17 III. ZENEROVA DIODA A STABILIZÁTORY NAPĚTÍ Zenerovy diody se vyrábějí z křemíku tak, aby měly v závěrném směru dobře definované průrazné napětí a zlom charakteristiky ostrý. V propustném směru se průběh charakteristiky neliší od charakteristik běžných diod používaných např. v usměrňovačích. Zenerových diod se pou-1 žívá k omezování a stabilizaci napětí. . Důležitým parametrem je diferenciální odpor diody v oblasti průrazu Rd = AI, (3.1) Čím má R^ menší hodnotu, tím je dioda vhodnější pro stabilizaci napětí. Jiným důležitým parametrem diody je relativní teplotní součinitel změny napětí - sz, daný vztahem 8Z = U z ň5 ä t (3.2) Teplotní koeficient'bývá řádu 10 Uz>5 V kladný. ■ -4 a je pro Uz< 5 V záporný, pro Char ak te r ia tika Zenero vy„_d iody Charakteristiku Zenerovy diody měříme v zapojení podle obr. 10. Napájecí napětí U-^ volíme podle druhu diody, v praktiku používáme 17 V. Místo pevného zdroje s potenciomet-rem lze použít přímo zdroj promenné*-ho napětí. Odpor RQ je ochranný a zamezuje prudkému nárůstu proudu po překročení průrazného napětí. Aby nedošlo ke zničení diody nesmí proud přesáhnout jistou mez doporučenou výrobcem. Zapojení Zenerovy diody v jedno- Obr. 10 duchem stabilizátoru napětí je na obr.11. 3 f LT-©-| Obr. 11 18 . V obrázku jsou zakresleny i přístroje pro kontrolu výstupního napětí stabilizátoru a proudu zatěžovacím odporem R . Charakteristickou veličinou pro stabilizátor je činitel stabiliza oe S definovaný poměrem . S = AU0 A lil ' ""i 0,3) U2 Poměr změn napětí AU^/AU^ je možno vyjádřit z poměru velikosti odporu diody a R, , takže pro činitel stabilizace S platí přibližně U R, + R, U9 • R, s = ~ « ■ z -q - ;t~~r » (3.4) ul Rd ul Bd přičemž R-L-^>Rd a Uz S U2 . K dosažení velké hodnoty "činitele stabilizace je tedy výhodné volit hodnotu odporu R,, co nejvyšší., To je nutné opět vyvážit volbou dostatečně vysokého napětí na vstupu U, . • Při výpočtu hodnot odporů R, a R„ je nutné vycházet z těchto pod-mínek. Pracuje~li stabilizátor bez zatížení, H —<~ &o a mění-li se vstupní napětí od ^^.min do ^Lmax' sm^ mj"t odP°r Ri hodnotu nejvýše , r < ,. , 2 (3.5) • . oz kde I značí závěrný proud diodou v začátku strmé 'části charakteristi oz " ky. Zároveň nesmíme ani při nejvyšším napájecím napětí překročit dovolený ztrátový výkon diody Pmax> takže Pmax>U2 ' , (3.6) 1 z této nerovnosti plyne druhé omezení pro velikost R,. Bud e-1i mít za-těžovací odpor R stálou hodnotu potom pro velikost odporu R, můžeme použít vztahů l!WjLľÄ < p x JWlík , (3.7) kde Ip je proud tekoucí zátěží, tedy Uz^Hz * Při Proměnfté zátěži musí me počítat s maximální a minimální hodnotou proudu I2> Proud diodou nesmí klesnout pod hodnotu I a nesmí ani překročit takovou hodnotu, ť oz -při které by došlo k přetížení diody. Společný proud diodou a zátěží -určuje velikost napětí U, a naopak* 19 Stabilizační účinek diody měříme v zapojení podle obr. 11. Velikost odporu R-^ bude zadána. Vstupní napětí měníme v mezích od zadané maximální hodnoty k nižším a to dokud obvod stabilizuje. Úkoly: 1. Změřte závěrnou charakteristiku Zenerovy diody. Z grafu 1^ = f( u^) stanovte hodnotu Zenerova napětí a odpor R^. 2. Změřte závislost výstupního napětí na napětí vstupním pr© pevné hodnoty odporů R-. a R . Měřte pro několik hodnot R . 3. Pro pevnou hodnotu vstupního napětí a odporu R^ změřte závislost výstupního napětí na proudu zátěží. Určete vnitrní odpor zdroje a činitel stabilizace S a to jak z výsledků měření tak i.výpočtem podle vztahu (3.4)- Stabilizátqr s tranzistorem a Zenerovou diodou Stabilizátory se samotnou Zenerovou diodou nemohou dodávat do zá-těže velké proudy. Rovněž jejich provoz je nehospodárny. Proto se často používá složitějších zapojení Zenerových diod a tranzistorů, které odstraňují uvedené nevýhody. Nejjednodušší zapojení podobného stabilizátoru je na obr. 12. Výs.tupní napětí je zde velmi přibližně rovno u2 , uz be Obr. 12 Při stálém odběru proudu je napětí Ub stélé, stabilizované napětí je tedy poněkud nižší než napatí U^. Zařízení bude pracovat potud, pokud Zenerovou diodou poteče alespoň minimální proud, pro který je pracovní bod za zlomem charakteristiky. Napětí báze je pak udržováno na téměř 3tálé hodnotě napětí závislé na proudu diodou. Maximální proud zátěží, který stabilizátor může dodávat, závisí na použitém tranzistoru t ' ■ .' = .i, u2max """bmax kde ft je proudový zesilovací činitel tranzistoru při zapojení se společným emitorem (h21e) a proud l^máx^ Iemax» tedy výstuPní proud musí být menší než maximální dovolený proud emitoreau lbmax představuje maximální proud, který může dodat stabilizátor se ^amotnou Zenerovou diodou a je' = i. - i Lbmax ~ ■ dmax dmin • . ^-Stabilizátor s tranzistorem může dodávat do zátěže h21g-krát větší jr~proud než jednoduchý stabilizátor podle obr.11. 20 Úkoly; 1. Pro pevnou hodnotu v3t.upn.ih0 napětí určete závislost výstupního napětí U2 na proudu I2« Odpor i Zenerova dioda J3ou stejné jako v předchozím měření. Porovnejte výstupní napětí a zatížitelnost obou stabilizátorů. Určete vnitrní odpor stabilizátoru. 2. Pro stálou velikost zatěžovacího odporu R„ urSete závislost výstupního napětí U g na vstupním napětí . Určete činitel stabilizace. Stabilizátor s regulovatelným napětím a elektronicko^ Nevýhodou předchozích stabilizátorů bylo, ř,e výstupní napětí inělo pevnou hodnotu danou použitou Zenerovou diodou. V praxi vsak ča3to potřebujeme zdroj stabilizovaného napětí proměnného v jistých mezích. Jednoduchý řiditelný stabilizovaný zdroj napětí může být zapojen podle obr. 13» Obr. 13 Zdrojem konstantního napětí je zase stabilizátor se Zenerovou dio» dou ZD v emitorovém obvodu tranzistoru T,,. Na basi tohoto tranzistoru je přivedena Sást výstupního napětí k^Ug', kde • R, '4 R3 + R4 Napětí mezi bází a emitorem tranzistoru je r* : U be2 R3 + R4 u2 - uz Změny výstupního napětí U2 vyvolají' tedy i změny napětí Ube2. Zvětší-li se výstupní napětí, zvětší se i napětí Ube2» tranzistorem T2 poteče větší proud, což má za následek pokles napětí na bází tranzistoru-^. 21 Výstupní napětí tedy poklesne, nebot při stálém odběru proudu je napětí mezi bází a emitorem T-j stálé. Klesne-li výstupní napětí, dochází k částečnému vyrovnání změny podobným procesem,. Zenerovou diodou může v uvedeném zapojení téci mnohem meněí proud než diodami v zapojení podle obr„ 11 a 12» Odpor je připojen k výstupu stabilizátoru,, takže změny vstupního napětí vyvolají velmi malé změny proudu diodou ZD, K této stélé složce proudu se ovšem přičítá' proměnná složka proudu emitorem transistoru' Tg. Výstupní napětí zdroje můžeme pohodlně regulovat změnou poměru k. .■ Diody D-^ a I>2 spolu a odporem RQ jsou součástmi pojistky proti pře-j tížení zdroje nadměrným proudem Ig. Tavné pojistky nestačí jistit obvody s tranzistory protože nereagují dostatečně rychle. Proud I0 vytváří na odporu R napětí. Dosáhne-li jeho hodnota napětí na obou diodách (pro křemíkové diody asi 2x0,7 V), začne napětí mezi bází a emitorem tranzistoru T-^ klesat a proud tranzistorem nemůže více narůstat. Zařízení tedy pracuje jako omezovač výstupního proudu, výstupní napětí klesá. Úkoŕy^ 1« Pro stálou hodnotu výstupního proudu stanovte závislost výstupního napětí na napětí vstupním. Určete činitel stabilizace S.1 2« .Pro danou hodnotu vstupního napětí stanovte závislost výstupního napětí na proudu zátěží. Proudová pojistka je vyřazena. 3.. Proveďte totéž měření jako v bodě 2 ale se zařazenou proudovou pojistkou. Měřte pro několik hodnot výstupního napětí.