Struktura

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 UZ) v závěrném směru. Pro UZ < 5V převládá Zenerův efekt – elektrické napětí vyrazí valenční elektrony, ty spolu s děrami tvoří průrazový proud. Pro UZ > 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 ∆UZ. Jak je patrné z obrázku, je změna napětí ∆UZ podstatně menší než změna proudu ∆IZ, 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, Imax = 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 IZmin a IZmax

Obvykle volíme proud diodou IF > I2 tak, aby při I2 = 0 nebyla dioda přetížena nadměrnou hodnotou proudu IF 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 IZmax.

 

Řešený příklad

Navrhněte parametrický stabilizátor pro následující parametry:
I2= 80mA, U2 = 5V, U1 = 12V.
 
  • Výběr Zenerovy diody:

Zenerovu diodu vybíráme podle doporučené relace IF > I2MAX, tj. například 100mA (v případech, kdy může dojít k odpojení zátěže, volíme I2 = 0), a podle Zenerova napětí UZ = U2, například dioda BZX85V005.1
(Uz = 5,1V, Izmax = 255mA, Pmax = 1,3W).

  • Výpočet ztrátového výkonu na diodě:
PZD = UZ . IF = 5 . 0,1 = 0,5W.
 
  • Návrh hodnoty rezistoru Rs:
Rs = (U1-Uz) / (IF+I2) = (12-5) / (0,1+0,08) = 38,8Ω
Zvolíme tedy hodnotu z řady El2 Rs = 39Ω.
 
  • Výpočet výkonové ztráty na rezistoru Rs:
PRs = (U1- UZ)2 / R1= (12-5)2 / 39 = 1,26W
 
  • Kontrola maximálního proudového a výkonového zatížení Zenerovy diody, které přichází v úvahu při I2 = I2min:
IFmax = IF +I2 = 0,1 + 0,08 = 0,18A
PZDmax = UZ . IFmax = 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.

 

Logolink