Аналог потужного стабілітрона як тестове навантаження для перевірки зарядних пристроїв автомобільних акумуляторів. Напівпровідникові аналоги стабілітронів

Для стабілізації напруги живлення навантаження нерідко користуються найпростішим стабілізатором – параметричним (Рис. 1), В якому живлення від випрямляча надходить через баластовий резистор, а паралельно навантаженні включають стабілітрон.
Подібний стабілізатор працездатний при струмах навантаження, що не перевищують максимального струму стабілізації даного стабілітрона. А якщо струм навантаження значно більший, користуються потужнішим стабілітроном, наприклад, серії Д815, що допускає струм стабілізації 1...1,4 А.
За відсутності такого стабілітрона підійде малопотужний, але використовувати його потрібно в парі з потужним транзистором, як показано на Мал. 2.У результаті виходить аналог потужного стабілітрона, що забезпечує навантаження досить стабільну напругу навіть при струмі 2 Ахоча максимальний струм стабілізації вказаного на схемі стабілізатора КС147Аскладає 58 мА.

Працює аналог так. Поки напруга живлення, що надходить від випрямляча, менше напруги пробою стабілітрона, транзистор закритий, струм через аналог незначний (пряма горизонтальна гілка вольт-амперної характеристики аналога, наведеної на Мал. 4). При збільшенні напруги живлення стабілітрон пробивається, через нього починає протікати струм і транзистор відкривається (вигнута частина характеристики) Подальше збільшення напруги живлення призводить до різкого зростання струму через стабілітрон і транзистор, а значить, до стабілізації вихідної напруги на певному значенні (вертикальна гілка характеристики), як і у звичайному параметричному стабілізаторі.
Ефект стабілізації досягається завдяки тому, що в режимі пробою стабілітрон має малий диференціальний опір і з колектора транзистора на його базу здійснюється глибока негативна Зворотній зв'язок. Тому при зменшенні вихідної напруги зменшуватиметься струм через стабілітрон і базу транзистора, що призведе до значно більшого (у h 21Ераз) зменшення колекторного струму, а отже, до збільшення вихідної напруги. При збільшенні вихідної напруги буде спостерігатися зворотний процес.

значення стабілізованої вихідної напруги визначають підсумовуванням напруги стабілізації стабілітрона з напругою емітерного переходу відкритого транзистора (» 0,7 Вдля кремнієвого транзистора та » 0,3 Вдля германієвого). Максимальний струм стабілізації аналога буде практично в h 21Еразів перевищувати такий самий параметр використовуваного стабілітрона. Відповідно в стільки ж разів буде більша і потужність розсіювання на транзисторі в порівнянні з потужністю на стабілітроні.
З наведених співвідношень неважко зробити висновок, що статичний коефіцієнт передачі потужного транзистораповинен бути не меншим від розподілу максимального струму споживання навантаження до максимального струму стабілізації стабілітрона. Максимально допустимий струм колектора транзистора та напруга між колектором та емітером повинні перевищувати відповідно заданий струм стабілізації аналога та вихідна напруга.
При використанні транзистора структури р-п-рйого слід підключати відповідно до наведеної на Мал. 3схемою. У цьому варіанті транзистор можна зміцнити безпосередньо на шасі конструкції, що живиться, а інші деталі аналога змонтувати на висновках транзистора.

Для зниження пульсацій вихідної напруги та зменшення диференціального опору аналога паралельно висновкам стабілітрону можна включити оксидний конденсатор ємністю 100...500 мкФ.
На закінчення трохи про температурний коефіцієнт напруги (ТКН)аналога. При використанні прецизійних стабілітронів серій Д818, КС191, ТКНаналога буде значно гірше ТКНстабілітрона. Якщо застосований стабілітрон з напругою стабілізації більше 16, ТКНаналога буде приблизно дорівнює ТКНстабілітрона, а зі стабілітронами Д808 - Д814 ТКНаналога покращиться.

Стабілітрони (діоди Зенера, Z-діоди) призначені для стабілізації напруги, режимів роботи різних вузлів радіоелектронної апаратури. Принцип роботи стабілітрона заснований на явищі зенеровського пробою. п-р переходу. Цей вид електричного пробою відбувається у зворотно-зміщених напівпровідникових переходах зі збільшенням напруги вище деякої критичної позначки. Крім зенеровського пробою відомий і використовується для стабілізації напруги лавинний пробій. Типові залежності струму через напівпровідниковий прилад (стабілітрон) від величини прикладеної прямої або зворотної напруги (вольт-амперні характеристики, ВАХ) наведені на рис. 1.1.

Прямі гілки ВАХ різних стабілітронів практично збігаються (рис. 1.1), а зворотна гілка має індивідуальні особливості для кожного типу стабілітронів. Ці параметри: напруга стабілізації; мінімальний та максимальний струм стабілізації; кут нахилу ВАХ, що характеризує величину динамічного опору стабілітрона (його «якість»);

максимальна потужність розсіювання; температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) використовують для розрахунків схем.

Типова схема включення стабілітрону показана на рис. 1.2. Значення опору, що гасить, R1 (у ком) обчислюють за формулою:

Для стабілізації напруги змінного струмуабо симетричного обмеження його амплітуди на рівні UCT використовують симетричні стабілітрони (рис. 1.3), наприклад типу КС 175. Такі стабілітрони можна використовувати для стабілізації напруги постійного струмувключаючи їх без дотримання полярності. Отримати "симетричний" стабілітрон можна з двох "несиметричних", включивши їх зустрічно за схемою, наведеною на рис. 1.4.

Вироблені напівпровідникові промислові стабілітрони дозволяють стабілізувати напругу в широких межах: від 3,3 до 180 В. Так, існують стабілітрони, що дозволяють стабілізувати низька напруга: 3,3; 3,9; 4,7; 5,6 - це КС133, КС139, КС147, КС156 і т.д. При необхідності отримати нестандартна напругастабілізації, наприклад, 6,6, можна включити послідовно два стабілітрони КС133. Для трьох таких стабілітронів напруга стабілізації складе 9,9 В. Для напруги стабілізації 8,0 В можна використовувати поєднання стабілітронів КС133 і КС147 (тобто 3,3+4,7 В) або стабілітрон КС175 і кремнієвий діод (КД503) у прямому напрямку (тобто 7,5+0,5).

У ситуаціях, коли потрібно отримати стабільну напругу завбільшки менше 2...3 В, використовують стабистори — напівпровідникові діоди, що працюють на прямій гілки ВАХ (рис. 1.1).

Зазначимо, що замість стабісторів можна з успіхом використовувати звичайні германієві (Ge), кремнієві (Si), селенові (Se), арсенід-галієві (GaAs) та інші напівпровідникові діоди (рис. 1.5). Напруга стабілізації в залежності від величини струму, що протікає через діод, становитиме: для германієвих діодів - 0,15 ... 0,3 б; для кремнієвих - 0,5 ... 0,7 Ст.

Особливо цікавим є застосування з метою стабілізації напруги світловипромінюючих діодів (рис. 1.6) [Р 11/83-40].

Світлодіоди можуть виконувати одночасно дві функції: своїм світінням індикувати наявність напруги та стабілізувати його величину на рівні 1,5...2,2 В. Напругу стабілізації світлодіодів UCT можна визначити за наближеною формулою: L/Cr=1236/Л. (В), де X - довжина хвилі випромінювання світлодіода в нм [Рл 4/98-32].

Для стабілізації напруги може бути використана зворотна гілка ВАХ напівпровідникових приладів (діодів та транзисторів) спеціально для цих цілей не призначених (рис. 1.7, 1.8, а також рис. 20.7). Ця напруга (напруга лавинного пробою) зазвичай перевищує 7 байт і не відрізняється високою повторюваністю навіть для напівпровідникових приладів одного типу. Для уникнення теплового пошкодження напівпровідникових приладів при такому незвичайному режимі їх експлуатації струм через них не повинен перевищувати частки міліампера. Так, для діодів Д219, Д220 напруга пробою (напруга стабілізації) може перебувати в межах від 120 до 180 [Р 9/74-62; Р 10/76-46; Р 12/89-65].

Для стабілізації малої напруги використовують схеми, представлені на рис. 1.9 - 1.12. У схемі (рис. 1.9) [Горошков Б.І.] використано «діодне» паралельне включення двох кремнієвих транзисторів. Напруга стабілізації цієї схеми дорівнює 0,65...0,7 для кремнієвих транзисторів і близько 0,3 - для германієвих. Внутрішній опір такого аналога стабістора вбирається у 5... 10 Ом при коефіцієнті стабілізації до 1000...5000. Однак при зміні температури довкіллянестабільність вихідної напруги схеми становить близько 2 мВ за кожний градус.

У схемі на рис. 1.10 [Р 6/69-60; ВРЯ 84-9] використано послідовне включення германієвого та кремнієвого транзисторів. Струм навантаження цього аналога стабілітрона може становити 0,02... 10 мА. Пристрої показані на рис. 1.11 та 1.12 [Рл 1/94-33], використовують зустрічне включення транзисторів структури р-п-рі п-р-п і відрізняються лише тим, що для підвищення вихідної напруги в одній із схем між базами транзисторів включений кремнієвий діод (один або декілька). Струм стабілізації аналогів стабілітронів (рис. 1.11, 1.12) може бути в межах 0,1...100 мА, диференціальний опір на робочій ділянці ВАХ не перевищує 15 Ом.

Стабілізувати малі напруги можна і за допомогою польових транзисторів(Рис. 1.13, 1.14). Коефіцієнт стабілізації таких схем дуже високий: для однотранзисторної схеми (рис. 1.13) досягає 300 при напрузі живлення 5... 15, для двотранзисторної (рис. 1.14) в тих же умовах перевищує 1000 [Р 10/95-55]. Внутрішній опір цих аналогів стабілітронів становить, відповідно, 30 Ом та 5 Ом.

Стабілізатор напруги можна отримати з використанням як стабілітрон аналога диністора (рис. 1.15, см також розділ 2) [Горошков Б.І.].

Для стабілізації напруги при великих струмаху навантаженні використовують складніші схеми, представлені на рис. 1.16 - 1.18 [Р 9/89-88, Р 12/89-65]. Для збільшення струму навантаження необхідно використовувати потужні транзистори, встановлені на тепловідведення.

Стабілізатор напруги, що працює в широкому діапазоні зміни напруги живлення (від 4,5 до 18 6), і має значення вихідної напруги, трохи відрізняється від нижньої межі напруги живлення, показаний на рис. 1.19 [Горошков Б.І.].

Розглянуті раніше види стабілітронів та їх аналогів не дозволяють плавно регулювати напругу стабілізації. Для вирішення цього завдання використовуються схеми регульованих паралельних стабілізаторів, аналогічних стабілітронів (рис. 1.20, 1.21).

Аналог стабілітрону (рис. 1.20) дозволяє плавно змінювати вихідну напругу в межах від 2,1 до 20 В [Р 9/86-32]. Динамічне опір такого «стабілітрона» при струмі навантаження до 5 мА становить 20...50 Ом. Температурна стабільність низька (-3x10"3 1/°С).

Низьковольтний аналог стабілітрону (рис. 1.21) дозволяє встановити будь-яку вихідну напругу в межах від 1,3 до 5 В . Напруга стабілізації визначається співвідношенням резисторів R1 та R2. Вихідний опір такого паралельного стабілізатора при напрузі 3,8 близько до 1 Ом. Вихідний струм визначається параметрами вихідного транзистора і КТ315 може досягати 50... 100 мА.

Оригінальні схеми отримання стабільної вихідної напруги наведено на рис. 1.22 та 1.23. Пристрій (рис. 1.22) є аналогом симетричного стабілітрона [Е 9/91]. Для низьковольтного стабілізатора (рис. 1.23) коефіцієнт стабілізації напруги дорівнює 10 вихідний струм не перевищує 5 мА, а вихідний опір змінюється в межах від 1 до 20 Ом .

Аналог низьковольтного стабілітрону диференціального типу на рис. 1.24 має підвищену стабільність [Р 6/69-60]. Його вихідна напруга мало залежить від температури і визначається різницею напруги стабілізації двох стабілітронів. Підвищена температурна стабільність пояснюється тим, що при зміні температури напруга на обох стабілітронах змінюється одночасно і близькою пропорцією.

Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книга 1), 2003 рік

При переробці комп'ютерних імпульсних блоків живлення (далі - ДБЖ) під зарядні пристрої автомобільних акумуляторів, готові вироби потрібно чимось навантажувати. Спочатку це була стара акумуляторна батареяз автомобільною лампою 12В 40/45Вт.

Перероблені ДБЖ трималися під максимальним навантаженням протягом дня. Але після виготовлення десятого пристрою акумулятор помер, замкнули між собою пластини. Спроба навантажувати ДБЖ потужними лампами або резисторами не радувала, оскільки при різних струмахнавантаження на виході отримуємо різну напругу, не зручно налаштовувати ДБЖ.

Тому прийнято рішення виготовити аналог потужного стабілітрона з регульованою напругоюстабілізації!

Схема та опис конструкції

Резистором R6 можна регулювати напругу стабілізації від 6 до 16 Ст.

Було виготовлено два такі пристрої. У першому варіанті як транзисторів VT1 і VT2 застосовані КТ803, але внутрішній опір було занадто велике, так при струмі 2 А напруга стабілізації склала 12, а при 8 А - 16 В.

У другому варіанті використані складові транзистори КТ827, так при струмі 2 А напруга стабілізації склала 12, а при 10 А - 12,4 В.

Колектори транзисторів VT1 та VT2 електрично можна з'єднати з корпусом. Вентилятор М1 служить для охолодження радіатора, на якому встановлені транзистори VT1 ​​і VT2 при замиканні контактів вимикача SA1 збільшується продуктивність вентилятора. Світлодіод HL1 служить для індикації роботи пристрою.

Сам пристрій зібраний у корпусі від комп'ютерного блоку живлення, використаний штатний вентилятор М1, транзистори VT1 ​​та VT2 встановлені на радіаторі площею не менше 250 см кв. Діод VD1 на струм 10 – 20 А служить захисту схеми від переполюсовки. Стабілітрон VD1 на напругу стабілізації 3 - 6 ст.

Налаштування

Після перевірки правильності монтажу, аналог потужного стабілітрону підключають до джерела струму на 1 - 2 А і резистором R6 встановлюють напругу для розрядженого кислотного акумулятора, скажімо 11 В. Збільшують струм до 10 - 12 А, при цьому напруга не повинна зрости більш ніж на 0, 5 Ст.

Аналог потужного стабілітрона.

Для стабілізації напруги живлення навантаження нерідко користуються найпростішим стабілізатором – параметричним (Рис. 1), В якому живлення від випрямляча надходить через баластовий резистор, а паралельно навантаженні включають стабілітрон.
Подібний стабілізатор працездатний при струмах навантаження, що не перевищують максимального струму стабілізації даного стабілітрона. А якщо струм навантаження значно більший, користуються потужнішим стабілітроном, наприклад, серії Д815, що допускає струм стабілізації 1...1,4 А.
За відсутності такого стабілітрона підійде малопотужний, але використовувати його потрібно в парі з потужним транзистором, як показано на Мал. 2.У результаті виходить аналог потужного стабілітрона, що забезпечує на навантаженні досить стабільну напругу навіть за струму. 2 Ахоча максимальний струм стабілізації вказаного на схемі стабілізатора КС147Аскладає 58 мА.
Працює аналог так. Поки напруга живлення, що надходить від випрямляча, менше напруги пробою стабілітрона, транзистор закритий, струм через аналог незначний (пряма горизонтальна гілка вольт-амперної характеристики аналога, наведеної на Мал. 4). При збільшенні напруги живлення стабілітрон пробивається, через нього починає протікати струм і транзистор відкривається (вигнута частина характеристики) Подальше збільшення напруги живлення призводить до різкого зростання струму через стабілітрон і транзистор, а значить, до стабілізації вихідної напруги на певному значенні (вертикальна гілка характеристики), як і у звичайному параметричному стабілізаторі.
Ефект стабілізації досягається завдяки тому, що в режимі пробою стабілітрон має малий диференціальний опір і з колектора транзистора на його базу здійснюється глибокий негативний зворотний зв'язок. Тому при зменшенні вихідної напруги зменшуватиметься струм через стабілітрон і базу транзистора, що призведе до значно більшого (у h 21Ераз) зменшення колекторного струму, а отже, до збільшення вихідної напруги. При збільшенні вихідної напруги буде спостерігатися зворотний процес.
Значення стабілізованої вихідної напруги визначають підсумовуванням напруги стабілізації стабілітрона з напругою емітерного переходу відкритого транзистора (» 0,7 Вдля кремнієвого транзистора та » 0,3 Вдля германієвого). Максимальний струм стабілізації аналога буде практично в h 21Еразів перевищувати такий самий параметр використовуваного стабілітрона. Відповідно в стільки ж разів буде більша і потужність розсіювання на транзисторі в порівнянні з потужністю на стабілітроні.
З наведених співвідношень неважко зробити висновок, що статичний коефіцієнт передачі потужного транзистора повинен бути не меншим від приватного від поділу максимального струму споживання навантаження до максимального струму стабілізації стабілітрона. Максимально допустимий струм колектора транзистора та напруга між колектором та емітером повинні перевищувати відповідно заданий струм стабілізації аналога та вихідну напругу.
При використанні транзистора структури р-п-рйого слід підключати відповідно до наведеної на Мал. 3схемою. У цьому варіанті транзистор можна зміцнити безпосередньо на шасі конструкції, що живиться, а інші деталі аналога змонтувати на висновках транзистора.
Для зниження пульсацій вихідної напруги та зменшення диференціального опору аналога паралельно висновкам стабілітрону можна включити оксидний конденсатор ємністю 100...500 мкФ.
На закінчення трохи про температурний коефіцієнт напруги (ТКН)аналога. При використанні прецизійних стабілітронів серій Д818, КС191, ТКНаналога буде значно гірше ТКНстабілітрона. Якщо застосований стабілітрон з напругою стабілізації більше 16, ТКНаналога буде приблизно дорівнює ТКНстабілітрона, а зі стабілітронами Д808 - Д814 ТКНаналога покращиться.

Для стабілізації напруги живлення навантаження нерідко користуються найпростішим стабілізатором - параметричним (Рис. 1), В якому живлення від випрямляча надходить через баластовий резистор, а паралельно навантаженні включають стабілітрон.
Подібний стабілізатор працездатний при струмах навантаження, що не перевищують максимального струму стабілізації даного стабілітрона. А якщо струм навантаження значно більший, користуються потужнішим стабілітроном, наприклад, серії Д815, що допускає струм стабілізації 1 ... 1,4 А.
За відсутності такого стабілітрона підійде малопотужний, але використовувати його потрібно в парі з потужним транзистором, як показано на Мал. 2.У результаті виходить аналог потужного стабілітрона, що забезпечує на навантаженні досить стабільну напругу навіть за струму. 2 Ахоча максимальний струм стабілізації вказаного на схемі стабілізатора КС147Аскладає 58 мА.

Працює аналог так. Поки напруга живлення, що надходить від випрямляча, менше напруги пробою стабілітрона, транзистор закритий, струм через аналог незначний (пряма горизонтальна гілка вольт-амперної характеристики аналога, наведеної на Мал. 4). При збільшенні напруги живлення стабілітрон пробивається, через нього починає протікати струм і транзистор відкривається (вигнута частина характеристики) Подальше збільшення напруги живлення призводить до різкого зростання струму через стабілітрон і транзистор, а значить, до стабілізації вихідної напруги на певному значенні (вертикальна гілка характеристики), як і у звичайному параметричному стабілізаторі.
Ефект стабілізації досягається завдяки тому, що в режимі пробою стабілітрон має малий диференціальний опір і з колектора транзистора на його базу здійснюється глибокий негативний зворотний зв'язок. Тому при зменшенні вихідної напруги зменшуватиметься струм через стабілітрон і базу транзистора, що призведе до значно більшого (у h 21Ераз) зменшення колекторного струму, а отже, до збільшення вихідної напруги. При збільшенні вихідної напруги буде спостерігатися зворотний процес.

значення стабілізованої вихідної напруги визначають підсумовуванням напруги стабілізації стабілітрона з напругою емітерного переходу відкритого транзистора (» 0,7 Вдля кремнієвого транзистора та » 0,3 Вдля германієвого). Максимальний струм стабілізації аналога буде практично в h 21Еразів перевищувати такий самий параметр використовуваного стабілітрона. Відповідно в стільки ж разів буде більша і потужність розсіювання на транзисторі в порівнянні з потужністю на стабілітроні.
З наведених співвідношень неважко зробити висновок, що статичний коефіцієнт передачі потужного транзистора повинен бути не меншим від приватного від поділу максимального струму споживання навантаження до максимального струму стабілізації стабілітрона. Максимально допустимий струм колектора транзистора та напруга між колектором та емітером повинні перевищувати відповідно заданий струм стабілізації аналога та вихідну напругу.
При використанні транзистора структури р-п-рйого слід підключати відповідно до наведеної на Мал. 3схемою. У цьому варіанті транзистор можна зміцнити безпосередньо на шасі конструкції, що живиться, а інші деталі аналога змонтувати на висновках транзистора.

Для зниження пульсацій вихідної напруги та зменшення диференціального опору аналога паралельно висновкам стабілітрону можна включити оксидний конденсатор ємністю 100...500 мкФ.
На закінчення трохи про температурний коефіцієнт напруги (ТКН)аналога. При використанні прецизійних стабілітронів серій Д818, КС191, ТКНаналога буде значно гірше ТКНстабілітрона. Якщо застосований стабілітрон з напругою стабілізації більше 16, ТКНаналога буде приблизно дорівнює ТКНстабілітрона, а зі стабілітронами Д808 - Д814 ТКНаналога покращиться.