Parametrické

Parametrické stabilizátory

Parametrické stabilizátory využívají vhodného průběhu voltampérových charakteristik některých nelineárních prvků, kde při velké změně proudu nastává jen malá změna napětí (doutnavky, stabilizační nebo Zenerovy diody).

Zenerova dioda je součástka, u níž dochází v závěrném směru k rychlému nárůstu proudu při pomalém nárůstu napětí. Hodnota napětí, při kterém k tomuto jevu dochází, se nazývá Zenerovo napětí. Zenerovy diody se vyrábí s různými hodnotami výkonu 0,5 až 5W a napětím 0,8 až 200V.

Druh dotování polovodiče určuje výši průrazného napětí (Zenerova U_Z) v závěrném směru. Pro U_Z < 5V převládá Zenerův efekt – elektrické napětí vyrazí valenční elektrony, ty spolu s děrami tvoří průrazový proud. Pro U_Z > 7V vznikne lavinový efekt - elektrické napětí vyrazí vnitřní valenční elektrony.

Obr. 1: Zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou

Činnost stabilizátoru

Zvýšení napětí U₂ způsobí prudký nárůst proudu diodou v závěrném směru. V důsledku toho vznikne na rezistoru Rs větší úbytek napětí, který snižuje napětí U₂. Přesnější vysvětlení tohoto jevu je patrné z následujícího grafického vyjádření V-A charakteristiky diody a rezistoru Rs. Dioda pracuje v režimu daném pracovním bodem P₀, který určuje napětí na diodě a proud diodou v závěrném směru. Při změně napětí U₁ dojde i ke změně proudu Iz, pracovní bod P₀ se posune a napětí na diodě se změní o hodnotu ∆U_Z. Jak je patrné z obrázku, je změna napětí ∆U_Z podstatně menší než změna proudu ∆I_Z, a tedy i změna napětí ∆U₁.

VA-charakteristiku rezistoru Rs získáme ze dvou mezních stavů obvodu:

naprázdno: U₂ = U₁, I = 0

Obr. 2: Zapojení naprázdno

nakrátko: U₂ = 0, I_max = U₁/Rs

Obr. 3: Zapojení nakrátko

Velikost odporu Rs určíme ze vztahu:

Spojením obou bodů získáme V-A charakteristiku rezistoru. Tato protíná V-A charakteristiku diody v pracovním bodě P₀.

Obr. 4: V-A charakteristika Zenerovy diody

Činitel stabilizace se vypočítá podle vzorce:

Požadavky na konstrukci stabilizátoru se Zenerovou diodou

nesmí být překročen ztrátový výkon na diodě
ochranný odpor Rs omezí proud přes ZD
Rs musí být volen tak, aby ZD pracovala mezi I_Zmin a I_Zmax

Obvykle volíme proud diodou I_F > I₂ tak, aby při I₂ = 0 nebyla dioda přetížena nadměrnou hodnotou proudu I_F a naopak, aby při maximální hodnotě I₂ neklesl proud diodou pod minimální hodnotu, kdy začíná napětí na diodě v okolí kolena V-A charakteristiky prudce klesat. Při maximálním napětí na vstupu stabilizátoru a nulovém odebíraném proudu na výstupu musí téct diodou maximálně I_Zmax.

Řešený příklad

Navrhněte parametrický stabilizátor pro následující parametry:

I₂= 80mA, U₂ = 5V, U₁ = 12V.

Výběr Zenerovy diody:

Zenerovu diodu vybíráme podle doporučené relace I_F > I_2MAX, tj. například 100mA (v případech, kdy může dojít k odpojení zátěže, volíme I₂ = 0), a podle Zenerova napětí U_Z= U₂, například dioda BZX85V005.1
(U_z = 5,1V, I_zmax = 255mA, P_max = 1,3W).

Výpočet ztrátového výkonu na diodě:

P_ZD = U_Z . I_F = 5 . 0,1 = 0,5W.

Návrh hodnoty rezistoru Rs:

Rs = (U₁-U_z) / (I_F+I₂) = (12-5) / (0,1+0,08) = 38,8Ω

Zvolíme tedy hodnotu z řady El2 Rs = 39Ω.

Výpočet výkonové ztráty na rezistoru Rs:

P_Rs = (U₁- U_Z)² / R1= (12-5)² / 39 = 1,26W

Kontrola maximálního proudového a výkonového zatížení Zenerovy diody, které přichází v úvahu při I₂ = I_2min:

I_Fmax = I_F +I₂ = 0,1 + 0,08 = 0,18A

P_ZDmax= U_Z . I_Fmax = 5 . 0,18 = 0.9W < 1.3W.

Zdroje

AUTOR NEZNÁMÝ. Základní elektronické obvody [online]. [cit. 10.5.2015]. Dostupný na WWW: http://homen.vsb.cz/~sla10/Elektronika/Elektronika1.pdf
BRINDL, Pavel. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_05_ Stabilizátory. Přerov, 2013.

Obrázky

Obr. 1: Z archivu autora. Zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou.
Obr. 2: Z archivu autora. Zapojení naprázdno.
Obr. 3: Z archivu autora. Zapojení nakrátko.
Obr. 4: BRINDL, Pavel. V-A charakteristika Zenerovy diody. VY_32_inovace_03_ELE_3_ Elektronické obvody_05_ Stabilizátory. Přerov, 2013.

Metodika práce se systémem ELUC
Nastavení Cookies