Parametrický stabilizátor napätia


       Tieto stabilizátory sa používajú na stabilizáciu napätia pri odoberaných prúdoch jednotky až desiatky miliampér. V súčasnosti sa pre odbery väčšich prúdov nepoužívajú. Ako už bolo spomenuté, pre realizáciu týchto typov stabilizátorov sa používajú elektronické prvky, u ktorých je vhodná VA charakteristika, ktorá sa dá na daný cieľ využiť. Napr.: Zenerové diódy, tlejivky a pod.

       Na stabilizáciu napätí do niekoľko desiatok voltov sa používajú tlejivky, pre rozsah napätí od 3V do 30V sa používajú Zenerové a lavínové diódy a pre napätia pod 3V usmerňovacie diódy.

       Na nasledujúcich obrázkoch je znázornený parametrický stabilizátor so Zenerovou diódou a graf znázorňujúci princíp jeho činnosti.


       Ako zo schémy vidno, ide o veľmi jednoduché zapojenie, pozostávajúce zo samotnej Zenerovej diódy a rezistora RS. Rezistor RZ nie je súčasťou stabilizátora, je to pripojená záťaž na výstupe stabilizátora.

       Ak si všimneme graf, vidíme, že pre účely stabilizácie sa využíva VA charakteristika Zenerovej diódy v závernom smere. Táto vykazuje medzi bodmi A a B veľmi strmý lineárny priebeh. Preto sa tento úsek používa pre potreby stabilizácie napätia. Nad bodom  A  je VA charakteristika zakrivená a prúd Zenerovou diódou zaniká, teda stabilizačný účinok sa neuplatňuje. Pod bodom B nadobúda prúd Zenerovou diódou hodnoty, ktoré spôsobia deštrukciu P-N priechodu, teda dochádza k prierazu, napätie na dióde klesá a prúd prudko narastá.

       Graf zároveň znázorňuje polohu pracovného bodu P0 Zenerovej diódy. Polohu pracovného bodu určuje priesečník zaťažovacej priamky obvodu pri danom vstupnom napätí U1 a rezistore RS s VA charakteristikou Zenerovej diódy. Ako z grafu vidíme, pri zmene vstupného napätia z hodnoty U1 na hodnotu U1' - čo môže byť aj niekoľko voltov, sa pracovný bod posunie z bodu P0 do bodu P0'.  Tejto zmene pracovného bodu Zenerovej diódy zodpovedá zmena výstupného napätia z hodnoty U2 na hodnotu U2',  čo je len niekoľko 100 mV.  Z tejto skutočnosti vyplýva, že Zenerová dióda má stabilizačný účinok na výstupné napätie U2 a udržiava ho približne na konštantnej hodnote aj pri veľkých zmenách vstupného napätia U1.

Preto, aby výstupné napätie stabilizátora realizovaného pomocou Zenerovej diódy bolo čo najstabilnejšie, musia byť splnené niektoré podmienky a to :

1) Prúd IZD tečúci Zenerovou diódou musí byť (2÷5)-krát väčší ako prúd I2 tečúci záťažou RZ.  Vtedy bude mať zmena odporu záťaže RZ  zanedbateľný vplyv na zmenu napätia U2.
2) Vnútorný dynamický odpor stabilizačnej diódy  rT musí byť čím menší a odpor sériového rezistora RS čím väčší, aby zmena napätia U2 bola čo najmenej závislá od zmeny vstupného napätia U1.

Pre všetky parametrické stabilizátory možno činiteľ stabilizácie vypočítať zo zjednodušeného vzťahu:

a jeho hodnota je niekoľko 10-tok.  Vnútorný odpor stabilizátora RTstu sa približne rovná vnútornému dynamickému odporu stabilizačnej diódy  rT.  Pri použití tlejivky jeho hodnota je niekoľko 10-tok ohmov, pri použití Zenerovej alebo lavínovej diódy sú to 1-tky W.  Stabilizátor s plošnou usmerňovacou diódou má vnútorný odpor okolo 1 W.

       Pri stabilizácii vyšších napätí môžeme stabilizačné súčiastky zapojiť do série ( zapojením dvoch Zenerových diód na 5V do série dostaneme stabilizačný prvok na 10V.)

       Ak potrebujeme činiteľ stabilizácie väčší ako 10-tky, môžeme zapojiť dva alebo viac parametrických stabilizátorov napätia do kaskády (musí však platiť, že predchádzajúci stabilizátor musí stabilizovať vyššie napätie ako nasledujúci.) Výsledný činiteľ stabilizácie je súčinom dielčích činiteľov stabilizácie použitých stabilizátorov.

       Parametrickým stabilizátorom sa zvykne tiež hovoriť, že sú to stabilizátory riadené zo vstupu. Je to preto, lebo poloha pracovného bodu P0  je ovplyvňovaná priamo zmenou vstupného napätia U1.

       Nevýhoda opísaných stabilizátorov je to, že majú pomerne veľký vnútorný odpor, malý činiteľ stabilizácie a veľmi malú energetickú účinnosť, pretože sériový rezistor RS  musí mať pre dobrú stabilizáciu veľký odpor ( stráca sa na ňom veľká časť vstupného napätia, ktoré sa volí asi 1,5×UZD, teda 1,5×U2) a prúd IZD je, už ako bolo spomínané, (2÷5)-krát väčší, ako užitočný prúd I2 pretekajúci záťažou RZ.

       Minimalizovať spomínané nevýhody parametrických stabilizátorov realizovaných len Zenerovou diódou môžeme zapojením tranzistora vo funkcii tzv. "emitorového sledovača" na výstup pôvodného stabilizátora. Takéto zapojenia sú na nasledujúcich obrázkoch :


obr. 1
 
obr. 2

       Zapojenia na obrázkoch nám umožňujú odoberať z parametrického stabilizátora napätia väčší prúd a teda zlepšiť energetickú účinnosť stabilizátora. Zapojenie na obr. 1 okrem zlepšenia energetickej účinnosti iné vlastnosti výrazne neovplyvňuje. Činiteľ stabilizácie je skoro zrovnateľný s pôvodným, keď je zapojená v stabilizátore len Zenerová dióda. Je to hlavne preto, lebo výkonové tranzistory majú relatívne malý prúdový zosilňovací činiteľ h21E ( rádovo 10-tky ) z dôvodu čoho, musí mať odpor rezistora RS pomerne malú hodnotu, aby zmeny prúdu bázy IB tranzistora T1 neovplyvňovali výrazne prúd IZD Zenerovej diódy a tým aj napätie UZD na nej.

Napätie U2 na výstupe stabilizátora na obr. 1 je dané rovnicou :

U2 = UZD - UBE1

Výstupný prúd I2 stabilizátora napätia na obr. 1 je daný rovnicou :

I2 = h21E.IB

       Výrazné zlepšenie vlastností parametrického stabilizátora napätia môžeme dosiahnúť zapojením dvoch tranzistorov v tzv. "Darlingtonovom zapojení", ako to je znázornené na obr. 2.  Výstupný prúd stabilizátora je daný zjednodušenou rovnicou :

I2 = h21E1.h21E2.IB

Výstupné napätie stabilizátora je dané vzťahom :

U2 = UZD - UBE1 - UBE2

       Činiteľ stabilizácie ( a to tak KSUU  ako aj KSUR)  je výrazne vyšší ako u stabilizátora len so Zenerovou diódou a to preto, lebo prúd IB  je veľmi maly a jeho zmeny vplyvom zmien výstupného prúdu I2 sú zanedbateľné, teda neovplyvňujú prúd IZD a teda v konečnom dôsledku ani napätie UZD.  K tejto skutočnosti prispieva aj to, že odpor rezistora RS  na obr. 2  je výrazne väčší ako na obr. 1.

       Aj napriek hore spomínaným nevýhodám, sa parametrické stabilizátory používajú. Veľké uplatnenie majú v zdrojoch referenčných napätí, kde sú zapojené do vetvy zápornej spätnej väzby jednosmerného zosilňovača s veľkým ziskom. Ako ukážku takéhoto použitia Zenerovej diódy uvádzam vnútorné blokové zapojenie monolitického stabilizátora napätia MAA 723 :


Úplne na záver si ešte pripomenieme parametre, ktoré sa u stabilizačných diód sledujú pri návrhu parametrického stabilizátora napätia :

a)   Zenerové napätie UZD  - určuje sa z katalógu.
b)   Dynamický odpor rT  Zenerovej diódy  - určuje sa z katalógu alebo zo vzťahu :
    [W ; V, A]

- má byť čo najmenší.

c)   Stratový výkon PZD  - určuje sa z katalógu alebo výpočtom :
PZD = UZD.IZDmax     [W ; V, A]

d)   Teplotný súčiniteľ napätia KZ  Zenerovej diódy, ktorý u diód so Zenerovým napätím UZD < 5 V  je záporný ( uplatňuje sa Zenerov jav )  a  u diód so Zenerovým napätím UZD > 5 V je kladný ( uplatňuje sa lavínový jav.)




!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu