Los reguladores de voltaje paramétricos todavía se usan para alimentar dispositivos electrónicos de baja potencia, por lo que debe poder calcularlos.
A menudo, cuando se repiten estructuras prefabricadas, cuyas condiciones de operación difieren de las recomendadas por el desarrollador, se requiere analizar el funcionamiento de un estabilizador de voltaje paramétrico para aclarar el valor de resistencia de la resistencia de balasto.
Estas tareas se resuelven utilizando el archivo desarrollado por el autor en Microsoft Excel. Se dan dos opciones para calcular un estabilizador de voltaje paramétrico y un cálculo para analizar las condiciones de operación de un diodo zener en un circuito terminado.
Los objetos de cálculo y análisis en los ejemplos son estabilizadores paramétricos de dos diseños bien conocidos de amplificadores de potencia de frecuencia de audio. Esto es de Interlavka y de Andrey Zelenin A.
Razones básicas para calcular un estabilizador paramétrico en un diodo zener
En la fig. 1 muestra un diagrama esquemático de un estabilizador paramétrico: Uin - voltaje no estabilizado de entrada, Uout \u003d Ust - voltaje estabilizado de salida, Ist - corriente a través del diodo zener, In - corriente de carga, R 0 - resistencia de lastre (limitación, extinción).Uin \u003d Ust + (In + Ist) R 0 \u003d Ust + IR 0, (1)
I \u003d Iн + Ist - corriente que fluye a través de la resistencia de balasto R 0.
Arroz. 1. Esquema de un estabilizador de voltaje paramétrico en un diodo zener
Como puede verse en la fig. 1, un estabilizador paramétrico en un diodo zener de silicio es un divisor de voltaje, que consta de una resistencia de balasto R 0 con una característica de corriente de voltios lineal (CV) y un diodo zener VD1, que puede considerarse como una resistencia con un IV marcadamente no lineal característica.
Cuando el voltaje Uin cambia, la corriente a través del divisor cambia, lo que lleva a un cambio en la caída de voltaje a través de la resistencia R 0, y el voltaje a través del diodo zener, por lo tanto, en la carga Rn prácticamente no cambia.
Un pequeño cambio en el voltaje en la carga en el rango de Ust min a Ust max corresponde a un cambio en la corriente a través del diodo zener de Ist min a Ist max. Además, la corriente mínima a través del diodo zener corresponde al voltaje de entrada mínimo y la corriente de carga máxima, que se logra con la resistencia de la resistencia de balasto.
R 0 \u003d (Uin min-Ust min) / (In max + Ist min). (2)
A su vez, la corriente máxima a través del diodo zener fluirá con la corriente de carga mínima y el voltaje de entrada máximo.
Es fácil encontrar las condiciones de funcionamiento del estabilizador:
ΔUin=ΔUst+R 0 (ΔIst-ΔIn), (3)
donde ΔUin=Uin max-Uin min, ΔUst= Ust max-Ust min, ΔIst=Ist max-Ist min, ΔIn= In max-In min.
Para simplificar, fijemos ΔUst=0 y analicemos la expresión (3).
El rango de corriente de carga no puede ser mayor que el rango de corriente del diodo zener, porque en este caso el lado derecho de la expresión se vuelve negativo y el circuito no funcionará como un regulador de voltaje.
Si el cambio en la corriente de carga es insignificante, la expresión para la condición de funcionamiento del estabilizador se simplifica:
∆Uin= ∆IstR 0 . (4)
La eficiencia del estabilizador paramétrico se determina a partir de la expresión:
Eficiencia \u003d Ust In / (Uin (In + Ist) \u003d 1 / (Nst (1 + Ist / In)), (5)
donde Nst=Uin/Ust es el coeficiente de transferencia del estabilizador; generalmente Nst \u003d 1.4 ... 2.
De la expresión (5) se deduce que cuanto menor sea el coeficiente de transferencia del estabilizador y menor sea la relación entre la corriente a través del diodo zener y la corriente de carga, mayor será la eficiencia.
El parámetro principal del estabilizador de voltaje, por el cual se evalúa su calidad de trabajo, es el coeficiente de estabilización:
Kst \u003d (ΔUin / Uin) / (ΔUout / Uout) \u003d R 0 Ust / rdUin \u003d R 0 /Nstrd \u003d Keficiencia, (6)
donde rd es la resistencia dinámica del diodo zener; Kf es el coeficiente de filtración.
La primera opción para calcular el estabilizador paramétrico.
lo llevaremos a cabo para el caso en que el voltaje de suministro sea inestable y la resistencia de carga sea relativamente constante.
Los datos iniciales para el cálculo son: Uout, In, ΔIn, Uin, ΔUin.
Para obtener el voltaje de salida requerido, de acuerdo con el libro de referencia, seleccionamos un diodo zener con los parámetros: Ust \u003d Uout, Ist max, Ist min, rd.
El voltaje de entrada requerido se calcula en base a los coeficientes de transmisión óptimos extremos del estabilizador Nst = 1.4 ... 2, que también puede ser seleccionado por el usuario en cualquier rango requerido de Nst:
Ist p \u003d 0.5 (Ist min + Ist max)> In.
Calcule la resistencia de la resistencia de balasto:
R 0 \u003d (Uin - Ust) / (Ist p + In).
Calculamos con doble margen la potencia de la resistencia de balasto:
Po=2(Ist p+ In) 2 R 0 .
Verifiquemos el modo de operación seleccionado del estabilizador.
El cálculo se realizó correctamente si, con un cambio simultáneo de Uin por ΔUin e In por ΔIn, la corriente del diodo zener no supera Ist max e Ist min:
Ist p max \u003d (Uin + ΔUin- Ust) / (R 0 - (In- ΔIn))<0,8 Iст max;
Ist p min \u003d (Uin - Ust) / (R0- (In + ΔIn))\u003e 1.2 Ist min.
Aquí se tiene en cuenta un margen del 20%, que es necesario para el funcionamiento fiable del diodo zener. El valor operativo más alto de la corriente a través del diodo zener, no más de 0,8 de la referencia Ist max, adoptado en el cálculo, se debe a consideraciones de confiabilidad operativa del dispositivo para que la potencia disipada en el diodo zener esté por debajo de la límite. Para garantizar el coeficiente de estabilización requerido, el valor operativo mínimo de la corriente a través del diodo zener Ist p min se toma en el cálculo como 1,2 veces mayor que Ist min.
Si los valores obtenidos de las corrientes Istr max e Istr min superan los valores permitidos, entonces es necesario seleccionar un valor diferente de Istr p, cambiar la resistencia R 0 o reemplazar el diodo zener.
También calculamos los parámetros del estabilizador que determinan su calidad y eficiencia: el coeficiente de estabilización Kst \u003d (ΔUin / Uin) / (ΔUout / Uout) \u003d R 0 / (rdNst),
coeficiente de eficiencia eficiencia = Ust In / (Uin (In + Ist)) \u003d 1 / (Nst (1 + Ist / In)),
y coeficiente de filtración Kf=Kst/eficiencia.
Ejemplo de cálculo nº 1
Calculemos un estabilizador de tensión paramétrico con las siguientes características: tensión estabilizada en la carga Un=9 V; corriente de carga In=10 mA; cambio de corriente en la carga ΔIn=2 mA; cambio de voltaje de entrada ΔUin=10%.Elegimos un diodo zener del tipo D814B, para el cual Ust \u003d Un \u003d 9 V; rd=10 ohmios; Istmáx=36 mA; Istmín=3 mA.
Ingresamos la información anterior en las celdas correspondientes de los datos de origen (resaltados en sombreado azul claro) de la hoja "Primera opción de cálculo" de la tabla de Microsoft Excel "Cálculo y análisis del funcionamiento de un estabilizador de voltaje paramétrico.xlsx" e inmediatamente obtenemos los resultados del cálculo en las celdas de cálculo resaltadas en marrón claro:
tensión de entrada Uin=15,0 V; la resistencia de la resistencia de balasto R 0 = 240 Ohm, la potencia de la resistencia de balasto con doble margen Po = 0,3 W; Kst=15,0, eficiencia=24%, Kf=62,5 (ver Fig. 2).
Arroz. 2. Impresión desde la pantalla del ejemplo de cálculo N° 1
Seleccionamos una resistencia con una resistencia de 240 ohmios con una potencia de 0,5 vatios.
Supongamos que a la entrada del estabilizador hay ondas de voltaje alterno con una amplitud Up in = 0.1 V = 100 mV. La amplitud de las ondas en la salida del estabilizador será Up st \u003d Up in / Kf \u003d 100 / 62.5 \u003d 1.6 mV.
Ejemplo de cálculo nº 2
Calculemos el estabilizador paramétrico para tensiones de alimentación Up=Uin=±25 V; ±35 V y ±45 V.El cálculo se realiza para un estabilizador paramétrico de polaridad positiva (R5, VD1, C2), ya que otro estabilizador, de polaridad negativa (R6, VD2, C4) difiere únicamente en la dirección del diodo zener.
Preparemos los datos iniciales: voltaje estabilizado en la carga Un=12 V, corriente en la carga In=(12-0.5)/R2=11.5/10=1.15 mA, ΔIn=0.115 mA, cambio de voltaje de entrada ΔUin=10 %.
Elijamos un diodo zener BZX55C12, que tiene los siguientes parámetros: Ust = Un = 12 V; rd=20 ohmios; Istmáx=32 mA; Istmín=5 mA.
Los resultados del cálculo se muestran en la fig. 3; para Up=±25 V R5=R6=1,3 kOhm (0,25 W); para Up=±35 V R5=R6=2,4 kOhm (0,5 W); para Up=±45 V R5=R6=3,6 kOhm (1 W).
Arroz. 3. Cálculo de estabilizadores paramétricos para el amplificador Green Lanzar
La segunda opción para calcular el estabilizador paramétrico.
como dato inicial, utiliza los valores límite de la corriente en la carga Iн min e Iн max, que, con Iн min=0, nos permite prever el modo de ralentí del estabilizador. Para una carga constante, elija In max \u003d In min.
Entonces, los datos iniciales son: voltaje de carga estabilizado Uout, corrientes de carga In min, In max, voltaje nominal de entrada Uin y sus desviaciones ΔUin n y ΔUin in.
Los parámetros del diodo zener son los mismos que en el cálculo anterior: Ust = Uout, Ist max, Ist min, rd.
Calculamos los valores máximo y mínimo de la corriente de funcionamiento del diodo zener:
Ist p máx=0,8 Ist máx,
Ist p min = 1,2 Ist min.
Si el estabilizador debe funcionar en modo inactivo (Iн min=0), seleccione Ist p min=Ist min.
Verificamos la idoneidad del diodo estabilizador seleccionado para la estabilización de voltaje dentro de los límites especificados de la corriente de carga y el voltaje de suministro:
(Ist p max + In min) (1- ΔUin n) - (Ist min + In max) (1+ ΔUin in)> 0,
donde ΔUin n=(Uin-Uin min)/ Uin, ΔUin in=(Uin max-Uin)/Uin.
Si no se cumple la desigualdad, se necesita:
use un diodo zener más potente;
establezca valores más pequeños ΔUin n y ΔUin in;
reducir In max o aumentar In min.
La tensión nominal Uin, que debe proporcionar el rectificador, se calcula mediante la fórmula:
Uin = Ust [(Ist r max + I n min) - (Ist r min + I n max)] / [(Ist r max + I n min) (1- ΔUin n) - (Ist r min + I n max ) (1+ΔUen c)].
Resistencia de la resistencia de balasto:
R 0 \u003d Uin (ΔUin in + ΔUin n) / [(Ist r max + In min) - (Ist r min + In max)].
También calculamos la potencia de la resistencia con un doble margen:
Po=2(Uin(1+ ΔUin n)-Ust) 2 /R 0 .
De acuerdo con las fórmulas dadas en la primera versión del cálculo, encontramos Kst, eficiencia y Kf.
Ejemplo de cálculo nº 3
Calculemos un estabilizador de tensión paramétrico con las siguientes características: tensión estabilizada en la carga Un=9 V; corriente In min =0, In max =10 mA; cambio en la entrada ΔUin n=10%, ΔUin in=15%.Elegimos un diodo zener de tipo D814B, para el cual Ust \u003d Un; rd=10 ohmios; Ist máx=36 mA, Ist mín=3 mA.
Tras introducir los datos iniciales en la hoja de la tabla “Segunda opción de cálculo”, obtenemos los siguientes resultados (Fig. 4):
Uin \u003d 14 V, R 0 \u003d 221 ohmios, Po \u003d 0,45 W, Kst \u003d 14.2.
Arroz. 4. Captura de pantalla del estabilizador paramétrico en modo inactivo
Seleccionamos una resistencia con una resistencia de 220 ohmios con una potencia de 0,5 vatios.
Análisis del funcionamiento de un estabilizador paramétrico
Los datos iniciales del análisis son los siguientes: Un, In, ∆In, ∆Uin, R0.Además, el análisis requiere los parámetros del diodo zener: Ust \u003d Un, rd, Ist max e Ist min.
El análisis se reduce a calcular la corriente de funcionamiento del diodo zener Ist p \u003d (Uin-Ust) / R 0 -In; coeficiente de transmisión Nst = Uin/Ust; potencia Po de la resistencia de balasto, factor de estabilización Kst, eficiencia y factor de filtrado Kph.
Es importante verificar el modo de funcionamiento del diodo zener en el circuito estabilizador, que se realiza mediante fórmulas similares a las que se dan en la primera opción de cálculo.
Ejemplo de Análisis #1
Analicemos las clasificaciones de las resistencias de balasto R3 y R4 de los estabilizadores de voltaje de compensación del amplificador Lanzar, según el voltaje de suministro utilizado.El rango de voltajes de suministro del amplificador se declara desde Up \u003d ± 30 V a ± 65 V, mientras que la resistencia de las resistencias de balasto R 0 \u003d R3 \u003d R4 \u003d 2.2 kOhm (1 W) se indica en el circuito diagrama.
En otra publicación, se recomienda elegir el valor de resistencia de las resistencias de balasto según la tensión de alimentación del amplificador según la fórmula R 0 = (Up-15) / I, donde I = 8 ... 10 mA. En la tabla 1, el cálculo se realiza de acuerdo con la fórmula indicada para el rango de voltajes de alimentación del amplificador con un paso de 5 V.
Datos iniciales para el análisis: voltaje de carga estabilizado Un=15 V, corriente de carga In=(15-0.5)/R5=14.5/6.8=2.13 mA, ΔIn=0.213 mA, cambio en el voltaje de entrada ΔUin=10%.
Elegimos un diodo zener 1N4744A, que tiene los siguientes parámetros: Ust \u003d Un \u003d 15 V; rd=14 ohmios; Istmáx=61 mA; Istmín=5 mA.
Un análisis del funcionamiento de los estabilizadores paramétricos en el amplificador Lanzar mostró que la corriente mínima del estabilizador Istr min se seleccionó en el límite con un margen de solo 3 ... 14% en lugar del 20% requerido (Fig. 5).
Arroz. Fig. 5. Modos de funcionamiento de los estabilizadores en el amplificador Lanzar, según la tensión de alimentación seleccionada
Usando la herramienta de análisis de datos de la hoja de cálculo de Microsoft Excel "Selección de parámetros", especificaremos la resistencia de las resistencias de balasto. Para hacer esto, vaya a la celda con la fórmula para Ist p min (celda C26) y elige del menú Datos -> « Y si el análisis»-> Selección de parámetros.
Establecer en la celda C26 valor 6.0 (margen 20% de Ist min), cambiando el valor de la celda en la que se ingresa la resistencia de la resistencia de balasto ( $C$15).
Obtenemos R 0 \u003d 1.438 kOhm. Pongamos en esta celda el valor de resistencia más cercano de la serie estándar R 0 =1.3 kOhm.
Habiendo realizado la operación indicada en la tabla para todos los valores de las tensiones de alimentación, obtenemos el siguiente resultado (Fig. 6).
Arroz. 6. Refinamiento de los modos de operación de los estabilizadores paramétricos del amplificador Lanzar
Los resultados del análisis también se resumen en la Tabla 2.
La potencia de las resistencias para tensiones de alimentación del amplificador de ±30 V a ±40 V es de 0,5 W, para otras tensiones es de 1 W.
Resultado
Es necesario calcular incluso un dispositivo tan simple como un estabilizador de voltaje paramétrico. La elección del valor de la resistencia de la resistencia de balasto "a ojo" puede causar errores de diseño que no se notarán de inmediato.Antes de armar el diseño que te gusta, es recomendable analizar y, si es necesario, aclarar el modo de funcionamiento del diodo zener del estabilizador paramétrico utilizando las hojas de cálculo propuestas en Microsoft Excel.
Como sabes, ningún dispositivo electrónico funciona sin una fuente de alimentación adecuada. En el caso más simple, un transformador convencional y un puente de diodos (rectificador) con un condensador de filtrado pueden actuar como fuente de alimentación. Sin embargo, no siempre se tiene a mano un transformador para el voltaje deseado. Y más aún, dicha fuente de alimentación no puede llamarse estabilizada, porque el voltaje en su salida dependerá del voltaje en la red.
Una solución a estos dos problemas es usar estabilizadores listos para usar, por ejemplo. Son cómodos de usar, pero, de nuevo, no siempre están a mano. Otra opción es usar un estabilizador paramétrico en un diodo zener y un transistor. Su diagrama se muestra a continuación.
Circuito estabilizador en 1 transistor
VD1-VD4 en este circuito es un puente de diodo convencional que convierte el voltaje de CA de un transformador a CC. El condensador C1 suaviza las ondas de voltaje, convirtiendo el voltaje de pulsante a constante. Paralelamente a este capacitor, vale la pena colocar una película pequeña o un capacitor cerámico para filtrar las ondas de alta frecuencia, porque. a alta frecuencia, el condensador electrolítico no hace bien su trabajo. Los capacitores electrolíticos C2 y C3 en este circuito tienen el mismo propósito: suavizar cualquier ondulación.
La cadena R1 - VD5 sirve para formar un voltaje estabilizado, la resistencia R1 establece la corriente de estabilización del diodo zener. La resistencia R2 está cargada. El transistor en este circuito absorbe toda la diferencia entre el voltaje de entrada y salida, por lo que se disipa una cantidad decente de calor. Este circuito no está diseñado para conectar una carga potente, pero, sin embargo, el transistor debe atornillarse al radiador con pasta conductora de calor.
El voltaje a la salida del circuito depende de la elección del diodo zener y del valor de las resistencias. La siguiente tabla muestra los valores de los elementos para obtener 5, 6, 9, 12, 15 voltios en la salida.
En lugar del transistor KT829A, puede usar análogos importados, por ejemplo, TIP41 o BDX53. Está permitido instalar un puente de diodos adecuado para corriente y voltaje. Además, puede ensamblarlo a partir de diodos individuales. Así, al utilizar un mínimo de piezas, se obtiene un regulador de voltaje funcional, desde el cual se pueden alimentar otros dispositivos electrónicos que consumen una pequeña corriente. Foto del estabilizador que armé.
Entonces, a la derecha hay un diagrama de un regulador de voltaje de transistor simple.
Designaciones:
- Yo a - corriente de colector del transistor
- I n - corriente de carga
- Yo b - corriente de base del transistor
- I R - corriente a través de la resistencia de balasto
- U en - voltaje de entrada
- U out - voltaje de salida (caída de voltaje en la carga)
- U st - caída de tensión en el diodo zener
- U be - caída de voltaje en la unión p-n del emisor base del transistor
¿Cómo funciona un estabilizador de este tipo y en qué se diferencia su trabajo del trabajo? Sí, su trabajo es casi el mismo: el voltaje en la salida del circuito permanece estable como resultado de la presencia de secciones en las características de voltaje actual (diodo zener y unión p-n del emisor base del transistor) en las que la caída de tensión depende débilmente de la corriente. Es decir, como todos los estabilizadores paramétricos, la estabilidad se logra por las propiedades internas de los componentes.
De hecho, como se puede ver en la figura, la caída de voltaje en la carga es igual a la diferencia en las caídas de voltaje en el diodo zener y en la unión p-n del transistor BE. Dado que la caída de tensión en el diodo zener depende débilmente de la corriente (en el área de trabajo es igual a la tensión de estabilización), la caída de tensión en la unión p-n con polarización directa también depende débilmente de la corriente (para un transistor de silicio, se puede tomar aproximadamente lo mismo que para un diodo de silicio convencional: aproximadamente 0, 6 voltios), resulta que el voltaje de salida también es constante.
Ahora agreguemos algunas matemáticas.
Con el voltaje en la carga (voltaje de salida), todo ya está claro: U fuera \u003d U st -U ser, calculemos R 0 y el área de funcionamiento normal del estabilizador. Pero primero, dibujemos dos imágenes una al lado de la otra: una parte de nuestro circuito estabilizador y una parte del estabilizador paramétrico más simple en un diodo zener:
Lo parece, ¿no? Además, los razonamientos y las relaciones que de ellos se derivan para el cálculo de R 0 y el área de funcionamiento normal también son muy similares.
Una ecuación que describe corrientes y voltajes para la pieza de nuestro circuito estabilizador arrancada arriba:
U en \u003d U st + I R R 0, dado que I R \u003d I st + I b, obtenemos
U en \u003d U st + (I st + I b) R 0 (1)
Para el funcionamiento normal del estabilizador (para que el voltaje en el diodo zener esté siempre en el rango de U st min a U st max), es necesario que la corriente a través del diodo zener esté siempre en el rango de I st min a Yo st máx. La corriente mínima a través del diodo zener fluirá con el voltaje de entrada mínimo y la corriente de base máxima del transistor. Sabiendo esto, encontramos resistencia de lastre:
R 0 \u003d (U en min -U st min) / (I b max + I st min) (2)
Teniendo en cuenta que en nuestro caso, cuando el transistor está conectado de acuerdo con un circuito de colector común, la corriente de base está relacionada con la corriente del emisor por la relación I e \u003d I b (h 21E + 1), la corriente del emisor es igual a la corriente de carga (porque tenemos la carga encendida), y el voltaje en el diodo zener en el modo de operación cambia ligeramente (en lugar de U st min, solo tomamos U st), obtenemos que
R 0 \u003d (U en min -U st) / (I n max / (h 21E +1) + I st min) (3)
h 21E +1 es la ganancia de corriente para un circuito con un colector común (h 21K), pero dado que h 21E suele ser bastante grande, el término "+1" a menudo se descarta y se cree que h 21K \u003d h 21E , entonces la fórmula (3) se vuelve un poco más fácil:
R 0 \u003d (U en min -U st) / (I n max / h 21E + I st min)
La corriente máxima a través del diodo zener fluirá a la corriente base mínima del transistor y el voltaje de entrada máximo. Teniendo en cuenta esto y lo dicho anteriormente con respecto a la corriente mínima a través del diodo zener, utilizando la ecuación (1) puede encontrar el área de funcionamiento normal del estabilizador:
Reordenando esta expresión, obtenemos:
O, en otras palabras:
Si asumimos que el voltaje de estabilización mínimo y máximo (U st min y U st max) difieren ligeramente (el primer término en el lado derecho puede considerarse igual a cero), y también que I n \u003d I e \u003d I b h 21E ("+ 1 "- tirar), luego ecuación que describe el área de operación normal del estabilizador, toma la siguiente forma:
Esta fórmula muestra claramente la ventaja de un estabilizador de transistor de este tipo sobre un estabilizador paramétrico en un diodo zener: en igualdad de condiciones, la corriente de salida de un estabilizador de transistor puede variar en un rango más amplio.
Por ejemplo, tomemos nuevamente el diodo zener KS147A (I st \u003d 3..53mA) y calculemos con qué corriente máxima podemos contar cuando el voltaje cae de 6..10V a 5V, siempre que la corriente de salida pueda variar de cero a I máx. Tome el transistor KT815A (h 21E \u003d 40). Habiendo resuelto conjuntamente el sistema de ecuaciones (3), (4), obtenemos R 0 alrededor de 110 Ohm y la corriente máxima es de alrededor de 550 mA.
Sin embargo, vale la pena señalar que la inestabilidad de la tensión de salida en este caso será aún peor, ya que ahora a la inestabilidad de la tensión en el diodo zener se sumará la inestabilidad de la caída de tensión en la unión p-n del transistor. Además, aún no hemos tenido en cuenta que el voltaje de salida será menor que en el diodo zener por la cantidad de caída de voltaje en la unión p-n, por lo que deberíamos haber tomado el diodo zener no por 4.7 V, sino por 5.1 o incluso 5,6 voltios (tomé específicamente, por ejemplo, el mismo diodo zener que en, para que pueda ver más claramente cuánto diferirá la corriente de carga con el mismo diodo zener).
En realidad, los métodos para lidiar con la inestabilidad son completamente similares aquí: debe reducir de alguna manera la inestabilidad del voltaje en el diodo zener. Para hacer esto, puede, como la última vez, tomar una sección de trabajo más estrecha del CVC del diodo zener. Naturalmente, esto también conducirá a un estrechamiento del área de operación normal (porque el rango de cambio en la corriente de operación del diodo zener disminuirá), pero en este caso, cuando el área de operación normal es ya más ancho que el del estabilizador paramétrico en el diodo zener (alrededor de h 21E veces), podemos permitirnos renunciar a parte del rango de corriente de salida y/o parte del rango de voltaje de entrada para aumentar la estabilidad del voltaje de salida.
Puede aumentar aún más el área de operación normal si usa dos transistores conectados de acuerdo con el circuito Darlington o Shiklai (figura de la izquierda). En este caso, h 21E será mucho mayor.
Bueno, el chirrido es hacerlo, ya que la ganancia del amplificador operacional no solo es mayor, sino significativamente, mucho, muchas, muchas veces mayor que la de cualquier transistor (respectivamente, podremos cambiar la corriente a través de el diodo zener en un rango aún más estrecho, obtendremos un voltaje de cambio aún más pequeño y, como resultado, un voltaje de salida aún más estable).
Hay otra opción: en lugar del diodo zener habitual, puede tomar un diodo zener integral, por ejemplo, TL431. En este caso, además de mucha menos inestabilidad, también tenemos la posibilidad de controlar el voltaje de salida.
Como refrigerio, diré que con un ligero movimiento de la mano, dicho estabilizador de voltaje se puede convertir en un estabilizador de corriente (solo necesita estabilizar el voltaje no en la carga, sino en una resistencia especial de medición de corriente) .
Hasta hace poco, los estabilizadores de voltaje paramétricos se usaban para alimentar cascadas de equipos electrónicos de baja potencia. Ahora es mucho más económico y eficiente utilizar reguladores de compensación de bajo ruido como el ADP3330 o el ADM7154. No obstante, los estabilizadores paramétricos ya se utilizan en una serie de equipos que ya se están fabricando, por lo que es necesario poder calcularlos. El circuito estabilizador paramétrico más común se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Esquema de un estabilizador paramétrico
Esta figura muestra un circuito regulador de voltaje positivo. Si desea estabilizar el voltaje negativo, entonces el diodo zener se coloca en la dirección opuesta. El voltaje de estabilización está completamente determinado por el tipo de diodo zener.
El cálculo del estabilizador de esta manera se reduce al cálculo de la resistencia. R 0 Antes de iniciar su cálculo, es necesario determinar el principal factor desestabilizador:
- voltaje de entrada;
- corriente de consumo.
El voltaje de entrada inestable con un consumo de corriente estable suele estar presente en las fuentes de referencia de voltaje para convertidores de analógico a digital y de digital a analógico. Para un estabilizador paramétrico que alimenta un determinado equipo, es necesario tener en cuenta el cambio en la corriente de salida. En el circuito que se muestra en la Figura 1, con un voltaje de entrada constante, la corriente I siempre será estable. Si la carga consume menos corriente, entonces su exceso irá al diodo zener.
I = I st + I norte (1)Por lo tanto, la corriente de carga máxima no puede exceder la corriente máxima del diodo zener. Si el voltaje de entrada no es constante (y esta situación es muy común), el rango permitido de variación de la corriente de carga se reduce aún más. Resistencia de resistencia R 0 se calcula según la ley de Ohm. El cálculo utiliza el valor mínimo de la tensión de entrada.
(2)
El rango máximo de voltaje de entrada puede determinarse mediante la ley de Kirchhoff. Después de ligeras transformaciones, se puede reducir a la siguiente fórmula:
(3)
Por lo tanto, el cálculo del estabilizador paramétrico es bastante simple. Esto es lo que lo hace atractivo. Sin embargo, al elegir el tipo de estabilizador, se debe tener en cuenta que el diodo zener (pero no el estabilizador) es una fuente de ruido. Por lo tanto, el estabilizador descrito no debe usarse en unidades críticas de equipos de radio. Hago hincapié una vez más en que, al diseñar nuevos equipos, los estabilizadores de compensación de bajo ruido de tamaño pequeño, como el ADP7142, son más adecuados como fuente de alimentación secundaria.
Literatura:
- Sazhnev A.M., Rogulina L.G., Abramov S.S. “Alimentación de dispositivos y sistemas de comunicación”: Libro de texto / GOU VPO SibGUTI. Novosibirsk, 2008 - 112 págs.
- Aliev II Libro de referencia de electrotécnica. - 4ª ed. correcto - M.: IP Radio Soft, 2006. - 384 p.
- Geytenko E.N. Fuentes de alimentación secundaria. Circuito y cálculo. Tutorial. - M., 2008. - 448 p.
- Fuente de alimentación de dispositivos y sistemas de telecomunicaciones: Libro de texto para universidades / V.M. Bushuev, V.A. Deminsky, L. F. Zakharov y otros - M., 2009. – 384 pág.
- Estabilizadores de tensión paramétricos. Cálculo del estabilizador paramétrico más simple en un diodo zener (http://www.radiohlam.ru/)
Los estabilizadores se utilizan para suavizar las ondas de voltaje y la corriente constante en la salida de la fuente de alimentación. Como regla general, el estabilizador se basa en un diodo zener. Un diodo zener es un dispositivo semiconductor que tiene la propiedad de estabilizar el voltaje. A diferencia de un diodo convencional, funciona en polaridad inversa (más se aplica al cátodo), en el modo de ruptura de avalancha. Debido a esta propiedad del diodo zener, el voltaje en él y, por lo tanto, en la carga, prácticamente no cambia. La siguiente figura muestra un diagrama de un estabilizador simple.
Tal estabilizador es adecuado para alimentar dispositivos de baja potencia.
El principio de funcionamiento del estabilizador en el diodo zener.
Se necesita un condensador para suavizar las ondas de voltaje, se llama condensador de filtrado. Se necesita una resistencia para suavizar las ondas de corriente y se llama resistencia de extinción. El diodo zener estabiliza el voltaje a través de la carga. Para el funcionamiento normal de este circuito, la tensión de alimentación debe ser superior al 40 ... 50%. El diodo zener debe seleccionarse para el voltaje y la corriente que necesitamos.
Estabilizador en un transistor
Para alimentar una carga de mayor potencia, se agrega un transistor al circuito. A continuación se muestra un circuito de ejemplo.
El principio de funcionamiento del estabilizador en un solo transistor.
La cadena de R1 y VT1 ya nos es familiar por el circuito anterior, este es el estabilizador más simple, establece el voltaje estabilizado en función del transistor VT2. El transistor, a su vez, actúa como amplificador de corriente y es el elemento de control en este circuito. Por ejemplo, cuando aumenta el voltaje de entrada, el voltaje de salida tenderá a aumentar. Esto conduce a una disminución del voltaje en la unión del emisor del transistor VT2, lo que conduce a su cierre. En este caso, la caída de voltaje en la sección del emisor-colector aumenta tanto que el voltaje en el diodo zener disminuye a su nivel original. Cuando cae el voltaje, el estabilizador reacciona en el orden inverso.
Estabilizador de transistores con protección contra cortocircuitos
En la práctica de un radioaficionado, hay errores y se produce un cortocircuito. Para reducir las consecuencias como consecuencia de un cortocircuito, considere un circuito estabilizador para dos voltajes fijos y con protección contra cortocircuito.
Como puede ver, el transistor V4, los diodos V6 y V7 se agregan a este circuito, y el estabilizador paramétrico que consta de la resistencia R1, los diodos V2, V3 está equipado con el interruptor S2.
El principio de funcionamiento de la protección del estabilizador.
Este circuito está diseñado para una corriente de funcionamiento en cortocircuito de 250…300 mA, hasta que se supere, la corriente pasará por un divisor de tensión formado por un diodo V7 y una resistencia R3. Al seleccionar esta resistencia, puede ajustar el umbral de protección. El diodo V6 se cerrará y no tendrá ningún efecto en el trabajo. Cuando se activa la protección, el diodo V7 se cerrará y el diodo V6 se abrirá y desviará las conexiones del diodo zener, mientras que los transistores V4 y V5 se cerrarán. La corriente de carga caerá a 20…30 mA. El transistor V5 debe instalarse en el disipador de calor.
Estabilizador con voltaje de salida ajustable
En la reparación o ajuste de dispositivos electrónicos es necesario contar con una fuente de alimentación con voltaje de salida ajustable. El diagrama esquemático de los estabilizadores regulados por voltaje se presenta a continuación.
El principio de funcionamiento del estabilizador con regulación de voltaje.
El estabilizador paramétrico que consta de R2 y V2 estabiliza el voltaje a través de la resistencia variable R3. El voltaje de esta resistencia se suministra al transistor de control. Este transistor está conectado de acuerdo con el circuito seguidor de emisor, cuya carga es la resistencia R4. El voltaje de la resistencia R4 se suministra al transistor regulador V4, cuya carga ya es nuestro dispositivo alimentado. La regulación de voltaje se realiza mediante una resistencia variable R3, si el control deslizante de la resistencia está en la posición mínima según el circuito, entonces el voltaje para abrir los transistores V3 y V4 no es suficiente y la salida tendrá un voltaje mínimo. Cuando el motor gira, los transistores comienzan a abrirse, lo que aumenta el voltaje en la carga. Con un aumento en la corriente de carga, la caída de voltaje a través de la resistencia R1 y la lámpara H1 comienzan a encenderse, a una corriente de 250 mA se observa un brillo tenue y a una corriente de 500 mA y superior es brillante. El transistor V4 debe instalarse en el disipador de calor. Con una carga aumentada de más de 500 mA, debe apagar la fuente de alimentación lo antes posible, ya que con una carga máxima prolongada, los diodos en el puente rectificador y el transistor V4 fallan.
Estos circuitos, cuando están correctamente ensamblados, no necesitan ser ajustados. También se pueden actualizar a mayor corriente y voltaje. Seleccionando elementos de radio con los parámetros que necesitamos.
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