Транзисторний стабілітрон. Напівпровідникові аналоги стабілітронів. Аналог потужного стабілітрона як тестове навантаження для перевірки зарядних пристроїв автомобільних акумуляторів
При переробці комп'ютерних імпульсних блоків живлення (далі – ДБЖ) під зарядні пристрої автомобільних акумуляторів, готові вироби необхідно 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, тому що при різних струмахнавантаження на виході отримуємо різну напругу, не зручно налаштовувати ДБЖ.
Якщо транзистор використовується з його базовим розімкненим контуром, шлях колектора до емітера діє як стабілітрон, провідний послідовно зі звичайним діодом. Таким чином, коли базовий струм дорівнює нулю, транзистор пропускає лише невеликий струм витоку. Коли напруга колектора перевищує кілька сотень мілівольт, струм колектора майже прямо пропорційний базовим струмам мало залежить від значення напруги колектора.
Таким чином, пристрій можна використовувати як генератор постійного струмушляхом подачі фіксованого струму зсуву в базу або може використовуватися як лінійний підсилювач шляхом накладання вхідного сигналу номінальний вхідний струм. Транзистор може використовуватися в різних конфігураціях базової схеми, а частина цього початкового епізоду, що залишилася, представляє короткий огляднайважливіші з них.
Тому прийнято рішення виготовити аналог потужного стабілітроназ регульованою напругою стабілізації!
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.
Для використання в цьому додатку підходить лише зворотне усунення базового емітерного переходу транзистора. На малюнку 9 показаний транзистор, який використовується як простий електронний перемикач або цифровий перетворювач. Коли вхідна напруга дорівнює нулю, транзистор відключається і через навантаження пропускається нульовий струм, тому між колектором і емітером з'являється повна напруга живлення. Коли вхідний сигнал високий, транзисторний перемикач повністю включається, і максимальний струм протікає в навантаженні, і між колектором та емітером утворюється лише кілька сотень мілівольт.
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.
Вихідна напруга таким чином є інвертованою формою вхідного сигналу. Основна схема рис. 9 призначена для використання як простий цифровий перемикач або інвертор, що управляє виключно резистивним навантаженням. Транзистор може використовуватися як лінійний підсилювач струму або напруги шляхом подачі в його базу відповідного струму зсуву і подальшого застосування вхідного сигналу між відповідною парою клем. У цьому випадку транзистор може використовуватися в будь-якому з трьох основних режимів роботи, кожен із яких забезпечує унікальний набір характеристик.
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 струм 10 – 20 А служить захисту схеми від переполюсовки. Стабілітрон VD1 на напругу стабілізації 3 - 6 ст.
Налаштування
Після перевірки правильності монтажу аналог потужного стабілітрона 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.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 зворотному 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.
Ці три режими відомі як "загальний емітер", "загальна база" та "загальний колектор". Вхідний сигнал подається між базою транзистора та емітером через конденсатор, а вихідний сигнал береться між колектором і емітером. Ця схема дає вхідний імпеданс середнього значення та досить високе загальне посилення напруги. Ця схема має гарне посилення напруги, майже струмовий коефіцієнт посилення та дуже низький вхідний імпеданс. Вхідний сигнал подається між базою та землею, а неперевернутий вихід береться між емітером та землею.
Ця схема дає майже єдине загальне посилення напруги, яке вихід «слід» вхідному сигналу. Діаграма малюнку 15 підсумовує характеристики трьох базових змін підсилювача. Таким чином, підсилювач із загальним колектором дає майже єдине загальне посилення напруги та високий вхідний імпеданс, у той час як підсилювачі із загальним емітером та загальною основоюдають високі значення коефіцієнта посилення напруги, але мають середні та низькі значення вхідного імпедансу.
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);
На малюнку 16 показано - у базовій формі - як пара підсилювачів базового типуРис. 11 може бути об'єднана разом для створення «диференціального» підсилювача або «довгохвості пари», який генерує вихідний сигнал, який пропорційний різниці між двома вхідними сигналами.
Якщо в наведеній вище схемі висхідна вхідна напруга подається тільки на вхід одного транзистора, воно зменшує вихідна напругацього транзистора і збільшує вихідну напругу іншого транзистора на аналогічну величину, тим самим даючи великий диференціал вихідну напругу між двома колекторами. З іншого боку, якщо ідентичні сигнали подаються на входи обох транзисторів, обидва колектори будуть рухатися однаковими кількостями, і, таким чином, генеруватиме схема нульовий диференціальний вихідний сигнал.
максимальна потужність розсіювання; температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) використовують для розрахунків схем.
Типова схема включення стабілітрона показана на рис. 1.2. Значення опору, що гасить, R1 (у ком) обчислюють за формулою:
Схема та опис конструкції
Таким чином, схема створює вихідний сигнал, який пропорційний різниці між двома вхідними сигналами. По суті, мультивібратор є двоциліндровою. цифрову схемуяка може бути переключена з виходу на високий вихідний стан або навпаки, за допомогою тригерного сигналу, який може бути отриманий із зовнішнього джерела або через автоматичний або ініційований механізм синхронізації. Транзистори можуть використовуватися в чотирьох основних типах мультивібраторних ланцюгів, як показано на рисунках 18 по 21.
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 струму, включаючи їх без дотримання полярності. Отримати "симетричний" стабілітрон можна з двох "несиметричних", включивши їх зустрічно за схемою, наведеною на рис. 1.4.
Схема 18 являє собою простий бінативний мультивібратор з поперечним з'єднанням з ручним приводом, в якому базове зміщення кожного транзистора походить з колектора іншого, так що один транзистор автоматично відключається, коли інший вмикається, і навпаки.
На малюнку 19 показана - базової формі - моностабільна мультивібраторна або однотактна схема генератора імпульсів. В принципі, ця схема діє як пара крос-пов'язаних моностабільних ланцюгів, які автоматично послідовно запускають один одного.
Випускаються промислово напівпровідникові 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 стабілітрона КС133. Для трьох таких стабілітронів напруга стабілізації становитиме 9,9 В. Для напруги стабілізації 8,0 В можна використовувати поєднання стабілітронів КС133 та КС147 (тобто 3,3+4,7 В) або стабілітрон КС175 та кремнієвий діод (КД503) у прямому напрямку (тобто 7,5+0,5).
Діяльність: стабілітрон
Якщо два періоди часу не є ідентичними, схема генерує асиметричний вихідний сигнал. Зрештою, на рис. 21 показана базова схема тригера Шмітта або синус-квадрата схема перетворювача сигналів. Мета цієї лабораторної діяльності - вивчити використання діодів Зенера для побудови схеми, яка забезпечує постійну або регульовану вихідну напругу в діапазоні вхідних напруг та струмів навантаження.
Регулятор напруги - це схема, що використовується для підтримки постійної вихідної напруги при навантаженні, що не залежить від змін струму навантаження. Наприклад, «навантаження» може бути системою на базі мікроконтролера, яка потребує постійної напругихарчування, навіть якщо поточний попит залежить від активності системи.
У ситуаціях, коли потрібно отримати стабільну напругу завбільшки менше 2...3, використовують стабістори — напівпровідникові діоди, що працюють на прямій гілки ВАХ (рис. 1.1).
Зазначимо, що замість стабісторів можна успішно 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.
Рисунок 1 Регулятор стабілітрона. Виміряйте та повідомте про опір, до якого ви встановили потенціометр. Обов'язково налаштуйте діапазон горизонтальної напруги та усунення, щоб увімкнути напругу пробою 1 вольт. Обговоріть ваші результати, зокрема те, як стабілітрон подібний і відрізняється від звичайного діода.
Також схема дуже неефективна для менших струмів навантаження по відношенню до максимуму в тому, що надлишковий струм тече в зенері, коли поточна в навантаженні немає. Увімкнення випромінювача-емітера або підсилювача струмового слідкуючого струму Дарлінгтона може значно підвищити ефективність цієї схеми регулятора, як показано на малюнку. Рисунок 2, Додавання поточного підсилювача.
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. Напруга 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].
Доки напруга акумулятора ніколи не опуститься нижче 7 вольт, завжди буде близько 7 вольт, скинуте через «стек» з десятьма діодами. Якщо потрібні великі регульована напруга, ми можемо або використовувати більше діодів послідовно, або спробувати інший підхід. Ми знаємо, що пряма напругадіода є досить постійною величиною в широкому діапазоні умов, але також є зворотною напругою пробою, а напруга пробою зазвичай набагато більша, ніж пряма напруга.
Якби ми змінили полярність діода в нашій схемі з одним діодним регулятором і збільшили напругу живлення до точки, де діод «зламався», діод аналогічним чином регулюватиме напругу в цій точці пробою, не дозволяючи йому збільшуватися далі як на малюнку.
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 часток 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].
Символ для стабілітрона. На жаль, коли нормальні діоди, що випрямляють, «ламаються», вони зазвичай роблять це руйнівно. Проте можна побудувати спеціальний тип діода, який може обробляти розбивку без збоїв. Цей тип діода називається стабілітроном, яке символ виглядає як малюнок.
При прямому зміщенні стабілітрони поводяться так само, як стандартні випрямні діоди: вони мають пряме падіння напруги, яке слідує за «діодним рівнянням» і становить близько 7 вольт. У режимі зворотного зміщення вони не проводять до тих пір, поки прикладена напруга не досягне або не досягне так званої напруги зенера, і в цей момент діод здатний провести значний струм, і при цьому намагатиметься обмежити падіння напруги на ньому ця точка стабілітрона. Поки що потужність, що розсіюється цим зворотним струмом, що не перевищує теплові межі діода, діод не буде пошкоджений.
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 кожен градус.
Зенерівські діоди виготовляються з напругою зенера в діапазоні від декількох вольт до сотень вольт. Ця напруга стабілітрона змінюється незначно з температурою і, як значення загального резистора композитного складу, може становити від 5 до 10 відсотків помилково від характеристик виробника. Однак ця стабільність і точність зазвичай досить хороші для використання стабілітрона як пристрій регулятора напруги в загальній схемі живлення на малюнку.
Будь ласка, зверніть увагу на орієнтацію стабілітрона у наведеній вище схемі: діод має зворотну спрямованість і навмисно. Якби ми орієнтували діод на «нормальний» спосіб, щоб бути спрямованим уперед, він зменшував би лише 7 вольт, як звичайний діод, що випрямляє. Якщо хочемо використовувати властивості зворотного пробою діода, ми маємо працювати у режимі зворотного усунення. Поки напруга живлення залишається вище напруги стабілітрону, напруга, що падає на стабілітрон, залишиться приблизно на 6 вольт.
У схемі 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 кілька). 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.
Як і будь-який напівпровідниковий пристрій, стабілітрон чутливий до температури. Надмірна температура зруйнує стабілітрон, і оскільки як знижує напругу, так і проводить струм, він виробляє власне тепло відповідно до закону Джоуля. Тому необхідно бути обережним, щоб спроектувати схему регулятора таким чином, щоб не перевищувала номінальну потужність розсіювання діода. Цікаво відзначити, що коли стабілітрони зазнають невдачі через надмірну потужність, що розсіюється, вони зазвичай не замикаються, а відкриваються.
Стабілізувати малі напруження 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.
Не вдалося виявити діод таким чином, він легко виявляється: він падає майже на нульову напругу при зміщенні у будь-якому напрямку, як шматок дроту. Розглянемо математичну схему стабілітронного діода, визначаючи всі напруги, струми та розсіювані потужності.
Потужність розраховується шляхом множення струму на напругу, тому ми можемо легко розрахувати розсіювання потужності як резистора, так стабілітрона. Було б достатньо стабілітрон з потужністю 5 ват, оскільки резистор розрахований на 5 або 2 Вт дисипації.
Якщо надмірне розсіювання потужності шкідливе, чому б не спроектувати схему для найменшої кількості розсіювання? Чому б не просто встановити резистор на дуже високе значення опору, тим самим обмежуючи струм і зберігаючи показники розсіювання потужності дуже низькими? Візьміть цю схему, наприклад, із резистором 100 кОм замість резистора 1 кОм. Зверніть увагу, що напруга живлення, так і напруга стабілітрона діода на малюнку ідентичні останньому прикладу.
Стабілізатор напруги можна отримати з використанням як стабілітрон аналога диністора (рис. 1.15, см також розділ 2) [Горошков Б.І.].
Для стабілізації напруг 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 стабілітрона (рис. 1.20) дозволяє плавно змінювати вихідну напругу в межах від 2,1 до 20 [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 стабілітрона (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 стабілітрона 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 за зміни температури напруга на обох стабілітронах змінюється одночасно і в близькій пропорції.
Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книга 1), 2003 рік
