Dobór rezystora zabezpieczającego w stabilizatorze z diodą Zenera

Dobór rezystora zabezpieczającego w stabilizatorze
z diodą Zenera
Wstęp | Następny | Poprzedni
Proste stabilizatory z rezystorem i diodą Zenera są rzadko stosowane, niemniej waro znać
zasady doboru elementów.
Schemat pokazany jest na poniższym rysunku.
Napięcie diody Zenera dobiera się według potrzeb, trzeba tylko pamiętać, że napięcie to nie
będzie idealnie równe napięciu nominalnemu diody ze względu na rozrzut parametrów oraz
na zmiany prądu diody Zenera. Przez rezystor szeregowy Rs płynie prąd diody Zenera i prąd
obciążenia IL. Prąd obciążenia IL może się zmieniać, ale prąd płynący przez rezystor Rs będzie
praktycznie taki sam - zmieniać się będzie natomiast prąd diody Zenera. Jeśliby prąd diody
Zenera spadł do zera, przestanie ona pełnić rolę stabilizatora. Rezystor Rs dobiera się tak, by
nawet przy największym prądzie obciążenia, prąd diody Zenera nie spadł do zera. Oznacza to,
że prąd płynący przez Rs zawsze musi być większy od największego spodziewanego prądu
obciążenia.
Przy małych prądach obciążenia IL, rzędu 5mA, obliczenia są dziecinnie łatwe. Dwa
przykłady pokazuje poniższy rysunek.
W pierwszym, z napięcia 12V chcemy uzyskać za pomocą zenerki napięcie około 5V, więc
stosujemy diodę C5V1. Pobór prądu przez obciążenie będzie wynosił 0,1...1mA. Decydujemy
się na standardową wartość prądu diody rzędu 5mA (diody często pracują przy takim prądzie,
jeśli prąd obciążenia jest znacznie mniejszy).
Mając napięcie Uz, wynoszące około 5V, obliczamy napięcie na rezystorze (Uwe - Uz) wynosi około 7V. Przez rezystor będzie płynął prąd o wartości nie większej niż 5mA+lmA,
możemy więc łatwo obliczyć rezystancję Rs: Rs = (Uzas-Uz)/(Iz+ILmax) otrzymujemy
Rs = (12V-5V)/(5mA+1mA) = 7V/6mA = 1,166(6)kΩ przyjmujemy najbliższą typową
wartość, czyli 1,2kΩ możemy też zastosować R=1kΩ.
W innym przypadku z napięcia 24V chcemy uzyskać napięcie 9V, a pobór prądu będzie
wynosił 1...5mA.
Niech znów najmniejszy prąd diody Zenera przy największym obciążeniu wynosi 5mA (przy
IL = 1mA prąd diody wzrośnie do 9mA, ale to nie jest istotne). Obliczamy:
Rs = (24V-9V)/(5mA+5mA)
Rs = 15V/10mA = 1,5kΩ
Ta prosta procedura obliczeniowa dobrze zdaje egzamin, jeśli prądy nie przekraczają 10mA, a
spadek napięcia na rezystorze nie przekracza 20V. Wtedy możemy przyjąć wartość
minimalnego prądu płynącego przez diodę około 5mA (3...10mA).
Jeśli prądy lub napięcia są większe, obliczenia są identyczne, ale dodatkowo trzeba wziąć pod
uwagę straty mocy w diodzie Zenera i rezystorze. Załóżmy na przykład, że z napięcia
niestabilizowanego o wartości 36V chcemy uzyskać napięcie stabilizowane równe 12V do
zasilania części logicznej układu, a pobór prądu ze stabilizatora będzie wynosił 3...50mA.
Prąd diody Zenera na pewno nie może spadać do zera. Nawet, gdy pobór prądu będzie
wynosił 50mA, przez diodę musi wtedy płynąć prąd o wartości co najmniej 5mA - pokazuje
to poniższy rysunek.
Oznacza to, że przez rezystor Rs musi płynąć prąd co najmniej 55mA. Łatwo obliczyć
rezystancję
R = (36V-12V) / 55mA = 436.36Ω
przyjmiemy typową wartość R=430Ω
Przy wartości 430Ω prąd Is wyniesie 55,8mA (24V/430Ω).
Na rezystorze wydzieli się moc strat
P=24V·55,8mA=1.34W
Trzeba zastosować rezystor o mocy minimum 2W.
Należy przypuszczać, że także w diodzie Zenera wydzielać się będzie znaczna moc strat w
postaci ciepła. Najwięcej, jeśli prąd obciążenia będzie minimalny - 3mA. Przez diodę
popłynie wtedy prąd o wartości około 52mA.
Moc strat diody wyniesie:
Pz=Uz·Iz
P=12V·52mA
Pz = 624mW
Popularne małe szklaczki mają dopuszczalną moc strat 400mW. Taka mała
dioda nie może być tu wykorzystana, bo ulegnie przegrzaniu. Trzeba
zastosować nieco większą diodę o dopuszczalnej mocy strat co najmniej 1W.
Fotografia pokazuje popularne diody Zenera.
Opisane obliczenia są całkowicie wystarczające w praktyce. Warto jednak pamiętać, że są
nieco uproszczone, bo nie uwzględniają rezystancji dynamicznej diody, czyli zmian napięcia
stabilizacji w funkcji prądu diody oraz zmian napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury.
Nie ma potrzeby wgłębiać się w takie szczegóły, bo prosty stabilizator z rezystorem i diodą
Zenera nie zapewnia dobrej stabilizacji. Jeśli napięcie ma być naprawdę stabilne, trzeba
zastosować lepszy sposób, to znaczy wykorzystać układ scalony. Do wyboru są źródła
napięcia odniesienia, np. LM385 czy LM336 o stałym napięciu oraz regulowana scalona
dioda Zenera w postaci popularnego układu TL431 - tu zasady doboru rezystora szeregowego
są dokładnie takie, jak podano wcześniej. W innych przypadkach można wykorzystać typowy
stabilizator z rodziny 78XX, 79XX albo regulowane kostki LM317, LM337.