Kurs zasilania układów elektronicznych: Stabilizator parametryczny

Badanie napięcia stabilizowanego

Sprawdźmy najpierw czy nasz układ działa, tak jak jest to powiedziane w teorii. Jako R1 wykorzystałem rezystor 470 ohm, a dioda Zenera to 5,1V BZX55C5V1. Otrzymane dane spisałem w tabeli poniżej:

Uwe [V] Uwy [V] Uwe [V] Uwy [V]
1 1 5,2 5,05
2 2 5,3 5,07
3 3 5,4 5,09
4 4 5,5 5,10
4,5 4,5 6 5,13
4,6 4,6 7 5,14
4,7 4,69 8 5,15
4,8 4,77 9 5,16
4,9 4,84 10 5,16
5,0 4,94 11 5,17
5,1 4,98 12 5,17

Jak widać dioda na poziomie napięcia wejściowego (napięcia zasilającego) 5,0 – 5,1V zaczyna wykazywać swoje właściwości. Pełną wartość napięcia Zenera, dioda uzyskuje przy napięciu 5,5V, a wraz ze wzrostem napięcia, wzrastają jedynie setne części napięcia, nie przekraczające tych zawartych w nocie katalogowej:

napiecie-zener

Zatem możemy stwierdzić, że dioda Zenera działa jak należy. Teraz dodajmy do niej obciążenie.

Badanie napięcia stabilizowanego z obciążeniem

stabilizator-zener-1dioda

Dioda LED pobiera prąd 15mA, zatem z prawa Ohma R2 Wynosi:

rl-wynik

Dobrze to teraz policzmy nasze R1 ze wzoru:

r1-obc

r1-wynik

Warto jeszcze policzyć moc wydzielaną na rezystorze R1, żeby się nie okazało, że rezystor nam się spali bo za duży prąd np. na niego poszedł. Wzór na moc rezystora:

mocrezystora

Czyli:

mocr1-uklad1

Jak widać rezystor R1 odbierałby 0,138W mocy, z czego wynika, że zastosowany rezystor spokojnie wytrzyma w takim układzie. Natomiast jeżeli moc wydzielana na tym rezystorze jest większa od mocy rezystora to powinno się go zmienić na większy rezystor, np. 1W, aby układ się nie grzał nadmiernie. Jeżeli nie mamy takiego rezystora to możemy wykombinować tak, że łączymy 2 rezystory równolegle, których rezystancja jest dwa razy większa od tej docelowej i wtedy otrzymamy nasz rezystor, ale ze „zdwojoną mocą”. Nasz układ jest gotowy do działania, zatem składamy i sprawdzamy:

P70211-185814

Jak widać układ działa poprawnie. Spadek napięcia na diodzie Zenera wynosi 5,16V, pobierany przez diodę LED prąd wynosi 13,7 mA co razem z diodą Zenera daje 20,7mA pobieranego prądu. Teraz można się zastanowić gdzie jest haczyk w tym całym układzie. Otóż ten haczyk nazywa się sprawnością układu. Po przez sprawność układu rozumiemy stosunek energii otrzymanej do energii dostarczonej. Czyli: sprawnosc-wzor

sprawnosc-1ukladu

Zatem wydajność naszego układu wynosi prawie 43% co jest bardzo bardzo słabym wynikiem. Oznacza to, że ponad 57% dostarczanej energii idzie w powietrze w postaci ciepła wydzielanego na elementach układu. Sprawność powinna być zawsze jak najwyższa, żeby osiągnąć jak najmniejsze straty energii.

Dobrze, zbudujmy zatem jeszcze jeden układ, tylko tym razem posiadający 4 diody LED.

stabilizator-zener-4diody

Liczmy R2:

r2-uklad2

Liczymy R1:

r1-uklad2

mocr1-uklad2

Układ policzony i montujemy:

P70211-191034

Miernik po lewej wskazuje prąd pobierany przez diody LED (44,5 mA), natomiast miernik po prawej wskazuje spadek napięcia na diodzie Zenera (5,22 V). Cały układ pobiera 62,2mA. Zatem policzmy sprawność tego stabilizatora:

sprawnosc-2uklad

Jak widać sprawność tego układu nie jest o wiele większa w porównaniu z poprzednim. Zatem wniosek nasuwa się tylko jeden. Sprawność stabilizatora na bazie diody Zenera jest bardzo niska i ze względu na nią, dioda Zenera jako stabilizator napięcia nie nadaje. Jest jeszcze jedna sprawa, której do tej pory nie poruszyłem, a też jest bardzo ważna, wręcz nawet ważniejsza. Wykorzystam jeszcze raz pierwszy układ, lecz będę zmieniać parametr napięcia wejściowego:

Uwe [V] Iwy [mA] Uwe [V] Iwy [mA]
5,1  5,6 7 9,0
5,2 5,8 8 10,5
5,3 6,0 9 12,5
5,4 6,2 10 13,5
5,5 6,4 11 13,6
6 7,3 12 13,7

Jak widać prąd wyjściowy zmienia się wraz ze zmianą napięcia wejściowego (stabilizowanego). I to jest poważny problem, który wynika z tego, że dla każdej zmiany napięcia musielibyśmy mieć inne wartości rezystorów R1, co jest kompletnie nie praktyczne. Dlatego rozwiązano w sposób poniższy:

  • Mateusz x

    Czysto teoretycznie, czy zasilając jeden z przedstawionych układów napięciem Uwe=100 V lub więcej i zastosowaniu odpowiednio dużego rezystora, aby nie przekroczyć Izmax to jesteśmy wstanie dalej otrzymać Uz=5.1 V jako Uwy? Ewentualnie jaki parametr na taki zabieg nie pozwala?

    • Cześć,
      przepraszam, że z opóźnieniem odpisuję, ale moim zdaniem nie udałoby się utrzymać napięcia zenera(np. 5,1V), ponieważ już przy minimalnie większej wartości napięcia wejściowego, napięcie zenera, również rośnie, zobacz na stronie 3. jakie jest napięcia Zenera dla 12V. Poza tym nawet jakby udało się utrzymać to napięcie, przy Uwe = 100V mielibyśmy bardzo mały prąd do wykorzystania, wręcz znikomy, żeby nie przekroczyć Ptot = 0,5W :)