Regulador de tensão paralelo paramétrico. Esquema, projeto, dispositivo, projeto, cálculo, aplicação

Contente:

Em circuitos de baixa corrente com cargas inferiores a 20 mA, é utilizado um dispositivo de baixa eficiência conhecido como regulador de tensão paramétrico. O design desses dispositivos inclui transistores, estabistores e diodos zener. Eles são usados principalmente em dispositivos de estabilização compensatória como fontes de tensão de referência. Dependendo das características técnicas, os estabilizadores paramétricos podem ser monoestágio, multiestágio e ponte.

O diodo zener, que faz parte do projeto, se assemelha a um diodo conectado traseiramente. No entanto, a característica de quebra de tensão reversa do diodo zener é a base do seu funcionamento normal. Esta propriedade é amplamente utilizada para diversos circuitos nos quais é necessário criar um limite de tensão no sinal de entrada. Os estabilizadores paramétricos são dispositivos de alta velocidade, protegem áreas sensíveis dos circuitos contra ruídos de impulso. A utilização desses elementos em circuitos modernos tornou-se um indicador de sua alta qualidade, o que garante o funcionamento estável dos equipamentos nos diversos modos.

Circuito estabilizador paramétrico

A base do estabilizador paramétrico é o circuito de comutação do diodo zener, que também é usado em outros tipos de estabilizadores como fonte de tensão de referência.

O circuito padrão consiste em, que, por sua vez, inclui um resistor de lastro R1 e um diodo zener VD. Paralelamente ao diodo zener, a resistência de carga RH é ligada. Este projeto estabiliza a tensão de saída com variação da tensão de alimentação Up e da corrente de carga In.

O circuito funciona na seguinte ordem. O aumento da tensão na entrada do estabilizador provoca um aumento na corrente que passa pelo resistor R1 e pelo diodo zener VD. A tensão do diodo zener permanece inalterada devido à sua característica corrente-tensão. Conseqüentemente, a tensão na resistência da carga não muda. Como resultado, toda a tensão alterada irá para o resistor R1. O princípio de funcionamento do circuito permite calcular todos os parâmetros necessários.

Cálculo do estabilizador paramétrico

A qualidade do estabilizador de tensão é avaliada pelo seu coeficiente de estabilização, determinado pela fórmula: КstU= (ΔUin/Uin) / (ΔUout/Uout). Além disso, o cálculo do regulador de tensão paramétrico no diodo zener é realizado de acordo com a resistência do resistor de lastro Ro e o tipo de diodo zener utilizado.

Os seguintes parâmetros elétricos são utilizados para calcular o diodo zener: Ist.max - a corrente máxima do diodo zener na seção de trabalho da característica corrente-tensão; Ist.min - corrente mínima do diodo zener na seção de trabalho da característica corrente-tensão; Rd - resistência diferencial na seção de trabalho da característica corrente-tensão. O procedimento de cálculo pode ser considerado com um exemplo específico. Os dados iniciais serão os seguintes: Uout = 9 V; In = 10 mA; ΔIn= ± 2 mA; ΔUin= ± 10%Uin.

Em primeiro lugar, é selecionado no livro de referência um diodo zener da marca D814B, cujos parâmetros são: Ust = 9 V; Ist.máx= 36 mA; Ist.min= 3 mA; Rd = 10 Ohm. Depois disso, a tensão de entrada é calculada de acordo com a fórmula: Uin = nstUout, em que nst é o ganho do estabilizador. A operação do dispositivo estabilizador será mais eficaz quando nst for 1,4-2,0. Se nst = 1,6, então Uin = 1,6 x 9 = 14,4V.

O próximo passo é calcular a resistência do resistor de lastro (Ro). Para isso, aplica-se a seguinte fórmula: Ro = (Uin-Uout) / (Ist + In). O valor atual Ist é selecionado de acordo com o princípio: Ist ≥ In. No caso de uma mudança simultânea de Uin por ΔUin e In por ΔIn, a corrente do diodo zener não deve exceder os valores de Ist.max e Ist.min. A este respeito, Ist é considerado o valor médio permitido nesta faixa e é 0,015A.

Assim, a resistência do resistor de lastro será: Ro = (14,4 - 9) / (0,015 + 0,01) = 216 ohms. A resistência padrão mais próxima será de 220 ohms. Para selecionar o tipo de resistor desejado, é necessário calcular a potência dissipada em seu gabinete. Usando a fórmula P = I2R®, obtemos o valor P = (25 10-3) 2x 220 = 0,138 W. Ou seja, a dissipação de potência padrão do resistor será de 0,25W. Portanto, o resistor MLT-0,25-220 Ohm ± 10% é mais adequado para o circuito.

Após realizar todos os cálculos, é necessário verificar se o modo de operação do diodo zener está selecionado corretamente no esquema geral do estabilizador paramétrico. Primeiramente é determinada sua corrente mínima: Ist.min = (Uin-ΔUin-Uout) / Ro - (In + ΔIn), com parâmetros reais, o valor Ist.min = (14,4 - 1,44 - 9) x 103 / 220 é obtido - (10 + 2) = 6 mA. As mesmas ações são realizadas para determinar a corrente máxima: Ist.max = (Uin + ΔUin-Uout) / R® - (In-ΔIn). De acordo com os dados iniciais, a corrente máxima será: Ist.max = (14,4 + 1,44 - 9) 103/220 - (10 - 2) = 23 mA. Se os valores obtidos da corrente mínima e máxima estiverem fora dos limites permitidos, neste caso é necessário alterar Ist ou Ro. Em alguns casos, o diodo zener precisa ser substituído.

Estabilizador de tensão paramétrico em um diodo zener

Para qualquer circuito eletrônico, é necessária uma fonte de energia. Eles podem ser de corrente contínua e alternada, estabilizados e não estabilizados, e lineares, ressonantes e quase ressonantes. Essa diversidade possibilita a escolha de fontes de alimentação para diferentes circuitos.

Nos circuitos eletrônicos mais simples, onde não é necessária alta estabilidade da tensão de alimentação ou alta potência de saída, as fontes de tensão linear são mais utilizadas, confiáveis, simples e de baixo custo. Seus componentes são estabilizadores paramétricos de tensão e corrente, cujo design inclui um elemento que possui uma característica corrente-tensão não linear. Um representante típico de tais elementos é um diodo zener.

Este elemento pertence a um grupo especial de diodos operando no modo de ramo reverso da característica corrente-tensão na região de ruptura. Quando o diodo é ligado na direção direta do ânodo para o cátodo (de mais para menos) com uma tensão Upor, uma corrente elétrica começa a passar livremente por ele. Se a direção reversa de menos para mais estiver ativada, apenas a corrente Iobr passará pelo diodo, que é de apenas alguns μA. Aumentar a tensão reversa no diodo para um certo nível levará à sua falha elétrica. Com uma intensidade de corrente suficiente, o diodo falha devido à ruptura térmica. A operação do diodo na região de ruptura é possível se a corrente que passa pelo diodo for limitada. Em vários diodos, a tensão de ruptura pode variar de 50 a 200V.

Ao contrário dos diodos, a característica tensão-corrente de um diodo zener tem uma linearidade mais alta, sob condições de tensão de ruptura constante. Assim, para estabilizar a tensão com a ajuda deste dispositivo, é necessário realizar o ramo reverso da característica corrente-tensão. No trecho do ramo reto, o funcionamento do diodo zener ocorre exatamente da mesma forma que o de um diodo convencional.

De acordo com sua característica corrente-tensão, o diodo zener possui os seguintes parâmetros:

Tensão de estabilização - Ust. Depende da tensão no diodo zener durante o fluxo da corrente Ist. A faixa de estabilização dos diodos zener modernos está na faixa de 0,7 a 200 volts.
A corrente constante de estabilização mais admissível é Ist.max. É limitado pelo valor da dissipação de potência máxima permitida Pmax, que, por sua vez, está intimamente relacionada à temperatura ambiente.
A corrente mínima de estabilização é Ist.min. Depende do valor mínimo da corrente que passa pelo diodo zener. Nesta corrente, deve haver total preservação da operabilidade do dispositivo. A característica corrente-tensão do diodo zener entre os parâmetros Ist.max e Ist.min tem a configuração mais linear e a mudança na tensão de estabilização é muito pequena.
A resistência diferencial do diodo zener é a primeira. Este valor é definido como a razão entre o incremento da tensão de estabilização no dispositivo e o pequeno incremento da corrente de estabilização que causou esta tensão (ΔUCT/ ΔiCT).

Estabilizador de transistor paramétrico

A operação de um estabilizador paramétrico em transistores quase não difere de um dispositivo semelhante em um diodo zener. Em cada circuito, a tensão nas saídas permanece estável, pois suas características corrente-tensão afetam áreas com queda de tensão fracamente dependente da corrente. Ou seja, como em outros estabilizadores paramétricos, indicadores estáveis de corrente e tensão são alcançados devido às propriedades internas dos componentes.

A queda de tensão na carga será igual à diferença entre a queda de tensão do diodo zener e a junção pp do transistor. A queda de tensão em ambos os casos depende fracamente da corrente, da qual podemos concluir que a tensão de saída também é constante.

A operação normal do estabilizador é caracterizada pela presença de tensão na faixa de Ust.max a Ust.min. Para isso é necessário que a corrente que passa pelo diodo zener esteja na faixa de Ist.max a Ist.min. Assim, o fluxo de corrente máxima através do diodo zener será realizado nas condições de corrente mínima da base do transistor e tensão máxima de entrada. Portanto, um regulador transistorizado tem vantagens significativas sobre um dispositivo convencional, uma vez que o valor da corrente de saída pode variar em uma ampla faixa.

Estabilizador paramétrico paralelo, estabilizador serial em um transistor bipolar. Cálculos práticos.

Bom dia, queridos radioamadores!
Hoje no site ““, na seção ““, continuaremos a considerar o artigo ““. Deixe-me lembrar que da última vez, estudando o circuito de alimentação de dispositivos de rádio amador, decidimos pela finalidade e cálculo do filtro de suavização:

Hoje consideraremos o último elemento - o regulador de tensão.

Regulador de voltagem - um conversor de energia elétrica que permite obter uma tensão de saída dentro dos limites especificados com flutuações na tensão de entrada e na resistência de carga

Hoje veremos dois reguladores de tensão simples:
- estabilizador de tensão paramétrico paralelo no diodo zener;
- um regulador de tensão em série em um transistor bipolar.

Diodo zener semicondutor - (outro nome é diodo Zener) foi projetado para estabilizar a tensão constante das fontes de alimentação. No esquema mais simples de um estabilizador paramétrico linear, ele atua simultaneamente como fonte de tensão de referência e elemento de controle de potência. Em circuitos mais complexos, é atribuído apenas o papel de fonte de tensão de referência.

Uma das aparências e designação do diodo zener:

Como funciona um diodo zener

A tensão no diodo zener (ao contrário do diodo) é aplicada na polaridade reversa (o ânodo é conectado ao negativo e o cátodo ao positivo da fonte de energia - Uobr). Com esta inclusão, uma corrente reversa flui através do diodo zener - Iarr.
À medida que a tensão aumenta, a corrente reversa cresce muito lentamente (no diagrama, quase paralela ao eixo Uobr), mas em alguma tensão Uobr a junção do diodo zener rompe (mas a destruição do diodo zener não ocorre neste momento) e uma corrente reversa de valor muito maior começa a fluir através dela. Neste momento, a característica corrente-tensão do diodo zener ( VAC) desce acentuadamente (quase paralelo ao eixo Iarr) - inicia-se o modo de estabilização, cujos principais parâmetros são a tensão mínima de estabilização ( Ust min) e a corrente mínima de estabilização ( É min).
Com mais aumento Uobr O CVC do diodo zener muda novamente de direção - termina o modo de estabilização, cujos principais parâmetros são a tensão máxima de estabilização ( Ust máx.) e corrente máxima de estabilização ( É o máximo). A partir deste momento, o diodo zener perde suas propriedades, começa a aquecer, o que pode levar à ruptura térmica da junção do diodo zener e, consequentemente, à sua falha.

O modo de estabilização de um diodo zener pode estar dentro de uma ampla faixa, portanto, na documentação dos diodos zener, os valores de corrente mínimo e máximo permitidos são indicados ( É min E É o máximo) e tensões de estabilização ( Ust min E Ust máx.). Dentro dessas faixas estão os requisitos do fabricante nominal valores – É E Ust. A corrente nominal de estabilização é geralmente definida pelos fabricantes no nível de 25% -35% do máximo, e a tensão nominal de estabilização como a média do máximo e do mínimo.

Por exemplo, você pode usar o programa “ “ e veja em primeira mão quais características são fornecidas nos livros de referência sobre diodos zener:

Por exemplo, o diodo Zener D814G:
- corrente nominal de estabilização (Ist) = 5 mA;
- tensão nominal de estabilização (Ust) = (de 10 a 12 volts) = 11 volts;
- corrente máxima de estabilização (Ist max) = 29 mA.
Precisaremos desses dados ao calcular o estabilizador de tensão mais simples.

Se você não conseguiu encontrar o diodo zener nativo soviético de que precisa, usando, por exemplo, um programa, você pode selecionar um análogo burguês de acordo com os parâmetros necessários:

Como você pode ver, o diodo zener D814G pode ser facilmente substituído por um analógico - BZX55C11 (que possui características ainda um pouco melhores)

Bem, agora considere estabilizador de tensão paramétrico paralelo em um diodo zener.

Estabilizador de tensão paramétrico paralelo em um diodo zener usado em dispositivos de baixa corrente (alguns miliamperes) e é um divisor de tensão (em um resistor R- resistor de lastro e diodo zener DC- que atua como um segundo resistor) à entrada da qual é fornecida uma tensão instável e a tensão de saída é retirada do braço inferior do divisor. Quando a tensão de entrada aumenta (diminui), a resistência interna do diodo zener diminui (aumenta), o que permite manter a tensão de saída em um determinado nível. O resistor de lastro diminui a diferença entre a tensão de alimentação de entrada e a tensão de estabilização do diodo zener.

Considere o circuito deste regulador de tensão (o mais simples):

Para operação normal do circuito a corrente através do diodo zener deve ser várias vezes (3-10 vezes) maior que a corrente na carga estabilizada. Na prática, como a corrente nominal de estabilização do diodo zener é várias vezes menor que o máximo, é permitido assumir nos cálculos que a corrente de carga não deve exceder a corrente nominal de estabilização.
Por exemplo: a corrente consumida pela carga é de 10 mA, então precisamos escolher um diodo zener para que sua corrente nominal de estabilização não seja inferior a 10 mA (melhor, claro, se for maior).

Cálculo de um estabilizador de tensão paramétrico paralelo em um diodo zener

Dado:
Uin– tensão de entrada = 15 volts
Fora- tensão de saída (tensão de estabilização) = 11 volts

Cálculo:
1. De acordo com o guia acima, determinamos que o diodo Zener D814G é adequado para nossos propósitos:
Ust(10-12v)= 11 volts
É o máximo= 29 mA
É nominal = 5 mA
Com base no exposto, determinamos que a corrente de carga não deve exceder É nominal - 5 mA
2. Determinamos a queda de tensão no resistor de lastro (R) como a diferença entre a tensão estabilizada de entrada e saída:
Upad=Uin – Uout\u003d 15-11 \u003d 4 volts
3. Usando a lei de Ohm, determinamos o valor da resistência do lastro R, dividindo a queda de tensão Udrop por Ist do diodo zener:
R= Queda/Ist\u003d 4 / 0,005 \u003d 800 ohms
Como não existem resistores com valor nominal de 800 Ohm, tomamos o valor mais próximo mais alto - R = 1000 Ohm = 1 kOhm
4. Determine a potência do resistor de lastro R:
Pres= Drop*Ist\u003d 4 * 0,005 \u003d 0,02 watts
Como não apenas a corrente de estabilização do diodo zener flui através do resistor, mas também a corrente consumida pela carga, aumentamos o valor resultante em pelo menos 2 vezes:
Presidente\u003d 0,004 * 2 \u003d 0,008 watts, que corresponde à classificação mais próxima \u003d 0,125 watts.

O que fazer se você não encontrou um diodo zener com a tensão de estabilização desejada.
Neste caso, você pode aplicar conexão serial de diodos zener. Por exemplo, se conectarmos dois diodos zener D814G em série, a tensão de estabilização será de 22 volts (11 + 11). Se conectarmos D814G e D810, obteremos uma tensão de estabilização de 20 volts (11 + 10).
Qualquer número de conexões seriais de diodos zener da mesma série é permitido (como no exemplo - D8 **).
A conexão serial de diodos zener de séries diferentes é permitida somente se as correntes de operação do circuito em série se enquadrarem nas faixas de corrente de estabilização do passaporte de cada série utilizada.

E se, no exemplo acima, a corrente de carga não for, por exemplo, 5, mas 25 mA?
Claro, você pode deixar tudo como está, já que a corrente máxima de estabilização (Ist max) do D814G é de 29 mA, a única coisa que você precisa recalcular é a potência do resistor de lastro. Mas neste caso, o diodo zener funcionará no limite de suas capacidades e você não terá nenhuma garantia de que não irá falhar.
Mas e se a corrente de carga for, por exemplo, 50 mA?

Regulador de tensão serial em um transistor bipolar- este é essencialmente um estabilizador paramétrico paralelo em um diodo zener conectado à entrada de um seguidor de emissor.

Sua tensão de saída é menor que a tensão de estabilização do diodo zener devido à queda de tensão na junção base-emissor do transistor (para transistores de silício - cerca de 0,6 volts, para germânio - cerca de 0,25 volts), o que deve ser levado em consideração ao escolher um diodo zener.
Um seguidor de emissor (também conhecido como amplificador de corrente) permite aumentar a corrente máxima do estabilizador de tensão em comparação com um estabilizador paramétrico paralelo em um diodo zener em β (h 21e) vezes (onde β (h21e)é o ganho de corrente de um determinado transistor, o menor valor é considerado).

Circuito de um estabilizador serial em um transistor bipolar :

Como este estabilizador consiste em duas partes - fonte de tensão de referência(também conhecido como estabilizador paramétrico paralelo em um diodo zener) e amplificador de corrente em um transistor (também é um seguidor de emissor), o cálculo de tal estabilizador é realizado de forma semelhante ao exemplo acima.
A única diferença:
- por exemplo, precisamos obter uma corrente de carga de 50 mA, então selecionamos um transistor com ganho β (h 21e) pelo menos 10 ( β (h 21e)=Icarga/Ist=50/5=10
- a potência do resistor de lastro é calculada pela fórmula: Рres = Upad * (Ist + Iload)

A corrente de carga pode ser aumentada várias vezes mais se for usado um circuito com um transistor composto (dois transistores conectados de acordo com o circuito Darlington ou Shiklai):

É basicamente isso.

Os estabilizadores são usados para suavizar as ondulações de tensão e a corrente constante na saída da fonte de alimentação. Via de regra, o estabilizador é baseado em um diodo zener. Um diodo zener é um dispositivo semicondutor que possui a propriedade de estabilização de tensão. Ao contrário de um diodo convencional, ele funciona em polaridade reversa (o positivo é aplicado ao cátodo), no modo de ruptura em avalanche. Devido a esta propriedade do diodo zener, a tensão nele e, portanto, na carga, praticamente não muda. A figura abaixo mostra um diagrama de um estabilizador simples.

Esse estabilizador é adequado para alimentar dispositivos de baixa potência.

O princípio de funcionamento do estabilizador no diodo zener

Um capacitor é necessário para suavizar as ondulações de tensão, é chamado de capacitor de filtragem. Um resistor é necessário para suavizar as ondulações da corrente e é chamado de resistor de extinção. O diodo zener estabiliza a tensão na carga. Para operação normal deste circuito, a tensão de alimentação deve ser superior a 40...50%. O diodo zener deve ser selecionado para a tensão e corrente que precisamos.

Estabilizador em um transistor

Para alimentar uma carga de maior potência, um transistor é adicionado ao circuito. Um exemplo de circuito é mostrado abaixo.

O princípio de operação do estabilizador em um único transistor

A cadeia de R1 e VT1 já nos é familiar do circuito anterior, este é o estabilizador mais simples, ele define a tensão estabilizada com base no transistor VT2. O transistor, por sua vez, atua como um amplificador de corrente e é o elemento de controle deste circuito. Por exemplo, quando a tensão de entrada aumenta, a tensão de saída tende a aumentar. Isso leva a uma diminuição da tensão na junção do emissor do transistor VT2, o que leva ao seu fechamento. Neste caso, a queda de tensão na seção emissor-coletor aumenta tanto que a tensão no diodo zener diminui ao seu nível original. Quando a tensão cai, o estabilizador reage na ordem inversa.

Estabilizador de transistor com proteção contra curto-circuito

Na prática de um radioamador, há erros e ocorre um curto-circuito. Para reduzir as consequências de um curto-circuito, considere um circuito estabilizador para duas tensões fixas e com proteção contra curto-circuito.

Como você pode ver, o transistor V4, os diodos V6 e V7 são adicionados a este circuito, e um estabilizador paramétrico composto pelo resistor R1, os diodos V2, V3 são equipados com a chave S2.

O princípio de funcionamento da proteção do estabilizador

Este circuito é projetado para uma corrente de curto-circuito de 250...300 mA, até que seja ultrapassada, a corrente passará por um divisor de tensão composto por um diodo V7 e um resistor R3. Ao selecionar este resistor, você pode ajustar o limite de proteção. O diodo V6 será fechado e não terá nenhum efeito no trabalho. Quando a proteção for acionada, o diodo V7 fechará e o diodo V6 abrirá e desviará as conexões do diodo zener, enquanto os transistores V4 e V5 fecharão. A corrente de carga cairá para 20…30 mA. O transistor V5 deve ser instalado no dissipador de calor.

Estabilizador com tensão de saída ajustável

No reparo ou ajuste de dispositivos eletrônicos é necessária uma fonte de alimentação com tensão de saída ajustável. O diagrama esquemático dos estabilizadores regulados por tensão é apresentado abaixo.

O princípio de funcionamento do estabilizador com regulação de tensão

O estabilizador paramétrico composto por R2 e V2 estabiliza a tensão no resistor variável R3. A tensão deste resistor é fornecida ao transistor de controle. Este transistor é conectado de acordo com o circuito seguidor de emissor, cuja carga é o resistor R4. A tensão do resistor R4 é fornecida ao transistor regulador V4, cuja carga já é nosso dispositivo alimentado. A regulação da tensão é realizada por um resistor variável R3, se o controle deslizante do resistor estiver na posição mínima de acordo com o circuito, então a tensão para abrir os transistores V3 e V4 não será suficiente e a saída terá tensão mínima. Quando o motor gira, os transistores começam a abrir, o que aumenta a tensão na carga. Com o aumento da corrente de carga, a queda de tensão no resistor R1 e na lâmpada H1 começa a acender, a uma corrente de 250 mA observa-se um brilho fraco e a uma corrente de 500 mA e acima é brilhante. O transistor V4 deve ser instalado no dissipador de calor. Com uma carga aumentada de mais de 500 mA, deve-se desligar a fonte de alimentação o mais rápido possível, pois com uma carga máxima longa os diodos da ponte retificadora e do transistor V4 falham.

Esses circuitos, quando devidamente montados, não precisam ser ajustados. Eles também podem ser atualizados para corrente e tensão mais altas. Selecionando elementos de rádio com os parâmetros que precisamos.

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Para a operação de equipamentos eletrônicos são necessárias tensões com características precisamente especificadas. Mas numa rede industrial, a tensão muda constantemente. O seu nível depende dos empreendimentos, edifícios e equipamentos ligados ao sistema. O funcionamento de qualquer dispositivo depende diretamente da tensão, flutuações neste parâmetro afetam a qualidade do trabalho, por exemplo, durante quedas, o receptor pode começar a chiar ou zumbir. Para resolver este problema, são utilizados estabilizadores de transistor.

O princípio de funcionamento do estabilizador

Uma parte deste equipamento é responsável pela comparação com o valor de referência e a outra controla os parâmetros. Se o parâmetro de entrada for maior que o indicador requerido, o sistema o reduz. Se o valor for menor, as características aumentam. Seguindo o mesmo esquema, a água da torneira é regulada: quando a vazão é menor que o necessário, a válvula é girada e vice-versa.

O princípio da estabilização é utilizado em uma ampla variedade de equipamentos, desde ferros de engomar até a indústria espacial. A diferença está apenas na tecnologia de monitoramento e gestão de indicadores.

Importante! De acordo com o GOST existente, a tensão na rede pode variar até 5%, e em condições reais e 10% do valor especificado. Para o funcionamento de qualidade do equipamento, este indicador não pode ultrapassar 0,1%.

O circuito regulador de tensão mais simples contém apenas 2 elementos:

fonte de tensão de referência - diodo zener VD1;
resistor de lastro R1.

Um diodo zener é um diodo que, em certos valores da tensão de estabilização (aplicada inversamente), começa a passar corrente na direção oposta. Se a tensão aumentar, com diminuição da resistência interna, o diodo zener continua a manter a tensão em um determinado valor. O princípio de funcionamento pode ser visto no circuito regulador de tensão.

Se a tensão reversa aumentar, o diodo zener resiste, o que significa que a corrente de saída é mínima. Quando o parâmetro definido é atingido, a corrente começa a aumentar. Então, atingindo o ponto 1 na característica corrente-tensão, a tensão para de aumentar, apesar do aumento nos valores da corrente. Na junção p-n, a tensão aumenta apenas no resistor, o diodo zener opera no modo especificado. Obviamente, qualquer diodo zener só pode manter a tensão em um determinado valor e, após aumentar o desempenho até o ponto 2, o elemento pode começar a aquecer e falhar. A distância entre os pontos 1 e 2 é chamada de área de trabalho.

Um método de estabilização tão simples só é adequado para redes que utilizam correntes baixas. Para aumentar a capacidade de carga, é utilizado um seguidor de emissor na forma de um transistor bipolar. Este elemento repete a tensão aplicada. Devido a isso, a carga pode ser uma ordem de grandeza maior. Você pode usar um circuito de vários transistores, então a carga aumentará ainda mais.

Ao criar tais circuitos, é importante levar em consideração que, devido a uma queda na seção de junção pn, a tensão de saída diminuirá. Portanto, é necessário escolher um diodo zener levando em consideração as perdas nas junções dos transistores. Na figura do circuito com dois transistores, você também pode ver outro resistor. É usado para eliminar o componente reativo do segundo transistor.

Princípios para cálculo de características

Os principais indicadores do estabilizador são a tensão máxima de saída Uout, a tensão mínima de saída Uout1 e a corrente máxima Imax. Digamos que esses valores sejam 14 volts, 1,5 volts e 1 ampere, respectivamente. Calculamos a tensão de entrada de acordo com a fórmula:

Uin = Uout + 3, onde 3 é o coeficiente de queda de tensão na junção coletor-emissor.

Observação! Os parâmetros do passaporte do transistor devem garantir a operação em modo semiaberto e suportar a diferença de tensão que ocorre entre a tensão de saída e os dados de saída.

Pmáx=1,3(Uin-Uout)Imáx=1,3(17-14)=3,9W;
Pmáx=1,3(Uin-Uout1)Imáx=1,3(17-1,5)=20,15 W.

Como você pode ver, um valor maior é obtido ao calcular a tensão mínima de entrada, e este valor estará correto para selecionar um transistor do livro de referência. Para nós será KT817.

Importante! O valor da tensão deve ser maior que o valor de entrada e a corrente deve ser maior que o valor máximo especificado. Caso contrário, o elemento funcionará no limite de suas capacidades e falhará rapidamente.

Agora precisamos levar em conta Ib max– corrente de base do próprio transistor:

Ib max = Imax / h21E min, onde h21E min é o coeficiente de transferência de corrente (no nosso caso, esse valor é 25).

Ib máx=1/25=0,04 A.

Conhecendo esses indicadores, você pode determinar as características do regulador de tensão no transistor. A tensão estabilizada é de 14 volts e a corrente conforme a fórmula é de 0,04 A. D814D é adequado para esses indicadores, mas neste caso a corrente base será de 0,005 A, ou seja, é necessário diminuir o valor de saída. Para isso, é utilizado um segundo transistor (KT315). Devido ao seu uso, a carga diminuirá no valor do coeficiente máximo de transferência de corrente do segundo transistor (temos h21E = 30). Assim, a corrente será 0,04/30=0,00133 mA.

Agora vamos definir indicadores para Rb– resistor de lastro:

Rb \u003d (Uin-Ust) / (Ib max + Ist min) \u003d (17-14) / (0,00133 + 0,005) \u003d 474 Ohm, onde:

Ist min - corrente de estabilização;
Ust - tensão de estabilização do diodo zener.

Então calculamos a potência do lastro:

Prb \u003d (Uin-Ust) 2 / Rb \u003d (17-14) 2/473 \u003d 0,02 W.

Os parâmetros de um resistor adicional raramente são calculados, na hora de escolher esta peça basta levar em consideração uma coisa: seu valor de corrente deve ser menor que a carga máxima. Usamos um resistor com resistência de 1 ohm.

Estabilizadores de compensação

Os circuitos discutidos acima são estabilizadores paramétricos, ou seja, dispositivos operando em diodo zener. Os circuitos de compensação são considerados mais precisos, onde há feedback e o componente estabilizador já é comparado com os valores de referência. A principal vantagem de tais dispositivos é a tensão de saída precisa, que praticamente não é afetada pela corrente de carga, enquanto em sistemas paramétricos é a carga que afeta todo o funcionamento do estabilizador do transistor.

O circuito estabilizador do tipo compensação pode ser em série e paralelo. Na primeira variante, os elementos de controle são geralmente transistores.

No diagrama:

Р – elemento regulador;
I – fonte de tensão de referência (referência);
ES – elemento de comparação;
U - amplificador DC.

A tensão de saída do regulador série é determinada pela fórmula acima, onde R4' e R4'', respectivamente, são os valores superior e inferior do resistor R4. O transistor VT1 atua como elemento regulador, e o VT2 estabiliza, ou seja, compara e, se necessário, melhora o desempenho. A fonte da tensão de referência é o diodo zener VD1. Entre a base e o emissor VT2, a tensão é definida como a diferença entre UOP e UREG. Se houver um aumento na tensão na carga, o UREG aumenta as correntes do emissor e do coletor VT2. Mais adiante no circuito, a corrente do coletor flui para o resistor R1, o que causa uma queda de tensão. Esta tensão é invertida na polaridade da parte emissora do VT1, de modo que as correntes do coletor e do emissor deste transistor caem e a tensão nominal na carga é restaurada.

Para um ajuste suave no circuito de saída do estabilizador, é utilizado um divisor de tensão, composto por R3, R4, R5. A regulação escalonada ocorre usando a tensão de referência do diodo zener.

Em um regulador de tensão de compensação do tipo paralelo, quando ocorre um desvio do valor nominal, aparece um sinal de erro, que é a diferença entre a tensão de referência e a tensão de saída. Além disso, este sinal é amplificado na parte reguladora, que fica paralela à carga. Devido a isso, a corrente no elemento regulador muda, a tensão no resistor R1 cai e a saída permanece constante:

U1=U0-IBXR1=const.

Importante! A eficiência dos estabilizadores do tipo paralelo é pequena, portanto, esses esquemas raramente são usados.

Trocando estabilizadores

Além da compensação e dos estabilizadores paramétricos, existem circuitos de pulso nos quais a eficiência é maior, mesmo que a faixa de tensão de entrada seja bastante grande. O funcionamento destes dispositivos baseia-se no fato de o elemento regulador ser desligado e desligado em modo pulsado. O esquema geral do estabilizador consiste em uma chave, um dispositivo de armazenamento de energia e um circuito de controle. O acumulador e a chave juntos representam a parte de potência, juntamente com o circuito constituem a malha de controle.

O estabilizador de tensão de comutação pode ser montado com base em 3 transistores. Neste caso, VT1, VT2 constituem o elemento regulador chave e VT3 é necessário para amplificar o sinal de incompatibilidade.

O algoritmo de trabalho é o seguinte:

Do coletor VT2 através do capacitor C2, uma tensão de realimentação positiva é fornecida à base VT1;
VT2, quando saturado com corrente do resistor R2, abre;
Na junção coletor-emissor, quando VT1 está saturado, é menor que a tensão para abrir VT2, o que significa que quando VT1 está aberto, VT2 está fechado;
O amplificador no VT3 é conectado através do emissor ao diodo zener VD2, e a base é conectada ao divisor de tensão de saída R5, R6, R7;
Assim, VT1 controla o fechamento e abertura do VT2 a um sinal do VT3;
Quando o VT2 está aberto a energia é armazenada na borboleta, após o fechamento a energia vai para a carga.

Cada um dos esquemas apresentados permitirá montar a versão mais simples dos estabilizadores.

Vídeo

Os parâmetros mais importantes do estabilizador são o coeficiente de estabilização K st, a resistência de saída Rout e a eficiência η.

Fator de estabilização determinado a partir da expressão K st = [ ∆u in / u in ] / [ ∆u out / u out ]

Onde você entra, você sai- constantes, respectivamente, na entrada e na saída do estabilizador; ∆você em- mudar você está dentro; ∆você sai- mudar você está fora correspondente à mudança em ∆u in.

Por isso, fator de estabilizaçãoé a razão entre a mudança relativa na entrada e a mudança relativa correspondente na saída do estabilizador.

Quanto maior o coeficiente de estabilização, menos a saída muda quando a entrada muda. Para os estabilizadores mais simples, o valor de K st é de unidades, enquanto para estabilizadores mais complexos, centenas e milhares.

Impedância de saída do estabilizadoré definido pela expressão R saída = | ∆u saída / ∆i saída |

onde ∆u out - mudança constante na saída do estabilizador; ∆i out - alteração na corrente constante de saída do estabilizador, que causou alteração na tensão de saída.

A impedância de saída do estabilizador é um valor semelhante à impedância de saída de um retificador com filtro. Quanto menor a resistência de saída, menos a saída muda quando a corrente de carga muda. Para os estabilizadores mais simples, o valor Rout é unidades de ohms, e para estabilizadores mais avançados, centésimos e milésimos de ohm. Deve-se notar que o estabilizador geralmente reduz drasticamente a ondulação de tensão.

A eficiência do estabilizador η st é a razão entre a potência entregue à carga R n e a potência consumida da fonte de entrada R em: η st \u003d R n / R em

Tradicionalmente, os estabilizadores são divididos em paramétricos e de compensação.

Um vídeo interessante sobre estabilizadores de tensão:

Estabilizadores paramétricos

São os dispositivos mais simples nos quais pequenas alterações na saída são alcançadas através do uso de dispositivos eletrônicos com dois terminais, caracterizados por uma pronunciada não linearidade da característica corrente-tensão. Considere um circuito estabilizador paramétrico baseado em um diodo zener (Fig. 2.82).

Vamos analisar este circuito (Fig. 2.82, a), para o qual primeiro o transformamos usando o teorema do gerador equivalente (Fig. 2.82, b). Vamos analisar graficamente a operação do circuito construindo linhas de carga na característica volt-ampère do diodo zener para vários valores da tensão equivalente correspondente a vários valores da entrada (Fig. 2.82 ,c).
A partir das construções gráficas, é óbvio que com uma mudança significativa no equivalente u e (por ∆u e) e, portanto, na entrada u in, a saída muda em uma pequena quantidade ∆u out.

Além disso, quanto menor a resistência diferencial do diodo zener (ou seja, quanto mais horizontalmente for a característica do diodo zener), menor será o ∆u.

Vamos determinar os principais parâmetros de tal estabilizador, para o qual no circuito original substituiremos o diodo zener por um circuito equivalente e introduziremos uma fonte de tensão no circuito de entrada (Fig. 2.82, d) correspondente a uma mudança na entrada ∆u in (linha pontilhada no diagrama): R saída = r d || R 0 ≈ rd, porque R 0 >> r d η st \u003d (u fora · I n) / (u dentro · I dentro) = (u fora · I n) / [ você dentro (I n + I dentro)].

K st \u003d (∆u in / u in) : (∆u out / u out) Já que normalmente R n >> r d Portanto, K st ≈ você sai / você entra [ (r d + R 0) / r d ]

Normalmente, os estabilizadores paramétricos são usados para cargas de várias unidades a dezenas de miliamperes. Na maioria das vezes eles são usados como fontes de referência em estabilizadores de tensão de compensação.

Estabilizadores de compensação

São sistemas fechados de controle automático. Os elementos característicos do estabilizador de compensação são a fonte de referência (referência) (ION), o elemento comparador e amplificador (SUE) e o elemento de controle (RE).

É útil notar que o FOS cobre dois estágios – no amplificador operacional e no transistor. O circuito em consideração é um exemplo convincente que demonstra a vantagem da realimentação negativa geral sobre a realimentação local.

A principal desvantagem dos estabilizadores com regulação contínuaé uma baixa eficiência, pois ocorre um consumo significativo de energia no elemento regulador, já que toda a carga passa por ele, e a queda sobre ele é igual à diferença entre as tensões de entrada e saída do estabilizador.

No final da década de 60 começaram a ser produzidos circuitos integrados para estabilizadores de compensação com regulação contínua (série K142EN). Esta série inclui estabilizadores com tensão de saída fixa, com tensão de saída ajustável e tensões bipolares e de entrada e saída. Nos casos em que é necessário passar pela carga uma corrente que ultrapasse os valores máximos permitidos dos estabilizadores integrados, o microcircuito é complementado com transistores de controle externos.

Alguns parâmetros dos estabilizadores integrais são fornecidos na Tabela. 2.1, e a opção de conectar elementos externos ao estabilizador K142EN1 é mostrada na fig. 2,85.

O resistor R é projetado para operar proteção de corrente e R 1 - para regular a tensão de saída. Os chips K142UN5, EN6, EN8 são estabilizadores funcionalmente completos com tensão de saída fixa, mas não requerem a conexão de elementos externos.

Os estabilizadores de comutação são agora tão difundidos quanto os estabilizadores contínuos.

Graças ao uso do modo chave de operação dos elementos de potência de tais estabilizadores, mesmo com uma diferença significativa nos níveis de tensões de entrada e saída você pode obter uma eficiência igual a 70 - 80%, enquanto para estabilizadores contínuos é de 30–50%.

Em um elemento de potência operando em modo chave, a potência média dissipada nele durante o período de comutação é muito menor do que em um estabilizador contínuo, pois embora no estado fechado a corrente que flui através do elemento de potência seja máxima, no entanto, a queda em está próximo de zero e, no estado aberto, a corrente que flui através dele é zero, embora máxima. Assim, em ambos os casos, a potência dissipada é desprezível e próxima de zero.

Pequenas perdas nos elementos de potência levam à redução ou mesmo eliminação dos radiadores de refrigeração, o que reduz significativamente o peso e o tamanho. Além disso, a utilização de um estabilizador de comutação permite, em alguns casos, excluir do circuito um transformador de potência operando na frequência de 50 Hz, o que também melhora o desempenho dos estabilizadores.

As desvantagens de trocar fontes de alimentação incluem a presença de ondulação de tensão de saída.

Considere um estabilizador serial chaveado

A chave S é ligada e desligada periodicamente pelo circuito de controle (CS) dependendo do valor da carga. a saída é ajustada alterando a relação t on / t off, onde t on, t off - a duração dos intervalos de tempo em que a chave está, respectivamente, nos estados ligado e desligado. Quanto maior for essa proporção, maior será a produção.

Como chave S, um transistor bipolar ou de efeito de campo é frequentemente usado.

O diodo garante o fluxo de corrente do indutor quando a chave é desligada e, portanto, elimina o aparecimento de surtos perigosos na chave no momento da comutação. Um filtro LC reduz a ondulação de saída.

Outro vídeo interessante sobre estabilizadores: