Аннотация: В дополнение к предыдущей статье о генераторах тока
Стабилитрон и стабистор.
Эта статья написана в качестве дополнения к статье
Генератор тока (источник тока).
Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.
Мне на почту приходят вопросы о том, как я рассчитывал изменение напряжения на стабилитроне при изменении питающего напряжения.
Почему, например, при изменении Uпит с 18 до 36 Вольт напряжение на стабилитроне КС139 изменится на 0,53 Вольта?
Когда я писал статью не посчитал нужным описывать процесс расчета, так как писал несколько о другом.
Но, по-видимому, нужно "расставить точки над и".
Расчёт и прост и сложен одновременно.
На рисунке изображена стилизованная вольт-амперная характеристика стабилитрона.
Участок dI - зона стабилизации.
dU = Uстаб max - Uстаб min
Как Вы видите, при изменении протекающего тока изменяется и напряжение на стабилитроне.
Участок зоны стабилизации это тот участок, где определяется динамическое сопротивление стабилитрона.
Rст = dU/dI
В разных справочниках его называют по-разному, где-то динамическое, где-то дифференциальное.
На мой взгляд, лучше - динамическое.
Если Вы знаете каковы: dI (рассчитывается) и Rст (из справочника) то можно рассчитать и dU.
Нужно только понимать, что ток не должен выходить за пределы Imin и Imax (об этом рассказано в предыдущей статье).
И учитывать, что на малых токах возрастает Rст (иногда это указывают в справочниках).
Вот схема простейшего источника опорного напряжения (ИОН).
Рассчитывал я так.
Первое что нужно - это рассчитать изменение тока через балластный резистор.
Закрыв глаза на то что при изменении напряжения питания изменяется и напряжение на стабилитроне, т.к. второе изменение несопоставимо мало, получим следующую формулу:
dI = (Umax - Uст)/Rбал - (Umin - Uст)/Rбал
где: dI - изменение тока через Rбал., а следовательно и через стабилитрон.
R - сопротивление балласта.
Umax и Umin - максимальное и минимальное напряжение питания.
Далее берём из справочника величину динамического сопротивления стабилитрона - Rст.
И вычисляем величину изменения напряжения на стабилитроне - dU, при заданном предполагаемом изменении питающего напряжения (например от 18 до 36 вольт).
dU = dI * Rст,
где: Rст - динамическое сопротивление стабилитрона
dU - изменение напряжения на стабилитроне.
Для КС139 который имеет Rст = 60 Ом, при Rбал = 2кОм расчёт выглядит так:
Вычисляем изменение напряжения на стабилитроне, т.е. величины опорного напряжения - dUоп.
dUоп. = dI * Rст = 0,009 * 60 = 0,54В.
В предыдущей статье я несколько погорячился, произведя расчёт в уме, и получил 0,53В.
Но ошибка не очень критична. Потом скажу почему.
Rст. может называться по разному.
Иногда его называют дифференциальным сопротивлением, иногда импедансом и обозначают буквой Z, иногда крутизной характеристики или вольтамперной характеристикой (сокращённо - ВАХ) и единицей измерения могут быть не Омы а В/А.
Но как Вы наверное понимаете это одно и тоже (Вольт, делённый на Ампер это тот же Ом).
Мне больше нравится название "крутизна характеристики".
Оно более точно отражает существо дел.
Кстати, эта характеристика может встретится Вам в справочниках по микросхемам, предназначенным для построения импульсных источников питания.
Почему я сказал, что расчёт и прост и сложен?
Потому что я не учёл в формуле это самое изменение напряжения на стабилитроне.
Но этого и не нужно оно настолько мало по сравнению с изменением напряжения питания, что та точность расчета, которую Вы получите, никакой пользы Вам не принесёт.
Дело в том, что все детали имеют разброс в своих характеристиках, этот разброс сведёт на нет всю точность расчета.
Например: если Вам потребуется построить источник с нестабильностью менее 2%, Вы будете вынуждены подстраивать его дополнительными подстроечными элементами.
Если Вас не очень волнует величина нестабильности, а это зачастую позволяет свести к минимуму издержки производства. То тогда тем более нет смысла заморачиваться с точными расчётами.
Это относится и к специализированным микросхемам типа ТОР, TL431, а также к оптронам, используемым в развязке цепи управления между входом и выходом в импульсных блоках питания.
Все расчёты при проектировании блоков питания носят оценочный характер.
Только при создании опытного образца можно будет понять, а что делать дальше?
Что ещё хотелось бы сказать о диодах, используемых в качестве стабилизаторов напряжения.
У всех на слуху название - СТАБИЛИТРОН.
Но есть и другое название - СТАБИСТОР.
В чём различие?
Вот две схемы источников опорного напряжения:
На первой схеме присутствует всем известный стабилитрон, на второй - мало кому известный стабистор.
Стабилитрон поддерживает более - менее стабильное напряжение на обратной ветви ВАХ, а стабистор на прямой.
Стабисторы нужны тогда, когда требуется получить малое напряжение стабилизации. Меньше 2 вольт.
Правда коэффициент стабилизации оставляет желать лучшего но "на безрыбье и рак - щука".
Тем более, что мы вместо балластного резистора можем включить генератор тока (см. предыдущую статью).
На самом деле стабистором является практически любой кремниевый диод. Если вы заглянете в справочные данные то найдёте там такую характеристику как Uпр - прямое падение напряжения. Задаётся оно при определённом прямом токе.
Чем Вам не стабистор?
Это свойство диодов можно использовать в повседневной жизни.
Допустим у вас есть устройство которое питается от двух батареек 1,5В, т.е. от 3-х вольт.
Это устройство эксплуатируется стационарно, ни куда не переносится (например - домашняя метеостанция).
Вам надоело менять батарейки, ещё хуже, если станция устроена так, что батарейки вместе с ней находятся на улице. Сами понимаете, что будет с ними при минус 40 по Цельсию.
Желательно вывести провод питания из отапливаемого помещения и желательно избавиться от батареек.
Можно конечно пуститься "во все тяжкие" и собрать-таки сетевой блок питания с выходным напряжением 3 вольта.
Но лень - этот великий двигатель прогресса и она не позволит настоящему инженеру пойти таким путём!
Настоящий инженер это тот, кто для решения сложной задачи может найти наиболее простой способ решения.
Так вот. Вернёмся к нашим баранам, то есть - диодам.
Как, особенно не напрягаясь, получить сетевой источник 3 вольта для уличного блока метеостанции?
Самый простой выход - использовать свойство диодов работать как стабисторы.
Берём любое пятивольтовое зарядное устройство для мобильных телефонов. Зачастую дома их скапливается множество. На самом деле зарядными устройствами они не являются, это просто блок питания на пять вольт.
Открываем его и устанавливаем внутри маленькую платку.
Здесь:
VD это - 2 или 3 маломощных кремниевых диода.
R - резистор 510 Ом.
Параллельно R желательно включить конденсатор. Думаю, 10мкФ хватит, но чем больше, тем лучше.
Количество диодов зависит от их типа, здесь они выполняют роль стабисторов. Можно взять конечно и стабистор с напряжением около 2-х вольт, но такое очень редко бывает под рукой. Реальное падение напряжения на каждом из диодов может быть от 0,65V до 1,0V, от этого зависит их количество. Ну это арифметика начальных классов школы.
В любом случае Вам удастся получить напряжение близкое к необходимому уровню.
Большой точности не требуется, т.к. все устройства рассчитаны на некоторый разброс напряжения питания.
Резистор R можно не ставить, но без него на холостом ходу (т.е. когда не будет подключено питаемое устройство), Вы можете намерять несколько большее напряжение.
Может возникнуть вопрос.
А почему не заменить диоды резистором?
Ну, в принципе можно.
Если у Вашего устройства стабильный ток потребления, то можно использовать и резистор. В этом случае после резистора параллельно устройству просто необходимо подключить конденсатор.
Но такой источник уже не будет стабилизатором напряжения.
Ну вот. Кажется, это всё что я хотел рассказать о стабилитронах.
