Elektronikawzad29

w. Ciątyński - ELEKIKONIRA W ZADANIACH

Część I: Obliczanie punktów pracy przyrządów półprzewwlnikowych

(wobec przyjętych założeń upraszczających w pewnym zakresie niezależnie od wartości Ki) ustali się na wartości:

U.15.2)

U_wr =U_DZ-U„ = 5.6 V-0.6 V = 5.0 V

Ponieważ napięcie wejściowe U we = 10 V i napięcie na bazie tranzystora Ud = 5,6 V pozostają stałe to prąd /* nie ulega zmianie, czyli pojawieniu się prądu bazy /# musi towarzyszyć odpowiednie zmniejszenie się prądu diody Zenera Ilu (suma tych prądów równa f_K musi pozostać stała).

Tak więc przy stałym napięciu Uh = 5,6 V można skierować do bazy maksymalny prąd:

h max-h-Ir>7.mm = 22 mA - 2 inA = 20 mA

któremu odpowiada prąd emitera płynący przez obciążenie równy:

=0 + 1    + 'czo = <49+1) • 20 mA = 1A

Prz>^r napięciu wyjściowym Uwy — 5,0 V oznacza to podłączenie rezystancji R_LlKin = 5.0 h. Przy próbie dalszego zwiększania prądu obciążenia (podłączaniu rezystancji mniejszych niż 5 12) prąd diody spada poniżej i-

2 mA, osiągając wartość zerową dła:

Tej wartości Ib odpowiada prąd obciążenia:

I_E = (49 + l)-23mA = l ,15A, oraz napięcie wyjściowe:

U_m =5,4 V-0,6 V = 4,8 V.

Rvs. 1.15.4

a to oznacza podłączenie rezystancji Rl = 4,17 Q.

Dla rezystancji obciążenia mniejszych niż 4,17 fi dioda Zenera nic odgrywa już w układzie jakiejkolwiek roli, układ sprowadza się do pokazanego na rysunku 1.15.4. Równanie koła napięć wynikające z Il-go prawa Kirchhofifa dla tego układu ma postać:

i.

iv; uwv

Po przekształceniu otrzymujemy równanie, które w układzie współrzędnych Uwr- Uh.) ma postać prostej:

czyli po podstawieniu wartości liczbowych:

tf_w=9_t4 V-4 LI I_I    (1.15.4)

Równanie obowiązuje w naszym układzie dla prądów obciążenia większych od 1. 15 A. Z tego równania wynika m. in. wartość prądu zwarcia wyjścia stabilizatora. Dla Uwr = 0 otrzymujemy bowiem:

Ur = 9.4V/4£2 = 2.35 A

i> -

¹.

Rys. 1.15.5

Wynika też z niego, że rezystancja wyjściowa stabilizatora w tym (normalnie nic wykorzystywanym) zakresie wynosi:

R_wr= R/(fl+ 1) = 200 n/50 = 4

Pełny kształt charakterystyki prądowo napięciowej stabilizatora napięcia pokazano na rysunku 1.15.5.

Teraz, gdy znamy już całą charaktery stykę powróćmy jeszcze do jej początkowego odcinka. Przy wykorzystaniu uproszczonej charakterystyki złącza baza-cmiter pojawieniu się prądu obciążenia odpowiada pionowy spadek napięcia wyjściowego od 5,6 V do 5,0 V. W rzeczywistości w analizowanym układzie dla bardzo małych prądów obciążenia otrzymuje się odcinek charakterystyki o dużym nachyleniu. Od tego niekorzystnego efektu można się uwolnić przez zastosowanie pewnego niewielkiego „wstępnego obciążenia", tzn. włączenie na stałe do układu rezystora o dużej wartości, który przy braku zewnętrznego obciążenia R_L zapewnia niewidki prąd emitera tranzystora (patrz zadanie 2.18).

Ad 2. Na diodzie Zenera maksymalna moc wydziela się w sytuacji braku obciążenia stabilizatora. Wynosi ona:

Rdz™ = Udz • bz™ = 5.6 V • 22 mA = 123 mW    (i, 15.5)

Na rezystorze R maksymalna moc wydziela się przy zwarciu wyjścia stabilizatora. Wynosi ona:

Prhm = <Uwe - Ube)²/R = (9,4 V) *7200 O = 442 mW    (U5.6)

Na tranzystorze T maksymalna moc wydziela się także przy zwarciu wyjścia stabilizatora. Wynosi ona w przybliżeniu:

Re™ = U_Ce™'Jl™ = Uwe    10 V • 2.35 A = 23.5 W    (JJ5.7)

Jest to wartość kilkakrotnie większa niż. w' stanie normalnej pracy przy obciążeniu pełnym prądem 1 A, kiedy moc tracona w tranzystorze wynosi:

Rc = Uc.e • I_L = 5 V • I A = 5 W    '    (1.15.8)

Wynika stąd, żc spełnienie warunku odporności na zwarcie wymagałoby zastosowania w analizowanym układzie tranzystora, który w stanie normalnej pracy nie byłby właściwie wykorzystany. Powiedzmy w tym miejscu tylko, żc w praktycznych układach odporność stabilizatora na zwarcie uzyskuje się przez rozbudowę układową omówionego powyżej podstawowego schematu.

Ad 3. Zmiana wartości napięcia zasilającego powoduje zmianę w'artości prądu płynącego przez diodę Zenera przy braku obciążenia, czyli zmianę wartości maksymalnego prądu bazy w zakresie stabilizacji napięcia wyjściowego, a zatem i maksymalnego prądu obciążenia. Przedstawione powyżej zależności pozwalają na powtórzenie obliczeń dla zmienionego napięcia U we, a więc poniżej ograniczymy sic tylko do uwag na temat skutków takiej zmiany.

Przy wzroście Uwe rośnie obciążalność układu (maksymalny prąd obciążenia w zakresie stabilizacji), ale rośnie także moc tracona w elementach układu i maleje jego sprawność użytkowa, która przy Uwe~ 10 V i mocy oddawanej 5 W wynosi jak łatwo obliczyć nieco poniżej 50 %.

Przy mniejszym Uwe sprawność układu rośnie, ale maleje jego obciążalność. Nadmierne obniżenie Uwe powoduje, że napięcie U en tranzystora równe różnicy Uwe- U_Wy zmniejsza się i tranzystor zbliża się zbytnio do granicy stanu nasycenia, gdzie - zwłaszcza dla tranzystorów dużej mocy - jego charakterystyki mogą już ulegać zakrzywieniu (i tranzystor nic może być już traktowany jak źródło prądowe).