На полупроводниковых стабилитронах

Задание. На вход схемы преобразователя напряжения на стабилитронах поступает синусоидальное напряжение частотой f = 50 Гц с амплитудным значением U _вх.m. Для заданной схемы преобразователя напряжения (рис. 4) подобрать по справочнику полупроводниковые стабилитроны, построить временные диаграммы напряжения на стабилитронах и на нагрузке, а также тока, протекающего через стабилитроны и нагрузку. Рассчитать амплитудные значения напряжения U _нm и тока нагрузки I _нm.

Основные параметры полупроводниковых стабилитронов приведены в справочниках [2, 3] и сведены в табл. 3. Варианты заданий в виде значений входного напряжения u _вх, сопротивления нагрузки R _н и напряжения стабилизации U _ст приведены в табл. 4.

Таблица 3

1) 2) 3)

4) 5)

Таблица 4

Методические указания. Перечертить схему преобразователя напряжения на стабилитронах. Проанализировать работу схемы, определить состояния стабилитронов (открытое, закрытое или режим стабилизации) и указать направления протекания токов в схеме для обеих полуволн входного синусоидального напряжения. В соответствии с заданным входным напряжением U _вх.m, сопротивлением нагрузки R _н и напряжениями стабилизации U _ст1, U _ст2 выбрать по справочнику [2, 3] полупроводниковые стабилитроны с учётом коэффициента запаса по току I _пр.max > (1,1…1,2) I_{VD пр} и I _ст.max > (1,1…1,2) I_{VD ст}. Выписать из справочника основные параметры выбранных стабилитронов (для рабочей температуры не выше +50 ^оС): U _ст.ном (В); I _ст.maх (мА); I _ст.min (мА); P _maх (Вт); постоянное прямое напряжение U _пр (В); постоянный обратный ток I _обр (мкА); дифференциальное сопротивление в режиме стабилизации r _ст (Ом); температурный коэффициент напряжения стабилизации a_ст (%/^оС); допустимая температура корпуса T _к (^оС).

С учётом состояния каждого стабилитрона (отперт, заперт или в режиме стабилизации) для обеих полуволн входного напряжения (один период работы преобразователя) построить временные диаграммы напряжения и тока для всех элементов. На полученных диаграммах указать амплитудные значения напряжения и тока. Для расчёта амплитудных значений напряжения и тока следует применить законы Ома и Кирхгофа, а также использовать ВАХ элементов схемы.

Пример решения задачи. В качестве примера решения задачи рассмотрим схему преобразователя напряжения с одним стабилитроном (рис. 5). Исходными данными являются: амплитуда входного синусоидального напряжения U _вх.m = 20 В, сопротивление нагрузки R _н = 100 Oм и напряжение стабилизации U _ст = 5,6 В.

Поскольку на вход преобразователя поступает переменное напряжение, то для решения задачи рассмотрим отдельно работу схемы при положительной и отрицательной полуволнах входного напряжения. При положительной полуволне стабилитрон VD ₁ будет закрыт до тех пор, пока уровень входного напряжения не достигнет напряжения стабилизации U _ст, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода и стабилитрон переходит в режим стабилизации напряжения. При этом напряжение на стабилитроне остаётся практически постоянным, а величина тока меняется в соответствии с законом изменения входного напряжения. При отрицательной полуволне стабилитрон открыт и работает аналогично обычному диоду. При этом через него протекает прямой ток, величина которого ограничивается сопротивлением нагрузки. На рис. 6 приведены схемы замещения для обеих полуволн входного напряжения, на схемах указаны направления токов, протекающих через все элементы и падения напряжения на них.

Для выбора типа полупроводникового стабилитрона рассчитаем максимальный ток стабилизации и максимальный прямой ток стабилитрона, исходя из заданного сопротивления нагрузки. Для положительной полуволны в режиме стабилизации получим:

.

Для отрицательной полуволны входного напряжения, без учёта падения напряжения на открытом стабилитроне, запишем:

.

Тогда, с учётом коэффициента запаса по току k _зап. = 1,1 выберем из справочника силовой стабилитрон с напряжением стабилизации U _ст = 5,6 В, удовлетворяющий условиям:

т.е.

Указанным выше требованиям удовлетворяет кремниевый диффузионно-сплавной стабилитрон средней мощности марки 2С456А с параметрами: U _ст.ном = 5,6 В; I _ст.min = 3 мА; I _ст.maх = 167 мА; P _max = 1 Вт; U _пр = 1 В; I _обр = 1,5 мА; r _ст = 7 (Ом); a_ст = 0,05 %/^оC; T _к = 125 ^оС.

На рис. 6, в построены временные диаграммы работы преобразователя с учётом справочных данных стабилитрона 2С456А. Т.к., нагрузка активная, то ток нагрузки i _н совпадает по форме с напряжением на нагрузке u _н. Для расчёта амплитудных значений тока и напряжения всех элементов цепи используем законы Ома и Кирхгофа.

Амплитудное значение напряжения нагрузки для положительной полуволны равно в режиме стабилизации:

,

тогда амплитуда тока в нагрузке:

.

Для положительной полуволны на участке закрытого состояния через стабилитрон протекает незначительный обратный ток, поэтому напряжение на нагрузке найдём по закону Ома:

.

Для отрицательной полуволны с учётом прямого падения напряжения на открытом стабилитроне амплитудное значение напряжения нагрузки равно:

,

тогда амплитудное значение тока в нагрузке:

.

Полученные амплитудные значения тока и напряжения нанесены на временные диаграммы работы преобразователя (см. рис. 6, в).