшим сопротивлением. После окончания точной настройки, данный подстроичник можно заменить на постоянный.

Иногда необходимо проверять несколько значений напряжения. В таком случае понадобятся несколько подобных сигнализатора на TL431 настроенных на свое напряжение.

Проверка исправности TL431

Вышеприведённой схемой можно проверить TL431, заменив R1 и R2 одним переменным резистором на 100 кОм. В случае, если вращая движок переменного резистора светодиод засветится , то TL431 исправен.

Индикатор низкого напряжения

Разница данной схемы от предшествующей в том, что светодиод подключен по-иному. Данное подключение именуется инверсным, так как светодиод светится только когда микросхема TL431 заперта.

Если же контролируемое значение напряжения превосходит уровень, определенный делителем Rl и R2, микросхема TL431 открывается, и ток течет через сопротивление R3 и выводы 3-2 микросхемы TL431. На микросхеме в этот момент существует падение напряжения около 2В, и его явно не хватает для свечения светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его цепь дополнительно включены 2 диода.

Читайте так же:
Устройство и основные регулировки дискового лущильника или бороны

В момент, когда исследуемая величина окажется меньше порога определенного делителем Rl и R2, микросхема TL431 закроется, и на ее выходе потенциал будет значительно выше 2В, вследствие этого светодиод HL1 засветится.

Индикатор изменения напряжения

Если необходимо следить всего лишь за изменением напряжения, то устройство будет выглядеть следующим образом:

В этой схеме использован двухцветный светодиод HL1. Если потенциал ниже порога установленного делителем R1 и R2, то светодиод горит зеленым цветом, если же выше порогового значения, то светодиод горит красным цветом. Если же светодиод совсем не светится, то это означает что контролируемое напряжение на уровне заданного порога (0,05…0,1В).

Работа TL431 совместно с датчиками

Если необходимо отслеживать изменение какого-нибудь физического процесса, то в этом случае сопротивление R2 необходимо поменять на датчик, характеризующейся изменением сопротивления вследствие внешнего воздействия.

Пример такого модуля приведен ниже. Для обобщения принципа работы на данной схеме отображены различные датчики. К примеру, если в качестве датчика применить фототранзистор, то в конечном итоге получится фотореле, реагирующее на степень освещенности. До тех пор пока освещение велико, сопротивление фототранзистора мало.

Вследствие этого напряжение на управляющем контакте TL431 ниже заданного уровня, из-за этого светодиод не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление фототранзистора. По этой причине увеличивается потенциал на контакте управления стабилитрона TL431. При превышении порога срабатывания (2,5В) HL1 загорается.

Данную схему можно использовать как датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно подсоединить два нержавеющих электрода, которые втыкают в землю на небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию микросхемы TL431, светодиод загорается.

Если же в качестве датчика применить терморезистор, то можно сделать из данной схемы термостат. Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством резистора R1.

TL431 в схеме со звуковой индикацией

Помимо приведенных световых устройств, на микросхеме TL431 можно смастерить и звуковой индикатор. Схема подобного устройства приведена ниже.

Данный звуковой сигнализатор можно применить в качестве контроля за уровнем воды в какой-либо емкости. Датчик представляет собой два нержавеющих электрода расположенных друг от друга на расстоянии 2-3 мм.

Как только вода коснется датчика, сопротивление его понизится, и микросхема TL431 войдет в линейный режим работы через сопротивления R1 и R2. В связи с этим появляется автогенерация на резонансной частоте излучателя и раздастся звуковой сигнал.

Читайте так же:
Синхронизация не удалась через айтюнс

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

рис. 2.83

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление Rб, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а). рис. 2.84 а
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем. рис. 2.84 б
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для iR2 в предыдущее уравнение, получим − uст/ R3· R2= uст – uвых. Следовательно, uвых = uст· ( 1 + R2/ R3)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение uст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector