Elektronikawzad27

w. CiąjyruAi ELEKTRONIKA W ZADANIACH

I: Obliczanie punktów pracy prz>Tz*dów półprzewodnikowy cli

lub stosunek wartości względnych tych przyrostów:

_K    f&UwF. _ &^uwr

V*F. _ y V*

Uwr    U*

(1.14.4)

U WY    ^WF.

Przy wykorzystaniu dla naszego układu definicji (1.14.3) otrzymujemy K = 0,1 czyli 10%, a przy definicji (1.14.4) mamy K_w= (0,1/1 )•( 10/6,04) = 0,16 czyli 16%. Użytkowe cechy naszego stabilizatora nie są zatem zbyt imponujące, ale za to przyjęte wartości liczbowe parametrów układu pozwalają na pokazanie pewnych zależności na wykresach.

Ad 2. Podłączenie SEM równej Uma i rezystancji r_OŁ zastępujących diodę Zenera do obliczonego powyżej (w rozwiązaniu I) zastępczego źródła złożonego z SEM Er- 6,4 V i rezystancji R/ = 57,6 Cl (patrz rysunek 1.14.6) pozwala na obliczenie prądu pły nącego przez diodę Zenera jako:

/ ₌ _ Z₇. +U»zo ₌_ Mz?:_6.1 ₌ _ 1_1>83 mA

R + r_n.

57,6+10 il

któremu odpowiada napięcie wyjściowe na diodzie Zenera równe:

^=-^o-^/Dz^=5,6^v + ¹l,83mA10n=5,7^,8^v Prąd obciążenia przy tym napięciu wynosi oczywiście:

Rys. 1.14.6

U_vr 5,718 V

= 35,7 mA

^Ł R_l 160 iż

l ak więc podłączenie rezystora Ri. = 160 Q powoduje spadek napięcia wyjściowego o (6,040- 5.718) V = 322 mV i pojawienie się prądu obciążenia //. = 35,7 mA. Te liczby pozwalają na wyznaczenie kolejnego ważnego dla oceny jakości stabilizatora parametru zwanego rezystancją wyjściową:

^{V 322 mV}=9Q    (1.14.5)

_ A(/_ht _ 6,040- 5,718

Rwy ~    ^— ~

A/_r

0-35,7 mA 35,7 mA

Ad 3. Wzrostowi prądu obciążenia h. stabilizatora towarzyszy spadek wartości prądu płynącego przez diodę, a więc także zmniejszanie się napięcia na diodzie (czyli napięcia wyjściowego). Aby wykreślić pełną charakterystykę stabilizatora obliczmy wartość rezystancji obciążenia, przy której prąd diody spada do zera.

Wtedy Uwr = -5,6 V, a cały' prąd płynący przez rezystor R wynoszący:

, _,0+(-5,6)V_=48ł9mA

90 ci

płynie także przez rezystor Rl, a zatem wtedy:

RLmin = 5,6 V / 48,9 mA = 115 Cl Dla mniejszych od 115Q wartości rezystancji R_L napięcie wyjściowe wynika z podziału napięcia wejściowego na rezystorach R i Rl, dioda może być uważana za przerwę i stabilizacja napięcia już nie zachodzi. W układzie współrzędnych    U wy = f (Ir.) ze wzrostem prądu

obciążenia napięcie wyjściowe spada do zera zgodnie z równaniem:

U^^U^-R^    (1.14.6)

tzn. różni się od wejściowego o spadek napięcia wywołany przez prąd obciążenia na rezystancji szeregowej R. 7. ostatniego równania wynika też, że w tym zakresie rezystancja wyjściowa stabilizatora wynosi R = 90 D. Zwarciu wyjścia do masy odpowiada (/«r = 0, czyli //. = Uwf./R = 10 V / 90 0 = 111 mA.

Przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej (nazywanej także charakterystyką obciążenia) stabilizatora przedstawia rysunek 1.14.7.

Ad 4. Dioda Zenera rozprasza największą moc przy braku obciążenia, gdyż wtedy płynie przez nią największy prąd i występuje na niej największe napięcie. Moc ta

wynosi:

Poz = IŁ/flz • IdA = 6,04 V • 44 mA = 265 mW Rezystor R w zakresie roboczym stabilizatora rozprasza największą moc dla R_LmiH i wynosi ona wtedy:

Pr - (4,4 V)²/90 0 = 215 mW

W normalnych warunkach pracy stabilizatora wystarczyłoby zatem wybranie np. rezystora o mocy 250 mW i diody Zenera w obudowie zapewniającej rozpraszanie mocy 300 mW. Wtedy jednak nasz układ nie byłby odporny na zwarcia. W przypadku wystąpienia na wyjściu stabilizatora zwarcia do masy diodzie nic nie grozi, ale na rezystorze R wydziela się znacznie większa moc /^,/t.w = (10V)²/900= 1,11 W

Pełna analiza tego zagadnienia musiałaby uwzględniać jeszcze możliwe wahania napięcia zasilającego, oraz tolerancje wartości rezystancji R. Jeśli np. dodatnia tolerancja napięcia wejściowego wynosi 15%, a ujemna tolerancja wartości rezystora R wynosi 10%, to moc wydzielająca się w rezystorze R w przypadku zwarcia wyjścia stabilizatora wyniesie w najgorszym przypadku:

Pr sw mai ⁼ (1»15²/ 0,9) • 1,11 W =1,63 W

R

Odporność układu na zwarcia uzyskalibyśmy zatem dopiero wybierając rezystor R o wymiarach odpowiadających rozpraszanej mocy równej np. 2 W.

Rozwiązanie 3

Na zakończenie zaprezentujemy jeszcze inne podejście prowadzące szybko do obliczenia współczynnika stabilizacji i rezystancji wyjściowej stabilizatora.

Ad 1. Zmiany napięcia wejściowego wokół wartości 10 V przedstawimy w postaci SEM o w'artości AUwe- Ze schematu zastępczego przedstawionego na rysunku 1.14.8 widać wyraźnie, że zgodnie z zasadą superpozycji napięcie wyjściowa jest sumą trzech składowych pochodzących od pokazanych trzech SEM wymuszających, przy czym dwie stałe SEM są odpowiedzialne za stałą wartość napięcia wyjściowego, równą (dla A Uwe - 0):

(1.14.7)

U„,—^U_WC--Z-rUoto -6.04 V,

^raz R    ^rm ⁺ R