Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera napięcie to jest dokładnie określone i nazywane jest napięciem Zenera UZ.

rys.1

Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys.1, a charakterystyka tej diody na rys. 1.1. Jak widać na rys.1.2 stabilizacja na diodzie zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody DID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia DUAK i przyjmuje się, że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera UZ.

Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Produkuje się diody na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamiętać, że im mniejsze jest to napięcie tym gorsza stabilizacja.

Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody Zenera przedstawiony jest na rys.1.2. Rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia. Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji. Kilka układów przedstawiających lepsze rozwiązania przedstawiłem w dziale Ciekawe rozwiązania układowe.

rys.1.1 rys.1.2

Dioda jako prostownik

Jednym z najczęstszych i najprostszych zastosowań diody jest wykorzystanie jej jako prostownika.

Prostownik zamienia prąd przemienny, czyli taki który płynie na zmianę w dwóch kierunkach na prąd jednokierunkowy. Często o diodach mówi się "prostownik" mając na myśli takie właśnie zastosowanie.

Prostownik jednopołówkowy

Na rys. 1.3 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. Ug jest źródłem napięcia przemiennego, a RL jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym przypadku (rys.1.4) źródłem napięcia wejściowego Ug jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci 220V 50Hz, które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na obciążeniu UL wygląda tak jak na rys.1.4 (przebieg czerwony). Jak widać przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy Ug>0.6V). Można więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie UL występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego Ug.

rys.1.3 rys.1.4

Prawie wszystkie układy czy urządzenia elektroniczne wymagają zasilacza, w którym jest przynajmniej jedno źródło napięcia stałego

o bardzo dobrych parametrach, co zwykle oznacza, że napięcie takiego źródła nie zmienia się ani pod wpływem zmian napięcia w sieci (220V), ani pod wpływem zmian obciążenia. Oczywiście pewne zmiany zawsze będą (nazywa się je tętnieniami) ale dąży się do tego aby były jak najmniejsze. Cel taki uzyskuje się przez stosowanie stabilizacji napięcia układami, które nazywają się stabilizatorami.

Jak można krótko wyjaśnić na czym polega mechanizm stabilizacji? Otóż dzięki twórcom teorii sprzężenia zwrotnego (w 1928 roku Herold S. Black próbował opatentować zasady ujemnego sprzężenia zwrotnego) oraz dzięki dalszemu rozwojowi tej jakże użytecznej techniki, możliwa jest obecnie realizacja stabilizatorów o bardzo dobrych parametrach. W stabilizatorach stosowane są właśnie obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego, w których następuje porównanie wyjściowego napięcia stabilizowanego z wzorcowym źródłem napięcia (o bardzo dużej stałości), w wyniku porównania wypracowany zostaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom. I tak jeżeli z jakichś powodów napięcie na wyjściu stabilizatora miałoby się zmienić to sygnał uzyskany z obwodu sprzężenia zwrotnego będzie przeciwdziałać tym zmianom.

Stabilizatory można najogólniej podzielić na:

stabilizatory liniowe lub inaczej stabilizatory o regulacji ciągłej,

stabilizatory impulsowe

- zmniejszające wartość napięcia

- zwiększające wartość napięcia

Oczywiście to nie wyczerpuje wszystkich możliwości gdyż pozostaje jeszcze podział na stabilizatory regulowane, stałe, dodatnie, ujemne itd.

Parametry stabilizatorów.

Do najważniejszych parametrów stabilizatory, na które trzeba zwracać szczególną uwagę należy zaliczyć:

- nominalna wartość napięcia wyjściowego Uwy i jego tolerancja

- maksymalny prąd wyjściowy Iwy

- maksymalny prąd zwarcia Izw

- zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego Uwemin do Uwemax

- minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem, a wejściem potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego

- współczynnik stabilizacji napięciowej Su=DUwy/DUwe (im mniejsza jego wartość tym lepiej)

- współczynnik stabilizacji prądowej lub jak kto woli obciążeniowej

- rezystancja wyjściowa Rwy=DUwy/DIwy

- sprawność energetyczna h=(Uwy· Iwy)/(Uwe· Iwe)

Własność	Stabilizator liniowy	Stabilizator impulsowy
Sprawność	25% ÷ 60%	75% ÷ 95%
Powierzchnia radiatorów	100%	10% ÷ 20%
Stosunek mocy do masy	20 W/kg	110 W/kg
Pojemność kondensatora wyjściowego	mała	bardzo duża
Parametry stabilizacji	bardzo dobre	dobre
Odpowiedź impulsowa (czas odpowiedzi na nagłe zmiany obciążenia)	5 ÷ 50 µs bardzo dobrze	100 ÷ 1000 µs słabo
Tłumienie szumów i tętnień	bardzo dobre 0,2 ÷ 2 mV	słabe 10 ÷ 60 mV
Zdolność utrzymania napięcia przy krótkotrwałym zaniku napięcia wejściowego (czas podtrzymania tc)	słaba 1 ÷ 10 ms	bardzo dobra 20 ÷ 50 ms (400 ms dla małych Iwy)
Tłumienie zakłóceń radioelektrycznych	bez problemu (kondensatory przeciwzakłóceniowe)	konieczne dodatkowe konstrukcje, środki (ekranowanie, filtry)

Stabilizatory liniowe

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku 1.5. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi.

Rysunek 1.6 doskonale ilustruje właściwości układu z rysunku 1.5 jako stabilizatora. Jak działa dioda zenera możesz zobaczyć w dziale Diody. Z rys.1.6 widać że zmiany napięcia wejściowego DUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody DID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego DUwy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera UZ.

rys.1.5 rys.1.6

Układy ze sprzężeniem zwrotnym

Na rysunku 11.4 przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówno w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków:

- elementu regulacyjnego

- wzmacniacza błędu

- źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego)

- układu próbkującego

Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające.

Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Jak to się dzieje? Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Ukłądem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3.

rys.1.7

Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie wzorcowe Uref (lub jak kto woli referencyjne czy też odniesienia). Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora "chce" z jakichś powodów zwiększyć się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie UCE zmniejsza się). Tak właśnie działa ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne zastosowane w układach stabilizatorów liniowych (ze sprzężeniem zwrotnym oczywiście).

Zasada działania Diody Zenera

i

zastosowanie w procesie stabilizacji.

Rodzaje stabilizatorów.

---