Analiza funcționării și proiectarea unui stabilizator de tensiune continuă realizat cu o diodă Zener 1 Caracteristica statică a unei diode Zener În cadranul, dioda Zener (DZ) se comportă ca o diodă redresoare În cadranul, DZ funcționează în zona de străpungere a caracteristicii statice, stabilizând tensiunea la borne Dintre valorile precizate de catalog pentru o diodă Zener se vor utiliza: Curentul de test, ZT ; Curentul minim de stabilizare, ZK ; Curentul maxim de stabilizare, ZM ; Tensiunea nominală de stabilizare, determinată la curentul ZT ; Puterea disipată maximă, P max ZT, În cadranul, apare reprezentată cu linie punctată hiperbola de disipație maximă Această curbă reunește toate punctele în care Z KA Pmax Fig A 1
2 Funcția și schema de principiu a unui stabilizator de tensiune continuă (STC) realizat cu o diodă Zener Funcția circuitului: Stabilizatorul de tensiune continuă furnizează la ieșire o tensiune aproximativ constantă în condițiile în care tensiunea S de intrare, curentul O de ieșire și temperatura ambiantă de funcționare ( T a ) variază între limite precizate Pulsațiile tensiunii de intrare a STC sunt reprezentate cu portocaliu în figb și au valoarea vârf la vârf de 392mV Pulsațiile tensiunii de ieșire a STC sunt reprezentate cu verde în figb și au valoarea vârf la vârf de aprox 5,3mV Fig B 2
Schema de principiu a stabilizatorului de tensiune continuă realizat cu o diodă Zener este reprezentată în fig 1 Dioda Zener DZ funcționează în zona de străpungere a caracteristicii statice Fig 1 S DZ STC Z O = KA O L S KA KA Z O Z L Ca urmare, S Z KA KA L sau S Z 1 KA (1) L elația (1) reprezintă ecuația dreptei de sarcină În fig3, dreapta de sarcină este notată cu Δ 3 Funcționarea stabilizatorului de tensiune continuă cu o diodă Zener (fig3) În fig2 este reprezentată, simplificat, caracteristica statică a diodei Zener, iar în fig3 este detaliată zona de străpungere (cadranul ) La intersecția dreptei de sarcină Δ cu caracteristica statică a diodei în zona de străpungere se obține punctul static de funcționare Q3 (Z3, KA3) Se consideră că acesta corespunde condițiilor nominale de funcționare Coordonatele punctului de funcționare Q 1 sunt ZK și ZK,iar ale punctului Q 2 sunt ZM și ZM Hiperbola de disipație maximă reunește punctele din plan pentru care ZM ZM Pmax 3
4
Circuitul stabilizează tensiunea de ieșire O pentru variații Δ S, Δ O (echivalent cu Δ L punctul static de funcționare al diodei între pozițiile Q 1 și Q 2 (fig3) a) Dacă tensiunea de intrare S crește sau scade și rezistența de sarcină sarcină Δ se deplasează paralel cu ea însăși (fig3) b) Dacă tensiunea de intrare S rămâne constantă și rezistența de sarcină sarcină Δ se rotește în jurul punctului A (fig3) ) și ΔT a care mențin L rămâne constantă, atunci dreapta de L crește sau scade, atunci dreapta de Când punctul static de funcționare al DZ se deplasează între Q 1 și Q 2, tensiunea de ieșire între ZK și ZM Așadar Omin ZK, iar Omax ZM are valori O KA Cele mai defavorabile situații în funcționarea stabilizatorului de tensiune continuă sunt următoarele: 1) tensiunea de intrare S atinge valoarea minimă Smin și rezistența de sarcină este Lmin (adică O O O max ) L min În acest caz, o punctul static de funcționare al DZ coboară până cel mult în poziția Q 1 atât datorită deplasării în jos a dreptei de sarcină, cât și datorită rotirii ei în jos; o În psf Q 1, tensiunea de ieșire atinge valoarea minimă : Omin 2) tensiunea de intrare S atinge valoarea maximă Smax și rezistența de sarcină este Lmax (adică O O O min ) L max În acest caz, o punctul static de funcționare al DZ urcă până cel mult în poziția Q 2 atât datorită deplasării în sus a dreptei de sarcină, cât și datorită rotirii ei în sus; o În psf Q 2, tensiunea de ieșire atinge valoarea maximă : Omax ZK ZM 5
Din punct de vedere matematic, cele 2 situațiile extreme din timpul funcționării STC pot fi astfel exprimate: Smin (Z Omax ) ZK de unde rezultă Smin ZK Z Omax Se impune condiția Z ZK ceea ce conduce la Smin ZK ZK O max Ca urmare, se obține următoarea condiție impusă rezistenței : Smin ZK (2) ZK Omax Smax (Z Omin ) ZM de unde rezultă Smax ZM Z O min Se impune condiția Z ZM ceea ce conduce la Smax ZM ZM Omin Ca urmare, se obține următoarea condiție impusă rezistenței : Smax ZM (3) ZM O min 4 Proiectarea stabilizatorului de tensiune continuă cu o diodă Zener Tema de proiectare: Se cere proiectarea unui STC care să ofere la ieșire o tensiune O 12V în condițiile în care tensiunea de intrare S variază între 22V și 24V, iar curentul de ieșire are valori între 27,9mA și 6mA Proiectare stabilizatorului de tensiune continuă presupune alegerea diodei DZ și alegerea rezistorului Dioda Zener se alege încât tensiunea ei nominală de stabilizare ( ZT ) să fie cât mai apropiată de 12V De exemplu dioda BZX55C12 Din catalog se extrag Precizare: ZM=32mA, ZK=1mA, ZM=12,2V și ZK=11,7V ZM și ZK se obțin din caracteristica statică a diodei, furnizată de producător 6
Dacă se dorește, cunoscându-se Omin =6mA și O max =27,9mA se calculează Lmax =2kΩ și Lmin =430Ω știind că O O max și O O min L min L max Cunoscându-se Smin 22V, Smax 24V, ZM, ZK, ZM, ZK, Omin și O max se înlocuiesc numeric în inegalitățile (2) și (3) și rezultă astfel 2 valori între care trebuie să fie situată valoarea rezistenței S min ZK ZK Omax 22 11,7 1 27,9 V / ma 0,356k S max ZM ZM Omin 24 12,2 32 6 V / ma 0,310k Se alege o valoare standardizată de rezistență între cele 2 valori extreme Seria de valori se stabilește astfel încât, ținând cont de toleranța componentei, valoarea reală a rezistenței să nu fie în afara valorilor extreme obținute din calcule (356 Ω, respective 310 Ω) De exemplu, se alege =330Ω, valoare care apare în seriile de valori standardizate : E6 (toleranța ±20%) - conține 6 valori intre 1 și 10; E12 (toleranța ±10%) - conține 12 valori intre 1 și 10; E24 (toleranța ±5%) - conține 24 valori intre 1 și 10; E48 (toleranța ±2%) - conține 48 valori intre 1 și 10 Se calculează puterea maximă disipată pe rezistorul analizând cele mai defavorabile condiții de funcționare pentru, din acest punct de vedere 7
Notând cu căderea de tensiune la bornele lui, se poate scrie S O Se observă că valoarea maximă a tensiunii la bornele lui apare dacă, accidental, O 0V În această situație max 24V max Smax ezistorul ales trebuie să aibă puterea maximă disipată P max 2 max 2 max 1,75W Ca urmare, se va alege un rezistor de putere Precizări În cazul în care valoarea standardizată aleasă anterior pentru nu există în seria de valori pentru tipul de rezistor de putere ales, se alege o altă valoare standardizată (din seria respectivă), situată între valorile extreme rezultate din calcule Dacă nu este posibil acest lucru sau tolența mare a componentei poate scoate valoarea reală a rezistenței în afara domeniului de valori impuse, atunci se reia priectarea de la alegerea diodei Zener și se caută o diodă cu ZM mai mare 8