LABAT 3 Stabilizator cu diodă Zener Se studiază stabilizatorul parametric cu diodă Zener si apoi cel cu diodă Zener şi tranzistor. Se determină întâi tensiunea Zener a diodei şi se calculează apoi un stabilizator simplu cu dioda Zener şi rezistenţă de balast. Se ridică o caracteristica de ieşire pentru tensiunea minima la intrare. Se vor evalua şi parametrii principali, rezistenţa de ieşire şi coeficientul de stabilizare. Se adaugă un tranzistor serie şi se ridică din nou caracteristica de ieşire pentru o tensiune minimă la intrare. Se vor evalua parametrii principali şi în acest caz. 3.1. Introducere teoretică Un stabilizator de tensiune continuă, STC, este un circuit care, alimentat de la o sursă de tensiune continuă ce prezintă variaţii ale tensiunii, furnizează la ieşire o tensiune a cărei variaţie sa fie mult mai mică. Se mai numeste curent sursă stabilizată. a) b) Fig. 3.1. Stabilizatorul de tensiune continuă privit ca un cuadripol (a), şi caracteristica de ieşire ideală (b). Un stabilizator e privit obişnuit ca un cuadripol (figura 3.1a). El menţine constantă tensiunea între două puncte conectate la o sarcină. Ideal variaţia este zero (figura 3.1b) dar pentru un stabilizator real există o variaţie care depinde mai ales de variaţiile tensiunii de intrare, ale curentului de ieşire şi ale temperaturii. Un STC are două mărimi principale: 1. Tensiunea de ieşire U ; 2. Curentul maxim de ieşire I M. Parametrii STC Calitatea STC se defineşte prin câţiva parametri, cei mai importanţi fiind: -rezistenţa de ieşire, (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia curentului de ieşire pentru U I constantă) I I (3.1) -coeficientul de stabilizare, S (care dă inversul variaţiei tensiunii de ieşire funcţie de variaţia tensiunii de intrare pentru I constant)
S I I Stabilizator cu diodă Zener Schema cea mai simplă şi mai folosită de stabilizator este prezentată în figura 3.2. (3.2) Fig. 3.2. Stabilizator parametric cu diodă Zener. Dioda Zener trebuie polarizată în regiunea inversă, peste punctul de străpungere, astfel că U I trebuie să fie mai mare decât tensiunea Zener a diodei, U Z. ezistenţa se mai numeşte rezistenţă de balast şi ea limitează curentul prin diodă la valori nepericuloase. Calculul unui STC cu diodă Zener bişnuit pentru un stabilizator se cer: - tensiunea de ieşire - U - curentul maxim de ieşire - I M atunci când se cunoaşte evoluţia tensiunii de intrare, U I, care variază între două valori: -U Im tensiunea de intrare minimă; -U IM tensiunea de intrare maximă Stabilizatorul funcţionează bine atâta vreme cât dioda Zener este în zona de stabilizare iar puterea pe diodă este sub limita permisă, situaţiile limită fiind prezentate în continuare. 1. Curentul prin diodă este la limita inferioară atunci când tensiunea de intrare este la valoarea minimă iar curentul prin sarcină este maxim; 2. Curentul prin diodă este la limita superioară atunci când tensiunea de intrare este la valoarea maximă iar curentul prin sarcină este minim; Alegerea diodei - tensiunea Zener a diodei se va alege tensiunea de ieşire, U ; - puterea diodei trebuie să fie mai mare cu 20 50% decât puterea de ieşire maximă: P M = U I M (3.3) Ultima condiţie poate fi echivalată cu o condiţie de curenţi, şi anume curentul maxim al diodei să fie cu 20 50% mai mare decât curentul maxim de ieşire. În funcţie de datele de catalog se va utiliza una sau alta dintre ele. Calculul ezistenţa trebuie să asigure curentul minim prin dioda Zener, I Zm, în condiţiile:
- U Im - tensiunea de intrare minimă; - I M - curentul maxim de ieşire Curentul prin este în aceste condiţii: U I Im = I Zm + I M (3.4) de unde va rezulta, care va fi o valoare maximă (fiind calculată pentru un curent minim). ezistenţa fizică aleasă va fi obişnuit puţin sub această valoare. Dacă nu este precizat un curent I Zm în foile de catalog acesta se alege de ordinul a 1-5% din curentul maxim. În final se face o verificare a curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile: - U IM - tensiunea de intrare maximă; - I =0 - curentul minim de ieşire U U I ZM = I M = IM (3.5) Dacă se obţine un curent mai mare decât cel al diodei alese se va alege o diodă de curent (putere) mai mare. Performanţele acestui stabilizator sunt modeste şi sunt date de urmatoarele relaţii: S (3.6) rz (3.7) r Z Stabilizator serie cu tranzistor Dacă se adaugă un tranzistor serie (figura 3.3) se obţine cel mai simplu stabilizator cu reacţie care utilizează un stabilizator parametric cu diodă Zener ca referinţă de tensiune şi un tranzistor care are simultan rol de comparator şi element de control serie. Fig. 3.3. Stabilizator serie cu diodă Zener şi tranzistor. ezistenţa internă este mult mai mică faţă de stabilizatorul fără tranzistor: rz (3.8) unde β este factorul de amplificare în curent al tranzistorului.
3.2. Mersul lucrării 1. Se va stabili experimental, cu montajul din figură, caracteristica diodei. Se completează tabelul 1. U Z se va considera tensiunea masurata la 10 ma. Ştiind puterea disipată maximă a diodei, P D = U Z I ZM = 1 W, se va stabili şi I ZM, curentul maxim al diodei. 2. Se va stabili curentul minim prin dioda Zener, I Zm, ca fiind 5% din I ZM şi, folosind relatiile (3.4), (3.5), se calculează pentru un stabilizator cu diodă Zener (figura 3.2) cu datele: U = U Z ; I = I ZM /2; U Im = 1,5 U Z ; U IM = 2 U Z 3. Se va verifica experimental calculul ridicând o caracteristică de ieşire U(I) pentru o tensiune de intrare U Im cu montajul din figura de jos. Se completează tabelul 2. Se vor calcula în prealabil curenţii dependenţi de I ZM. ezistenţa variabilă var va fi realizata prin punerea în paralel pe rand a rezistenţelor anexe care în prealabil vor fi măsurate, ordonate şi plantate avand un punct comun. Pentru cazul 0,5I ZM se va dubla tensiunea de intrare şi se notează tensiunea de ieşire. 4. Se va adăuga un tranzistor BC 139 ca în figura de jos şi se ridică similar o caracteristică de ieşire U (I) pentru o tensiune de intrare U Im. Se completează tabelul 3. Pentru cazul 2 I ZM se va dubla tensiunea de intrare şi se notează tensiunea de ieşire
3.3. eferat 3 EA Stabilizator cu diodă Zener Nume Grupa Data Tabel 1 I ma 0 1 2 5 10 20 50 100 U V Tensiunea Zener U Z = ezistenţa dinamica r Z = Curentul maxim al diodei I ZM = Calcul stabilizator: Date de pornire: U = I = U Im = U IM = Calcul : Tabel 2 Ω 1000 470 220 150 100 47 22 I ma U V U = pentru cazul 0,5I ZM şi U var = 2U Im Calcul parametri, S (relatiile 3.1 şi 3. 2): Verificare relaţii (3.6), (3.7): Tabel 3 Ω 1000 470 220 150 100 47 22 I ma U V U = pentru cazul 2I ZM şi U var = 2 U Im Calcul parametri, S (relatiile 3.1 şi 3. 2): Verificare relatii (3.6), (3.8): bservaţii:
3.4. Conţinutul referatului 3 eferatul va fi întocmit conform formularului atasat. El va conţine: 1. Nume, prenume, data, grupa; 2. Tabelul 1 completat; 3. Valoarea U Z, r Z, rezistenţa dinamică (relaţia generală d ) la mijlocul I caracteristicii şi I ZM ; 4. Calculul stabilizatorului; 5. Verificarea curentului maxim în cazul unei tensiuni de intrare maxime; 6. Tabelul 2 completat; 7. Tensiunea U masurată suplimentar prin dublarea U Im ; 8. Calcul parametrii, S pentru stabilizatorul cu dioda Zener; 9. Verificarea relatiilor 6 şi 7; 10. Tabelul 3 completat; 11. Tensiunea U masurată suplimentar prin dublarea U Im ; 12. Calcul parametrii, S pentru stabilizatorul cu diodă Zener şi tranzistor; 13. Verificarea relaţiilor 6 şi 8; 14. Curbele caracteristicilor de ieşire pe un acelaşi grafic; 15. bservaţii.