Bolg -Electronică – Aplicații doda Zener – Stabilizatoare

Electronică – Aplicații doda Zener – Stabilizatoare

Postat de pe data de 18 iunie 2020 in categoria Electronica, Electronică Analogică, Introducere in Electronica

image_pdfimage_print

Dioda zener este folosită în:

  • circuite de stabilizare a tensiunii
  • circuite de protecție
  • circuite de limitare sau tăiere a unei porțiuni din forma de undă a unui semnal.

Stabilizatoare cu diodă zener în raport cu tensiunea de intrare.

Avem următoarea schemă cu o diodă zener în rol de stabilizator iar tensiunea de intrare \( V_{in} \) variază.

Din schemă avem :

\( V_{o} = V_{z} = constant \)

\( I_{L} = \frac{V_{O}}{R_{L}} = \frac{V_{Z}}{R_{L}} = constant \)

\( I=I_{L} + I_{z} \)

Dacă \( V_{in} \) crește, curentul total \( I \) va crește, \( I_{L} \) trebuie să fie constant, \( V_{Z} \) trebuie să fie constant \( \rightarrow \) \( I_{Z} \) va crește pentru al menține pe \( I_{L} \) constant.

Dar atâta timp cât \( I_{Z} \) are valoarea cuprinsă între \( I_{Zmin} \) și \( I_{Zmax} \), valoarea lui \( V_{O} \) , adică tensiunea de ieșire, va fi constantă.

Similar, dacă \( V_{in} \) descrește ( scade ) curentul total \( I \) va scade iar \( I_{Z} \) va descrește ( scade ) pentru al menține pe \( I_{L} \) constant. Cât timp valoarea lui \( I_{Z} \) este între valorile lui \( I_{Zmin} \) și \( I_{Zmax} \) ieșirea \( V_{O} \) va fi constantă.

Pentru a înțelege mai bine , urmăriți figura următoare :

Puterea maximă de disipație : \( P_{D} = V_{Z} \bullet I_{Zmax} \)

Exemplu : Proiectați un stabilizator cu diodă zener cu următoarele specificații :
– Tensiune de ieșire \( V_{O} \) = 5V
– Tensiune de intrare \( V_{in} \) = 12 \( \pm \) 3V
– Curent pe sarcină \( I_{L} \) = 20mA
– Putere diodă \( P_{D} \) = 500mW
– Curent \( I_{Zmin} \) = 10mA
Soluție :
Pas1. Valorile maxime și minime pentru tensiunea de intrare sunt :
\( V_{in_{min}} \) = 12V – 3V = 9V
\( V_{in_{max}} \) = 12V + 3V = 12V
Pas2. Puterea maximă disipată corespunde lui \( I_{Z} \) \( \rightarrow \) \( P_{D} = V_{Z} \bullet I_{Zmax} \) \( \rightarrow \) \( I_{Zmax} \) = 100mA
Pas3.Curentul pe sarcină trebuie să fie constant :
– \( I_{L} \) = 20mA
– pentru \( V_{in_{max}} \) avem :
\( I_{Z} \) = \( I_{Zmax} \)
\( I=I_{L} + I_{Zmax} \) = 20mA +100mA = 120mA
trebuie să punem un rezistor în serie cu sursa de intrare
\( V_{in_{max}} \) = \( V_{Z} \) + \( I \bullet R_{min} \) \( \rightarrow \) \( R_{min} \) = 83,3 \( \Omega \)
– pentru \( V_{in_{min}} \) avem :
\( I=I_{L} + I_{Zmin} \) = 20mA + 10mA = 30mA
\( V_{in_{min}} \) = \( V_{Z} \) + \( I \bullet R_{max} \) \( \rightarrow \) \( R_{max} \) = 133,3 \( \Omega \)

Concluzie : R trebuie să aibă valori cuprinse între 83,3\( \Omega \) și 133.3\( \Omega \) pentru o stabilizare bună.

Stabilizatoare cu diodă zener în raport cu sarcina.

Avem cazul în care sarcina este variabilă iar noi trebuie să avem o tensiune constantă pe sarcină.

Avem următoarea schemă:

Tensiunea de intrare este constantă în timp ce sarcina este variabilă.

  • \( V_{in} \) = constant
  • \( V_{o} = V_{z} \) = constant
  • pentru \( R \) = constant atunci și \( I \) = constant
  • \( I = \frac{V_{in}-V_{Z}}{R} = constant = I_{L} + I_{z} \)

Dacă \( R_{L} \) scade \( \rightarrow \) \( I_{L} \) crește, iar pentru a păstra curentul \( I \) constant \( \rightarrow \) \( I_{Z} \) scade. Cât timp \( I_{Z} \), ca valoare, este între \( I_{Zmin} \) și \( I_{Zmax} \) atunci tensiunea de ieșire, \( V_{O} \), va fi constantă.

Dacă \( R_{L} \) crește \( \rightarrow \) \( I_{L} \) scade, iar pentru a păstra curentul \( I \) constant \( \rightarrow \) \( I_{Z} \) crește. Cât timp \( I_{Z} \), ca valoare, este între \( I_{Zmin} \) și \( I_{Zmax} \) atunci tensiunea de ieșire, \( V_{O} \), va fi constantă.

Stabilizatoare cu diodă zener în condițiile în care tensiunea de intrare variază iar sarcina variază deasemenea.

  • \( V_{in_{min}} \) = valoarea minimă a tensiunii de intrare.
  • \( V_{in_{max}} \) = valoarea maximă a tensiunii de intrare.
  • \( I_{L_{max}} \) = valoarea maximă a curentului de sarcină.
  • \( I_{L_{min}} \) = valoarea minimă a curentului de sarcină.
  • \( I_{Zmax} \) = valoarea maximă a curentului zener.
  • \( I_{Zmin} \) = valoarea minimă a curentului zener.
  • \( V_{O} \) = \( V_{Z} \) = constant

Rezistorul serie de limitare a curentului se calculează astfel :

  • \( R_{max} = \frac{V_{in_{min}}-V_{Z}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} =\frac{V_{in_{min}}-V_{O}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} \)
  • \( R_{min} = \frac{V_{in_{max}}-V_{Z}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} =\frac{V_{in_{max}}-V_{O}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} \)

Valoarea rezistorului R trebuie să fie între Rmin și Rmax pentru ca circuitul să funcționeze corect.

Exemple de stabilizatoare ( regulatoare )

1.Proiectați și desenați schema unui circuit stabilizator ( regulator ) cu următoarele specificații :

  • Tensiune pe sarcină = 8V
  • Tensiune de intrare = 30V
  • Curent de sarcină = 0 – 50mA
  • \( I_{Zmin} \) = 5mA
  • \( P_{Z} \) = 1 Watt

Pas1. Tensiunea de intrare este constantă, \( V_{in} \) = 30V

Tensiunea de ieșire, \( V_{O} \) = \( V_{Z} \) = 8V

Curentul de sarcină este variabil :

  • \( I_{L_{min}} \) = 0mA
  • \( I_{L_{max}} \) = 50mA

Puterea diodei : \( P_{Z} \) = 1 Watt

  • \( P_{D} = V_{Z} \bullet I_{Zmax} \) \( \rightarrow \) \( I_{Zmax}= \frac{P_{Z}}{V_{Z}} \) = 125mA

Rezistența minimă a sarcinii : \( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{L_{max}}} = 160 \Omega \)

Pas2. Calculul rezistorului serie

\( R_{max} = \frac{V_{in_{min}}-V_{Z}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} =\frac{V_{in_{min}}-V_{O}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} = 400 \Omega \)

\( R_{min} = \frac{V_{in_{max}}-V_{Z}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} =\frac{V_{in_{max}}-V_{O}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} = 176 \Omega \)

Valoarea rezistorului serie trebuie să fie aleasă din intervalul 176 \( \Omega \) și 400 \( \Omega \).

Dioda zener are următoarele caracteristici :

  • \( I_{Zmin} \) = \( I_{Zk} \) = 5mA
  • \( I_{Zmax} \) = \( I_{ZM} \) = 125mA
  • \( P_{D} \) = 1W
  • \( V_{Z} \) = 8V

Cu ajutorul acestor caracteristici vom căuta dioda zener.

Schema circuitului :

2.Proiectați și desenați un regulator ( stabilizator ) cu diodă zener cu următoarele specificații.

  • Tensiunea de intrare = 10V \( \pm \) 20%
  • Tensiune de ieșire = 5V
  • Curent de sarcină = 20mA
  • \( I_{Zmin} \) = 5mA
  • \( I_{Zmax} \) = 80mA

Pas1. Rezistența sarcinii :

\( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{L}} = 250 \Omega \)

Pas2. Calculăm valoarea rezistorului de limitare a curentului.

\( I_{L_{max}} \)=\( I_{L_{min}} \) = 20mA – curentul pe sarcină este constant.

\( V_{in_{min}} \) = 10V – (0,2* 10V) = 8V

\( V_{in_{max}} \) = 10V + (0,2* 10V) = 12V

\( R_{max} = \frac{V_{in_{min}}-V_{Z}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} =\frac{V_{in_{min}}-V_{O}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} = 120 \Omega \)

\( R_{min} = \frac{V_{in_{max}}-V_{Z}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} =\frac{V_{in_{max}}-V_{O}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} = 70 \Omega \)

Alegem valoarea lui \( R \) din intervalul 70 \( \Omega \) și 120 \( \Omega \).

Schema electronică a circuitului :

3.Proiectați și desenați schema unui regulator ( stabilizator ) cu diodă zener cu următoarele specificații.

  • Tensiunea de intrare = 20V \( \div \) 30V
  • Tensiune de ieșire = 10V
  • Curent de sarcină = 0mA \( \div \) 10mA
  • \( I_{Zmin} \) = 2mA
  • \( I_{Zmax} \) = 50mA

Pas1.

  • \( V_{in_{min}} \) = 20V
  • \( V_{in_{max}} \) = 30V
  • \( I_{L_{min}} \) = 0mA
  • \( I_{L_{max}} \) = 10mA

Rezistența sarcinii :

\( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{L_{max}}} = 1K\Omega \)

Pas2. Calculăm rezistența seri pentru limitarea curentului:

\( R_{max} = \frac{V_{in_{min}}-V_{Z}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} =\frac{V_{in_{min}}-V_{O}}{I_{L_{max}}+I_{Zmin}} = 833,3 \Omega \)

\( R_{min} = \frac{V_{in_{max}}-V_{Z}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} =\frac{V_{in_{max}}-V_{O}}{I_{L_{min}}+I_{Zmax}} = 400 \Omega \)

Alegem valoarea lui \( R \) din intervalul 400 \( \Omega \) și 833 \( \Omega \).

Schema circuitului :

4.Avem următoarea schemă. Aflați căderea de tensiune pe rezistorul de 5k\( \Omega \)

Circuitul este un regulator ( stabilizator ) cu diodă zener. Cât timp \( I_{Z} \) are valoarea cuprinsă între \( I_{Zmin} \) și \( I_{Zmax} \), tensiunea pe rezistorul 10k\( \Omega \) , \( V_{O} \) , adică tensiunea de ieșire, va fi 50V.

\( V_{Z} \)=\( V_{O} \)=50V

\( V_{in} \)=\( V_{5k} +V_{z} \) \( \Rightarrow \) 100V=\( V_{5k} \) +50V \( \Rightarrow \) \( V_{5k} \) = 100V – 50V = 50V.

Căderea de tensiune pe rezistorul cu valoarea de 5k\( \Omega \) este de 50V.

5.Avem schema următoare. Calculați intervalul de valori pentru \( I_{L} \) și \( R_{L} \) dacă tensiunea de ieșire trebuie menținută la valoarea de 10V.

\( I = I_{L} + I_{Z} \)

Curentul prin rezistorul \( R \) este :

\( I = \frac{V_{R}-V_{Z}}{R} = 40mA

Când \( I_{L} \) este minim \( \Rightarrow \) \( I_{Z} \) este maxim:

\( I = I_{L_{min}} + I_{Zmax} \Rightarrow \) 40mA = \( I_{L_{min}} \) +32mA \( \Rightarrow \) \( I_{L_{min}} \) = 8mA.

\( R_{Lmax}=\frac{V_{O}}{I_{L_{min}}} = 1,25K\Omega \)

Când \( I_{L} \) este maxim \( \Rightarrow \) \( I_{Z} \) este minim:

\( I = I_{L_{max}} + I_{Zmin} \Rightarrow \) 40mA = \( I_{L_{max}} \) +5mA \( \Rightarrow \) \( I_{L_{max}} \) = 35mA.

\( R_{Lmin}=\frac{V_{O}}{I_{L_{max}}} = 285,7\Omega \)

Valoarea lui \( I_{L} \) este între 8mA și 35mA.

Valoarea lui \( R_{L} \) este între 285 \( \Omega \) și 1,25k\( \Omega \).

6.Pentru următoarea schemă calculați : \( V_{L} \), \( V_{R} \), \( I_{Z} \) și \( I_{R} \).

Soluție :

  • \( V_{L} \) = Tensiunea pe sarcina \( R_{L} \)
  • \( V_{R} \) = Tensiunea pe rezistorul \( R \)
  • Curent de sarcină = 0mA \( \div \) 10mA
  • \( I_{Z} \) = curentul zener
  • \( I_{R} \) = curentul prin rezistorul \( R \).

\( I = I_{R} = I_{L} + I_{Z} \)

\( V_{L} \) = \( V_{Z} \) = 10V

Aplicăm Kirch. pe un ochi ( \( V_{in} \), \( R \), \( D_{z} \) :

– \( V_{R} \) – 10V – 20V = 0 \( \Rightarrow \) \( V_{R} \) = 10V

\( I_{R}=\frac{V_{R}}{R} = 14,28mA \)

\( I_{L}=\frac{V_{Z}}{R_{L}} = 8,33mA \)

\( I = I_{R} = I_{L} + I_{Z} \Rightarrow I_{Z} = I – I_{L} \) = 5,95mA.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.



Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert