Автор: Здравствуйте! В этой статье мы поговорим про стабилитрон, а так же рассмотрим простую схему стабилизации напряжения с использованием стабилитрона, который обеспечивает поддержание постоянного напряжения на его выводах.
Что такое стабилитрон
Стабилитроны — это специальные устройства, которые можно соединять последовательно, создавая более высокие напряжения. В схемах с стабилитронами обязательно должен присутствовать токоограничивающий (или балластный) резистор. Это необходимая мера, поскольку стабилитроны стремятся поддерживать фиксированное напряжение на своих выходах, забирая при этом ток из источника питания. Важно отметить, что эффективность схемы играет значительную роль. Импеданс стабилизирующего элемента может быть довольно низким.
Шунтирующий резистор
Если не предусмотреть ограничивающий резистор, стабилитрон может выйти из строя из-за чрезмерного тока. Поэтому использование ограничивающего резистора является обязательным. Поскольку регулирующий элемент шунтируется через нагрузку, такую схему часто называют регулятором шунтирующего типа. Этот метод стабилизации особенно подходит для устройств с низким энергопотреблением, где требуется всего несколько миллиампер тока и изменение напряжения или тока при различных нагрузках не превышает нескольких процентов. Поскольку весь ток, проходящий через ограничивающий резистор, состоит из тока, поступающего к нагрузке, и тока, необходимого для работы регулятора, эффективность такой схемы может быть довольно низкой, особенно при малых нагрузках.
Простой регулятор напряжения
Когда нагрузка отключается или меняется, через регулятор может протекать значительный ток. Это не вызывает проблем в небольших схемах, например, в схемах генераторов, которые потребляют всего несколько миллиампер. Однако в более сложных схемах, таких как цифровые устройства, где ток может достигать 1 ампера при 5 вольтах, это становится серьёзной проблемой. В ситуациях, когда в схеме присутствуют светодиоды и переключатели, устройство может в режиме ожидания потреблять менее 50 миллиампер, а в активном режиме — значительно больше, до 1 ампера. В таких случаях использование стабилитронного регулятора может оказаться крайне неэффективным. Он будет пропускать примерно 1 ампер, пока система не будет включена, а значит, не начнёт потреблять свой рабочий ток.
В итоге, если входное напряжение составляет 12 вольт, эффективность регулятора, преобразующего с 12 В до 5 В, может оказаться очень низкой, поскольку постоянная нагрузка на 12-вольтовом источнике питания будет превышать 1 ампер, даже если нагрузка на выходе 5 Вольт минимальна. Это эквивалентно выделению тепла мощностью 12 Вт или даже больше, что является крайне неэффективным. Одним из простых решений этой проблемы может стать использование активного регулятора, который не требует такого большого тока для своей работы. Тем не менее, следует иметь в виду, что на активном регуляторе всегда будет наблюдаться определенная потеря напряжения, так как он функционирует как усилитель. Это значит, что для его работы необходимо обеспечение определённого напряжения.
Например, напряжение между базой и эмиттером транзистора составляет от 0,6 до 0,7 вольт, и в резисторах смещения также будут потери напряжения. Входное напряжение должно быть постоянно на 2-5 вольт выше максимального выходного напряжения. Если это условие не будет соблюдено и напряжение упадет ниже этого уровня, может возникнуть влияние на управление выходным сигналом. Данное минимальное напряжение должно поддерживаться даже при минимальных входных данных в условиях полной нагрузки. Если оно падет ниже этого порога, это может привести к потере управления, особенно при мгновенных изменениях, вызванных пульсациями на входе или переходными процессами в нагрузке.
Преимущества стабилитрона
Давайте рассмотрим, какие преимущества предоставляет стабилитрон. Они особенно актуальны в случаях, когда необходимо поддерживать стабильное напряжение при низких токах. Стабилитроны отличаются простотой настройки и могут обеспечить достаточно точный выходной сигнал, независимо от условий окружающей среды. Чтобы настроить регулятор напряжения на основе стабилитрона, потребуется всего лишь один резистор, что упрощает интеграцию этого элемента в различные схемы и позволяет легко достичь необходимых характеристик.
Недостатки стабилитрона
Теперь рассмотрим и недостатки стабилитрона. Несмотря на то что стабилитронные источники питания представляют собой быстрый и эффективный способ получения стабилизированного выходного напряжения, у них есть и серьезные лимитации. Во-первых, выходной ток стабилитрона низкий, что ограничивает его возможность поддерживать высокие нагрузки. Во-вторых, стабилизация эффективна только при малых изменениях входного и выходного напряжения — входное напряжение не должно превышать выходное. В противном случае, при чрезмерном напряжении, может происходить значительное рассеивание энергии, что снижает общую эффективность системы. Кроме того, работа стабилитрона может сопровождаться шумами, которые негативно сказываются на производительности чувствительных устройств, таких как усилители высокого качества и другие деликатные схемы. Это делает стабилитроны менее подходящими для определенных высококачественных приложений.
В этой статье я рассмотрел, как работает стабилитрон, и простой регулятор напряжения на базе стабилитрона. Подписывайтесь на сайт, что бы не пропустить новые статьи. До новых встреч.
