Расчет стабилитрона 1.09.2007. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения
 Скачать 120 Kb.
|
|
РГЗ Стабилитрон Полупроводниковые стабилизаторы напряженияЗадача . Рассчитать простейшую схему параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне по заданным значениям входного напряжения Uвх, выходного напряжения, равного напряжению стабилизации стабилитрона Uвых = Uст и сопротивлению нагрузки Rн. Изобразить схему параметрического стабилитрона, состоящего из последовательного соединения балластного резистора RБ и стабилитрона VD. Выбрать тип стабилитрона, найти величину сопротивления балластного резистора и подобать его по справочнику, определить коэффициент стабилизации по напряжению Кстu, вычислить максимальное значение входного тока стабилизатора, соответствующее минимальному значению сопротивления нагрузки, определить максимальное входное напряжение. Таблица 2
Методические рекомендации Стабилитроны – это полупроводниковые приборы, работающие в режиме обратимого (лавинного или туннельного) пробоя. Условные графические изображения стабилитрона показаны на рис. 1, а. Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь вольт-амперной характеристики, которая соответствует обратимому пробою (см. лекции).  Рис. 1. Условные графические изображения (а) и обратные ветви вольт-амперной характеристики (б) стабилитронов Напряжение стабилизации стабилитрона зависит от температуры. На рис. 2 пунктирной линией показано смещение характеристик при увеличении температуры. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) определяется видом пробоя. У стабилитронов с напряжением стабилизации Uст > 5 В ТКН > 0, а у стабилитронов с напряжением стабилизации Uст < 5 В – ТКН < 0. При Uст = 5…6 В ТКН близок к нулю. Основные параметры стабилитронов (рис. 2): – напряжение стабилизации Uст; – минимальный Iстmin и максимальный Iстмаx токи стабилизации; – дифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитронаrд = U/I; – температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН): ТКН = (1/Uст)(dUст/dT); ТКН = (100/Uст)(Uст/T), %; – максимально допустимая мощность рассеяния Ррас = UстIст.  Uст Uстмах Uстмin         Iст мин Uст(T)Iст  T2 T1IстUст  Uст(T)uст(RД) Iст мах  Рис. 2. Основные параметры стабилитронов, определение ТКН и Rд. Дифференциальное (динамическое) сопротивление Rд характеризует качество стабилитрона, т. е. степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации rдиф = Uст/Iст Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжения на диоде. Такие полупроводниковые приборы называют стабисторами. В области прямого смещения напряжение на p-n-переходе составляет 0,7…2,0 В и мало зависит от тока. Поэтому стабисторы применяют только для стабилизации малых напряжений (до 2 В). Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона с той лишь разницей, что они соответствуют прямой ветви вольт-амперной характеристики стабистора. Условное обозначение стабилитрона (стабистора) включает следующие элементы: букву, обозначающую материал полупроводника (К – кремний); букву, обозначающую подкласс (буква С); цифру, указывающую на мощность; две цифры, указывающие напряжение стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, обозначение КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток стабилизации менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8 В в металлическом корпусе. Принципиальные схемы простейших параметрических стабилизаторов напряжения представлены на рис. 3.  а) б) Рис. 3. Простейшие схемы параметрических стабилизаторов на основе стабилитрона (а), стабистора (б) Нагрузка подключена параллельно стабилитрону (стабистору), поэтому напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне. Ток Iвх, потребляемый от источника Еи, равен сумме токов стабилитрона (стабистора) Icт и нагрузки Iн : Iвх = Icт + Iн. Если ток стабилитрона (стабистора) не выходит за пределы рабочего участка, то напряжение на нагрузке меняется незначительно при значительных изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Разность напряжений источника Еи и стабилитрона (стабистора) Uст равна падению напряжения на балластном сопротивлении Rб (Uст = Еи – IвхRб). При расчете и выборе элементов параметрического стабилизатора рекомендуется ориентироваться на кремниевые стабилизаторы Д815, Д816, Д817, параметры и характеристики которых приведены в справочной литературе [10]. Выбор стабилитрона проводится по напряжению стабилизации Uвых= Uст, наибольшему току стабилизации Iст max и величине динамического сопротивления rд. Большое значение Iст max дает больший диапазон стабилизации выходного напряжения, а меньшее значение rд повышает стабильность выходного напряжения. Предпочтительными при выборе стабилитрона могут оказаться и другие параметры, например меньший температурный коэффициент напряжения (меньшая зависимость изменения выходного напряжения от изменения температуры окружающей среды). Необходимо, чтобы Uвх > Uн на 10-15 % и более, где напряжение на нагрузке равно напряжению стабилизации Uн = Uст. 1. По параметрам выбранного стабилитрона определяем его ток Iст ср, соответствующий режиму стабилизации при известном Iм = ICTmax: Iст ср =  ; предельное нижнее и верхнее значения напряжения стабилизации: Uст min = Uст - Iст срRд; Uст max = Uст + Iст срRд, при этом Uвых =Uст = Uст max Uст min. 2. Рассчитываем величину балластного сопротивления из предположения, что по стабилитрону течет ток Iст ср, а напряжение на стабилитроне при этом значении тока Uст:.  ,где Iн – расчетное значение тока нагрузки: Iн = Ucт/Rн. Реальное значение резистора RБ выбирается (см. литература [11]) с учетом реальных значений рядов резисторов (например, Е6, Е12, Е24…) и предполагаемой мощности резистора: PRБ = (Iср.ст + Iн)2RБ. 3. Определяем максимальное значение тока нагрузки, равного значению максимального входного тока при условии, что Iст = 0: Iвх max = Iн max =  .Значение мощности выбранного резистора RБ должно быть больше максимальной мощности, рассеиваемой на балластном сопротивлении и рассчитываемой по выражению PRБ = (Iср.ст + Iнмах)2RБ. 4. Определяем минимальное сопротивление нагрузки Rн min =  .5. Определяем максимально допустимое значение входного напряжения Uвх. max = Uст. max +  .6. Определяем допустимые относительные изменения входного напряжения и тока нагрузки, %:  ;  .7. Рассчитываем аварийное значение тока стабилитрона при обрыве сопротивления нагрузки  .Если IСТА Iст max, то требуется защита стабилитрона предохранителем, который выбирается по заданному значению тока нагрузки. 8. Коэффициент стабилизации по напряжению  .9. КПД стабилизатора  .Студентам рекомендуется пояснить решение и работу стабилизатора напряжения графическим построением ВАХ стабилитрона (с. 245 [6]), определить дополнительно температурный коэффициент стабилизатора (с. 246 [9]). Рекомендации по расчету параметров схемы в WORKBENCH Расчет схемы рекомендуется проверить построением в программе WORKBENCH. При этом следует учитывать, что схема замещения стабилитрона представляется следующим образом (рис. 4): VD1н и VD2н идеально встречно включенные диоды; Uст источник напряжения, равный напряжению стабилизации; Rд1, Rд2, Rд3 дифференциальные сопротивления на различных участках ВАХ: рабочем, до пробоя и при прямом включении, соответственно. При этом необходимо помнить, что рабочее включение стабилитрона соответствует обратному включению, т.е. когда на катод (n-область) подается +, а на анод .  Рис. 4. Схема замещения стабилитрона При использовании программы рекомендуется сформировать на входе схемы источник с возрастающим напряжением от 0 до Uвх мах и снять осциллограмму напряжения на нагрузке и тока в цепи стабилитрона и балластного резистора. Рекомендуемая литература 1. Электротехника: Учебник для неэлектрических специальностей вузов / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высш. шк., 1985. - 480 с. 2. Борисов Ю.М. и др. Электротехника: Учебник для вузов / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.и. Зорин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 552 с. 3. Судовая электротехника и электроника: учебник для вузов / Е.Н. Архангельский, В.Г. Богач, Д.В. Вилесов, А.П. Сеньков; Под ред. Д.В. Вилесова. - Л.: Судостроение, 1985. - 312 с. 4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.С. Пантюшина. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1979. - 253 с. [последующие издания]. 5. Рекус Г.Г., Белоусов А.М. Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехнических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1991. - 416 с. 6. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехнических специальностей вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 336 с. 7. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцева. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с. 8. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1982. - 446 с. 9. Штумпф Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника: Учебник. - СПб: Судостроение, 1993. - 352 с. 10. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным микросхемам / Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергия, 1972. Последующие издания. 11. Власов А.Б., Власова С.В. Электротехническое материаловедение, МГТУ, 1999. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||